換流站閥廳套管SF6氣體濕度超標原因分析及現(xiàn)場處理

張 馳，蔡 萱，肖志邦，肖 攀，王佩佩

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢430077；2.湖北方源東力電力科學研究有限公司，湖北 武漢430077）

0 引言

SF6氣體因其優(yōu)良的滅弧性、絕緣性、導(dǎo)熱性和穩(wěn)定的化學性被作為絕緣氣體廣泛應(yīng)用于我國電網(wǎng)氣體絕緣設(shè)備。隨著我國經(jīng)濟持續(xù)保持中高速發(fā)展，我國電網(wǎng)建設(shè)也將朝著遠距離、大容量、特高壓和智能化方向快速發(fā)展。同時，隨著我國城市化規(guī)模不斷擴大，用地越發(fā)區(qū)域緊張，常規(guī)變電站因大部分電氣設(shè)備直接暴露在空氣中導(dǎo)致占地面積較大這一缺陷被明顯放大。盡管，諸如SF6/N2混合氣體、全氟酮（C5F10O，C6F12O）、全氟異丁腈（C4F7N）、三氟碘甲烷（CF3I）和八氟環(huán)丁烷（c-C4F8）［1-8］等氣體被認為具備潛質(zhì)成為SF6氣體的替代絕緣介質(zhì)，但是因為絕緣能力、滅弧能力等均無法達到優(yōu)于或相同于SF6氣體的水平，短期內(nèi)難以在我國電力行業(yè)大面積推廣?；谝陨峡陀^因素，在未來一段時間內(nèi)，SF6氣體的使用量依然會保持增長。因此，確保氣體絕緣設(shè)備的安全運行對我國電網(wǎng)安全具有重大意義。

SF6氣體雖然具有化學穩(wěn)定性高的優(yōu)點，但在電弧、火花、局部放電和局部過熱條件下，SF6氣體分子因為受到較大能量的作用，會發(fā)生分解，生成各種低氟化物［9］（SFx，x=1，2…5）。在沒有其它雜質(zhì)存在的條件下，這些低氟化物能夠迅速還原生成SF6氣體分子。但是，在實際生產(chǎn)過程中，因為H2O的存在，SF6氣體分子在受到能量作用的同時，H2O分子也會受到能量的作用分解生成O、H或者OH離子。這些離子會打破SF6與低氟化物之間分解-復(fù)合的平衡［10］。國內(nèi)外已經(jīng)有大量的科研工作者，研究了電氣絕緣設(shè)備內(nèi)微量水分對SF6氣體分解的影響。文獻［11］-文獻［13］證實電氣絕緣設(shè)備內(nèi)微量水分含量的變化直接影響相關(guān)化學反應(yīng)速率，從而影響最終分解產(chǎn)物的種類及含量。文獻［14］-文獻［16］研究表明H2O具有很強的捕獲F離子的能力，這也間接表明H2O的存在抑制了低氟化物和F離子重新復(fù)合為SF6氣體。曾福平［17］等人研究了H2O對SF6氣體在過熱條件下分解產(chǎn)物的特點，研究發(fā)現(xiàn)，隨著H2O含量的增加，對SO2和HF的產(chǎn)生具有促進作用。最終，SF6分子分解生成更多更復(fù)雜的生成物。這些復(fù)雜生成物的產(chǎn)生，一方面加速了SF6氣體分解，影響設(shè)備內(nèi)SF6氣體純度，降低設(shè)備的絕緣性能；另一方面，部分生成物具有較強的腐蝕性，如HF、H2S等，對設(shè)備造成腐蝕。最終，給電網(wǎng)的安全運行帶來巨大的挑戰(zhàn)。因此，我國國家標準《GB/T 8905-2012 SF6電氣設(shè)備中氣體管理和檢測導(dǎo)則》和電力行業(yè)標準《DL/T 596-1996電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》對運行中SF6氣體濕度有較為嚴格的要求。

