絕緣氣體在高壓電力設備中的應用分析

中國能源建設集團華東電力試驗研究院有限公司 劉耀中

1 引言

由于SF6氣體自身介電強度較強，在標準大氣壓下可達到空氣3倍以上。SF6絕緣氣體是氣體絕緣變壓器與絕緣氣體輸變電設備應用最多的材料。目前，在城市高壓輸變電中，電力設備被廣泛應用，同時SF6氣體具有約為空氣100倍的滅弧能力，可在高壓斷路器以及超高壓系統(tǒng)方面應用SF6氣體。在常壓下，SF6氣體分解產(chǎn)物有毒有害，在環(huán)保要求日益嚴格的今天，電力行業(yè)有必要尋找一種環(huán)保、高性能的SF6氣體替代品，對SF6氣體的缺陷問題進行解決。

2 絕緣氣體在電力設備中的應用

SF6作為惰性氣體之一，具有較好的阻燃性、絕緣性、滅弧性。其特點在以下幾種高壓設備中獲得了充分的利用：一是電力系統(tǒng)斷路器；二是CT；三是GIS。同時，高壓設備運行情況會直接受到SF6氣體純度的影響。另外，對SF6氣體絕緣性能與滅弧性能影響較大的主要因素是SF6氣體的微水含量，當SF6氣體微水含量不符合相關標準時，從某種程度上來講，氣體絕緣性能與滅弧能力將受到阻礙。為此，在SF6裝置應用階段，需要對氣體微水含量做出檢測，并采用科學方法對氣體微水含量超標情況進行解決，為裝置正常運行提供保障，所以，應對SF6氣體中的微量水分析和處理進行深入探索與分析[1]。

電氣設備在對絕緣氣體進行挑選時，應保證氣體具備較強的絕緣強度性能與滅弧能力，還應該具備介質(zhì)化學惰性。但要保證的是在長時間或是高溫電弧情形下，介質(zhì)與設備中材料并不會出現(xiàn)任何化學反應。而在氣體出現(xiàn)混合情況下，在相互作用基礎上并不會生成副產(chǎn)品。為此，應保證介質(zhì)沸點符合標準，并將其傳熱特性充分發(fā)揮。因為傳熱介質(zhì)容量與設備工作溫度及運行效率之間關系密切，同時傳熱性能也是設備挑選的主要依據(jù)。不僅如此，還應對介質(zhì)進行管控處理。由于電氣設備對氣體絕緣介質(zhì)要求有明顯差異，斷路器設備對介質(zhì)滅弧能力與冷卻能力有較高要求，變壓器與氣體絕緣電纜也同樣要求設備滿足其能力需求，還應對經(jīng)濟運行情況給予高度重視[2]。

3 SF6絕緣氣體分解產(chǎn)物

SF6水解產(chǎn)物大多為酸性，且SF6作為一種無色氣體，在常溫常壓下將會產(chǎn)生具有明顯刺激性氣味。SF6與H2O 發(fā)生反應將會生成SOF2氣體，SF6在硫酸中經(jīng)過分解，會與苯充分相融，還能夠被堿性溶液或活性氧化鋁吸收，如果未經(jīng)妥善處理，將會引發(fā)劇毒，甚至會對人體呼吸系統(tǒng)造成嚴重損害。不僅如此，SO2與SF6皆為無色氣體，如果在常溫常壓下放置，將會發(fā)出刺激性氣味，但化學穩(wěn)定性較好、可與水進行分解、擊穿電壓高，并能將分解產(chǎn)物從現(xiàn)有的活性氧化鋁和活性炭中提取出來。

需要注意的是，該過程會產(chǎn)生劇毒，對人體傷害較大，如對人體黏膜產(chǎn)生強烈的刺激，會導致人體出現(xiàn)水腫、嘔吐等不良反應。一般在常溫常壓環(huán)境下，SO2F2為無色無味的氣體，且具有較為穩(wěn)定的化學性質(zhì)，并不會受外界因素所影響。當溫度達到150℃時，能夠與金屬發(fā)生反應，還能夠被堿性溶液所吸收，且難以被活性氧化鋁吸附，以便相關產(chǎn)物進行有效分解。

4 SF6微水超標原因分析

一是設備SF6氣體中的微水與設備安裝、設備維護、通風設備、設備質(zhì)量、吸附劑等有直接關聯(lián)，并對外界因素做出詳盡探尋，確定導致SF6微水處理設備超標的關鍵因素，為SF6微水處理設備正常運行提供便利，避免發(fā)生絕緣材料對設備運行情況，可選擇使用環(huán)氧樹脂型材料。真空中的水很難在短時間內(nèi)去除，這會影響氣體的微水含量。在設備的安裝和維護過程中，水分輸入裸露設備的部件中，安裝維護后水分含量檢測也會不過關[3]。