目前，氣體絕緣設(shè)備內(nèi)濕度超標的危害性已經(jīng)引起運維部門的高度重視。國內(nèi)開展了大量關(guān)于SF6氣體濕度在線監(jiān)測技術(shù)研究［18-20］，對控制氣體絕緣設(shè)備內(nèi)SF6氣體濕度含量做出了突出貢獻。文獻［21］-文獻［22］通過將傳統(tǒng)SF6氣體濕度在線監(jiān)測技術(shù)與無線傳輸技術(shù)相結(jié)合，提高了濕度在線監(jiān)測設(shè)備的準確性。同時，國內(nèi)關(guān)于GIS和短路器濕度超標的問題進行了大量的研究［23-25］，分析了短路器濕度超標的原因并提出了很多處理建議。但是，目前絕大部分研究內(nèi)容都是關(guān)于GIS和斷路器等設(shè)備濕度超標原因分析，關(guān)于換流站閥廳內(nèi)穿墻套管氣體濕度超標的原因缺乏研究分析。另外，目前所有針對濕度超標問題提出的處理建議和方案，主要是采用傳統(tǒng)的方法對超標氣體進行更換。一般的處理流程是在停電檢修時，對氣室采取抽真空、干燥、再充入SF6新氣的操作流程，耗時較長，無法滿足當前停電檢修時間短、任務(wù)重的趨勢。此外，GIS設(shè)備氣室更換SF6氣體比獨立氣室的操作流程更為復(fù)雜，需要對抽真空的氣室兩邊相鄰的氣室采取抽氣降壓，防止相鄰氣室壓力過大將中間的真空氣室的盆式絕緣子壓裂，造成設(shè)備損壞，所以耗時更長。因此，迫切需要采用一種新技術(shù)來處理SF6氣體濕度超標問題。

本文重點研究分析換流站閥廳內(nèi)穿墻套管SF6氣體濕度超標問題的原因，并提出一種全新的處理SF6氣體濕度超標問題。

1 問題及原因分析

某換流站閥廳停電檢修過程中，對所有換流站閥廳穿墻套管進行濕度檢測。其中，極Ⅰ閥廳Y/Y-B-a相套管濕度值為620.6μL/L，極Ⅰ閥廳Y/Y-B-b相套管濕度值為639.4μL/L，極Ⅱ閥廳Y/Δ-B-b相套管濕度值為834.9μL/L。依據(jù)國家標準《GB/T 8905-2012 SF6電氣設(shè)備中氣體管理和檢測導(dǎo)則》，3支套管均超過了標準要求的500μL/L，需要對套管進行處理。

導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)濕度超標原因主要有以下幾個方面：

1）新氣中自身攜帶的水分；

2）生產(chǎn)、安裝工藝問題，導(dǎo)致設(shè)備密封不嚴，存在漏氣問題；

3）補氣過程中也可能導(dǎo)致水分的混入；

4）設(shè)備零部件、吸附劑和絕緣材料吸附的水分釋放出來；

5）設(shè)備運行過程中，各種原因造成的化學變化形成了水分。

通過現(xiàn)場與設(shè)備運維單位、設(shè)備生產(chǎn)廠家溝通后，查閱了2015年至2019年穿墻套管運維記錄，濕度超標套管未開展補氣，密度繼電器壓力顯示一直保持正常，因此可以排除設(shè)備漏氣和補氣過程水分混入導(dǎo)致濕度升高。設(shè)備運維單位無設(shè)備異常情況記錄，因化學反應(yīng)導(dǎo)致水分增加的可能性不大。最終認為，設(shè)備零部件在加工、儲存、運輸和安裝過程中，吸附了大量的水分。設(shè)備在安裝過程中雖然會進行干燥處理，但是，可能因為干燥不徹底，在后期長期運行過程中，這些水分逐漸釋放出來。而且換流站閥廳套管所使用的復(fù)合材料吸水性更強，運行過程中可能釋放的水分更多。