二是SF6儲存設備器材對微水含量的影響，SF6氣體在高壓下以液體形式儲存在補充氣瓶中。設備充氣時，液體轉(zhuǎn)化為氣體，使大量液體黏附在再生風道的結(jié)合面上，氣體通過供氣裝置進入裝置。需要注意的是SF6氣體在充氣前切記不可對充氣管道進行沖洗，避免嚴重發(fā)生氣體污染情況。

三是設備密封質(zhì)量將會對微水含量造成一定影響，一旦設備質(zhì)量不過關，將引發(fā)密封不牢或是接頭松動等情況，最終出現(xiàn)設備泄漏情況。在受內(nèi)外壓差影響下，大氣中水蒸氣會提高SF6氣體水分含量，空氣濕度也會隨之增加，也會導致密封損壞嚴重。所以，應使用優(yōu)良的密封材料以及做好定期的檢查和更換。

四是吸附劑帶水。空氣室中的吸附劑持續(xù)吸收空氣室中的水，如果吸附劑使用時間過長，吸水率過大，吸水率將達到飽和。固定吸附劑前，吸附劑未完全干燥，且吸附劑中含有水也會導致最終微水含量超標[4]。

5 SF6氣體微水含量監(jiān)測分析

作為新型絕緣材料的SF6氣體，對于高壓電器制造領域的發(fā)展也起到了十分重要的推進作用。同時，在現(xiàn)代電網(wǎng)改造和建設中，不僅合理利用了SF6氣體絕緣高壓電器，也充分發(fā)揮了SF6氣體絕緣高壓電器較好的絕緣性、可靠性以及免維護性。如SF6電流互感器通常使用垂直倒置結(jié)構，在產(chǎn)品上部的高壓外殼內(nèi)設置了二次接地電壓互感器的本體，為使外殼外表的電場分布得到優(yōu)化，可利用二次引線將高強度硅絕緣導線引出，還可直接使用復合接地管。另外，將高壓金屬電極安裝在外殼內(nèi)部，可在允許的電場強度范圍內(nèi)，通過改變電極形狀，針對沿表面的內(nèi)電場和外電場電極進行使用。

220kV 及以下的電壓產(chǎn)品，不僅高壓電極與地面之間距離相對較小，且外部電場分布較為均勻。330kV 及以上的電壓和電流互感器，由于高壓頭與地面之間的距離較大，致使外部電場出現(xiàn)分布不均勻的情況，在外殼上部集中了大量等值線，與大氣外電場相對應的高壓電場更加集中，特別是硅橡膠外殼產(chǎn)品的外絕緣，易在其傘裙的表面發(fā)生電腐蝕現(xiàn)象。同時，也容易在工頻耐壓和運行試驗中發(fā)生外部沖擊閃絡的問題。雖能采用在電壓電極與鉛管之間設置一個中間電極的方式，針對外部電場進行改善，但并不能改善線電位集中在對應于兩個電極末端的外殼表面的問題，仍然會在長期運行下發(fā)生電腐蝕?？梢?，在設計330kV 及以上電壓型電流互感器過程中，需沿整個高度方向均勻分布絕緣套管表面電位。

在油浸式電流互感器設計中，電容式絕緣結(jié)構是油浸式電流互感器的主絕緣，SF6電容器套管不僅能提高屏端的電場強度，還能提高初始局部放電電壓。不同點是油浸式變壓器屏間形式相對單一，絕緣紙靠近導線管，而SF6電容器涉及一種用于分布聚酯薄膜及SF6氣體的單面菱形網(wǎng)。隨著間隙的增大，薄膜寬度保持不變，電容器屏套管架金屬固定筒，二次出線管為同軸圓柱形結(jié)構。電容屏由鋁箔制成，濾網(wǎng)之間的絕緣為復合氣體絕緣膜，濾網(wǎng)與二次出口管之間的絕緣為SF6氣體絕緣膜。其特征為在高壓電器中，電流互感器的二次引線為“高壓引線”，電流互感器的高壓引線電位為高電平，雖然電容屏殼的設計和計算是針對SF6電流互感器的，但同時也適用于其他高壓電器高壓套管。

當前，SF6微水含量在線監(jiān)測流程主要分為兩點：一是從工藝設備中提取氣體；二是檢測氣體樣品中的微水含量。另外，在對新型微水檢測裝置進行使用時，同樣需要對SF6中的微水含量做出詳盡檢測。微型水表檢測儀屬于精密測量。隨著濕度理論的SF6氣體相對濕度、溫度和壓力在線監(jiān)測方法的相繼出現(xiàn)，將數(shù)據(jù)進行融合和分析，能將SF6氣體微水含量的具體情況，更全面、更準確地反映出來[5]。絕緣氣體在壓電力設備應用如圖1所示。