2 現(xiàn)場處理方案及原理

目前，換流站大修工期一般壓縮至10天左右，如果按照傳統(tǒng)方法更換SF6氣體，需要進行SF6氣體回收，然后再經(jīng)過抽真空、干燥、再充入SF6新氣、靜置24 h檢測濕度滿足標準要求即可，花費時間過長，耽誤工期。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，利用國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學研究院研發(fā)的“不停電SF6氣體在線濕度處理裝置”對穿墻套管進行降濕處理。本技術(shù)在保證電氣設(shè)備安全運行的情況下對其內(nèi)部的氣體進行呼吸置換、在線干燥、動態(tài)監(jiān)測，使設(shè)備內(nèi)氣體經(jīng)過在線濕度處理，降低氣體濕度，提高SF6氣體品質(zhì)，原理圖如圖1。

圖1 不停電在線濕度處理技術(shù)原理示意圖Fig.1 The schematic diagram of humidity on-line treatment technology without power off

利用該原理，國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學研究院申報了相關(guān)技術(shù)專利，并研制出不停電在線濕度處理裝置（圖2所示），并在現(xiàn)場成功應(yīng)用（圖3所示）。

圖2 不停電SF6濕度在線處理裝置Fig.2 The equipment of humidity on-line treatment technology without power off

圖3 某換流站濕度在線處理現(xiàn)場Fig.3 The experiment of humidity on-line treatment in the convertor station

3 現(xiàn)場處理結(jié)果

利用國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學研究院研發(fā)的“不停電SF6氣體在線濕度處理裝置”對上述3支濕度超標的穿墻套管（極Ⅰ閥廳Y/Y-B-a相套管、極Ⅰ閥廳Y/Y-B-b相套管、極Ⅱ閥廳Y/Δ-B-b相套管）進行降濕處理。經(jīng)過一定時間處理結(jié)果如表1。

表1 套管內(nèi)SF6氣體濕度在線處理前后數(shù)據(jù)Table 1 The experiment date of SF6 gas humidity in the casing before and after humidity on-line treatment

以上3支濕度超標的換流變穿墻套管，經(jīng)過9個小時的在線濕度處理，濕度分別降低至極Ⅰ閥廳Y/Y-B-a相套管344.2μL/L、極Ⅰ閥廳Y/Y-B-b相套管378.1μL/L、極Ⅱ閥廳Y/Δ-B-b相套管399.8μL/L，均符合國家標準《GB/T 8905-2012 SF6電氣設(shè)備中氣體管理和檢測導(dǎo)則》要求的濕度低于500μL/L。同時，通過現(xiàn)場實踐證明，該方法十分高效，單支套管濕度處理過程不超過10個小時，為整個換流站停電大修節(jié)省了大量的時間。

4 結(jié)論與建議

本文針對某換流站濕度超標問題，通過調(diào)查設(shè)備運行和檢測記錄，排除了設(shè)備泄漏和補氣帶入的原因。另外，新氣注入之后，在前期運行過程中，設(shè)備濕度值正常，可以排除水分來自于新氣。最終認為套管內(nèi)濕度超標是因為設(shè)備所使用的材料干燥不徹底，加之套管復(fù)合材料吸收水分能力十分強，最終在運行過程中，設(shè)備各部分材料中吸附的水分擴散到了SF6氣體中。

本文介紹了一種處理SF6氣體濕度超標的新方法。通過在線濕度處理方法能夠有效的降低設(shè)備內(nèi)SF6水分含量。該方法操作簡單，無需對設(shè)備進行抽氣降壓等操作，不會對設(shè)備帶來任何風險；同時，也避免了傳統(tǒng)方法更換SF6新氣耗時過長與大修現(xiàn)場工期緊之間不可調(diào)和的矛盾，適合于現(xiàn)場推廣應(yīng)用。