圖1 絕緣氣體在高壓電力設備應用

6 SF6微水超標控制措施

6.1 設備安裝條件選擇

對于設備安裝和維護，在天氣濕度含量較強情況下，應對設備內(nèi)部空氣濕度進行降濕處理，如果設備內(nèi)部零件狀態(tài)存在異常，應對其進行科學處理，始終維持真空狀態(tài)，盡可能降低空氣與設備組件之間發(fā)生碰觸可能性，使組件表面濕度在標準范圍內(nèi)。由于酒精有較強揮發(fā)性，可借助酒精優(yōu)勢對設備進行清潔處理，降低設備內(nèi)表面水分。

6.2 設備補充氣體質(zhì)量控制

在對SF6進行補充時，需要對氣體質(zhì)量進行嚴格檢驗，并合理控制氣體純度與微水含量。對SF6進行補充處理時，應確保選用管道長度短、直徑大、密封性好、承壓能力強的設備，不僅能實現(xiàn)多接口充氣，還能有效縮減充氣的時長。同時使用酒精，對設備充氣管和止回閥接頭進行定期清潔，從而對設備補充氣體質(zhì)量進行控制。

6.3 設備密封質(zhì)量控制

嚴格檢查密封設備，確保密封圈質(zhì)量，空氣中的水蒸氣通過密封件泄漏到機器中，通過控制設備接觸面的密封過程，按要求擰緊法蘭螺釘和更換密封圈，提高了設備接觸法蘭的密封性能，設備中的微水含量也會得到明顯降低。

6.4 吸附劑更換

吸附劑是微水處理設備運行中的主要材料，在新設備的安裝和維護過程中，為減少吸附劑與空氣的接觸時間，需在安裝前對吸附劑進行干燥、密封和儲存，對吸附劑吸收空氣中的水分含量進行合理控制。

7 常用SF6絕緣氣體分解產(chǎn)物檢測方法

設備在不同微水含量下的絕緣狀況不同，應采用防氣體泄漏措施，避免氣體內(nèi)微水含量過高而導致設備發(fā)生故障等情況。當運行設備微水含量超標時，氣體內(nèi)微水含量＞500μL/L，應對微水含量進行合理化控制，在設備內(nèi)氣體含水量＜500μL/L時，則需要視情況及時更換吸收劑。

同時，電氣設備運行過程中，SF6會產(chǎn)生較多的分解產(chǎn)物。針對SF6氣體的分解變化進行檢測，能起到有效判斷電氣設備運行狀態(tài)的作用。SF6氣體分解產(chǎn)物的檢測技術可分為間接分光光度法和分光光度法。其中，非光譜測量技術主要應用于氣體檢測管、氣體傳感器、氣相色譜、質(zhì)譜等諸多領域。

氣體檢測管法借助被測氣體化學顯色反應結(jié)果來獲取氣體濃度數(shù)據(jù)信息，廣泛應用于對SO2、H2S、HF 等氣體的檢測中。另外，精度、溫度、濕度與儲存時間等因素可直接影響氣體檢測管法的使用。電化學氣體傳感器法在SO2、H2S、CO 等活性氣體中得到高效應用，自身具備設備小、響應快和在線監(jiān)測的優(yōu)點，但也存在交叉干擾、使用壽命相對較短等不足之處。如今，應用于實驗室SF6分解特性的離線分析與測量，易受氣體交叉所干擾，因此在氣體濃度較高場合使用較為合理。

通過回收和穩(wěn)定處理后的氣體，可以避免產(chǎn)生的有毒氣體對人體和環(huán)境造成的一定危害，而且有助于明確氣體在不同微水含量下的設備絕緣狀況，還能夠?qū)κ鹿蕟栴}及時治理。

8 結(jié)語

氣體絕緣的選擇對于實現(xiàn)無油化、小型化和環(huán)保化型電力建設具有十分重要的意義。目前，國外也提出了SF6-N2混合氣作為替代氣的可行性。在不同的能源設備和環(huán)境中，SF6和N2的比例是研究的重點。而這種混合氣的缺點也存在較多缺點，如利用率不能滿足SF6絕緣設備的要求，對此相關研究人員應多進行探索，優(yōu)化其缺點，盡快找到更優(yōu)的SF6替代產(chǎn)品。經(jīng)電力工業(yè)電氣設備質(zhì)量檢驗測試中心的全部試驗，在高壓操作沖擊下無任何放電現(xiàn)象，其余各項絕緣性能指標均達到國家標準。