基于JZ20-2平臺SF6斷路器使用安全性及改進措施分析

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(中海油能源發展股份有限公司油田建設工程分公司,天津 300452)

1 SF6高壓斷路器概述

在電力系統向超高壓、大電網、大容量和自動化方向發展的同時，用于關合及開斷電力線路，以輸送和倒換電力負荷以及從電力系統中退出故障設備以保證系統安全運行的高壓開關就顯得尤為重要。SF6氣體無色、無味、無嗅、無毒、不燃燒，屬惰性氣體。在常溫、常壓和較高溫度下，化學性質穩定。由于SF6氣體具有以上優良的絕緣、滅弧性能,及SF6氣體在絕緣組合電器中所體現出的優越性，近30年間SF6氣體在高壓電氣設備中的應用取得了驚人的進展[1]。上面描述的絕緣、滅弧性能都是針對純凈的SF6氣體，但是在很多情況下，現場電氣設備中的SF6氣體并非總是純凈的，其性能也就不能等同于純凈氣體。SF6氣體在其生產過程中或者在高能因子的作用下，會分解產生有毒甚至劇毒、強腐蝕性有害雜質，當體系中存在水分、空氣、電極材料、設備材料等，會導致分解過程復雜化，致使分解產物的數量和種類明顯增加，其危害也顯著加大[2]。因而對SF6氣體實施嚴格的質量監督與安全管理是確保設備可靠運行和人身健康安全的重要保證。

SF6斷路器的滅弧室和支持瓷套中都充有SF6氣體，其壓力在0.5～0.7 MPa之間。在這么高的壓力下，要保證氣體絕對不滲漏，斷路器必須具有很嚴實的密封結構，這勢必提高制造成本。為了在保證一定密封程度的前提下，兼顧經濟性，通常允許保持一定的漏氣率，即允許氣體通過密封面和橡膠圈略有滲漏。一般認為，將每年的漏氣率控制在氣體總重量的1%～3%以下是合格的。SF6斷路器一般不會輕易泄漏,SF6本沒有毒性,但是泄漏空氣中會分解成有毒氣體。

2 平臺SF6斷路器使用情況分析

1)裝有SF6設備的主開關間，目前沒有裝設強力通風裝置，風口應設置在室內底部。

2)主控制室與SF6配電裝置室要采取氣密性隔離措施，SF6配電裝置室與其下方電纜層、電纜隧道相通的孔洞都應封堵。SF6配電裝置室外，應設置“注意通風”的標志。

3)在SF6斷路器主開關間室低位區應安裝氧量儀和SF6氣體泄漏報警儀，在工作人員入口處宜裝設顯示器，并定期檢驗，保證完好。

通過檔案館翻閱當時平臺建設時對于高低壓配電盤中SF6斷路器的設計標準見表1。

表1 高低壓配電盤標準

高壓配電盤SF6斷路器其標準主要依據國際電工委員會指定的IEC 56和IEC 298標準。

行業標準DL/T596-1996“電力設備預防性試驗規程”對運行中的SF6氣體的試驗項目和周期提出了嚴格的要求，具體標準與要求見表2。

表2 SF6氣體具體標準要求

根據GB8905《六氟化硫電氣設備中氣體管理和檢測導則》。1993年國家電力工業部93(05)號文明確DL/T639-1997 六氟化硫電氣設備運行、試驗及檢修人員安全防護細則。其中對于充有SF6氣體的電氣設備有明確的具體要求。

1)SF6電氣設備安裝室與主控室之間要做氣密性隔離，以防有毒氣體進入主控室。

2)設備安裝室內應具有良好的通風系統，通風量應保證在15 min內換氣一次。抽風口應設在室內下部。

3)設備安裝室底部應安裝SF6濃度報警儀和氧量儀，當SF6濃度(體積比)超過100×10-6，氧含量低于18%時，儀器應報警。

4)設備內SF6氣體的定期檢測應參照DL/T596-1997《電力設備預防性試驗規程》進行。如發現氣體中毒性分解物的含量不符合要求時，應采取有效的措施，包括氣體凈化處理，更換吸附劑、更新SF6氣體、設備解體檢修等。

純凈的SF6氣體無色、無味、不燃，是沒有毒性的。但是SF6氣體比重是空氣的5倍，當裝有SF6設備的配電裝置室GIS產生泄露后，SF6氣體積聚在底層空間，達到一定濃度后，如果工作人員進入室內，會造成大腦缺氧，使人窒息而造成重大事故。在電弧和局部放電、高溫等因素影響下，SF6氣體會發生分解[3]，其分解物遇水分后生成腐蝕性電解質，尤其是某些高毒性分解物，如SF4、S2F2、SOF2、HF、SO2等，如大量吸入人體會引起頭暈和肺水腫，甚至昏迷及死亡。因此，研制SF6開關室氣體泄漏監控報警系統應用于工業現場，已經變得非常重要。

3 SF6高壓斷路器在線監測系統設計

3.1 在線監測系統設計

根據JZ20-2海上平臺高壓配電室具體環境及現有技術手段，設計了一套適用于海上平臺高壓配電室SF6斷路器在線監測系統，見圖1。

圖1 SF6在線監測系統組成

SF6斷路器在線監測報警系統主要由四部分組成：采集器、系統主機、外圍設備和監控系統。采集器負責SF6配電裝置室現場環境數據采集，并進行A/D轉換，傳送給系統主機，系統主機對采集數據分析、比較、判斷，并運行相應的處理程序。外圍設備包括報警設備、通風設備，受系統主機控制。

系統主要檢測開關室中SF6氣體含量和氧氣含量，當環境中SF6氣體含量超標或缺氧，能實時進行報警，同時自動開啟通風機進行通風，并有溫濕度監測，工作狀態提示，遠傳報警、歷史數據查詢等功能。氣體傳感器安裝在SF6斷路器下方，用以在線實時監測SF6斷路器下方的氧氣濃度和SF6氣體濃度。主機具有人體紅外探測，語音提示和語音報警功能。主機通過RS-485總線輪詢、顯示各氣體傳感器的氣體濃度數據并在危險時給出報警信息和控制風機工作。主機還可以通過RS-485總線實現與上位計算機的數據傳輸和系統參數修改，組成計算機對SF6開關室環境在線自動監測系統。

3.2 系統組成及安裝方法

SF6開關室環境智能化監控系統由一臺主機、一件溫濕度傳感器和幾件氣體傳感器組成(最多可以掛接64件氣體傳感器)。 系統主機采用壁掛式安裝，一般安裝在高壓開關室的入口處；隨機配套的紅外傳感器安裝在開關室門的上方或者其他適合需要人體探測的地方；氣體傳感器安裝在開關泄漏時SF6氣體最容易聚集的地方，一般安裝在SF6斷路器的下方地面上；溫濕傳感器安裝在高壓開關室內遠離熱源和濕源且氣流比較平穩的地方。其主機外形圖及氣體傳感器外形圖見圖2、3。

圖2 SF6在線監測系統主機

圖3 SF6在線監測系統氣體傳感器

氣體傳感器采用具有國際先進水平的界限電流式氧傳感器和新型半導體傳感器作為核心敏感元件，并以高性能嵌入式微控制器和高性能放大器構成信號處理單元。具有精確度高，穩定可靠和長壽命的顯著特點。 氣體傳感器采用標準RS-485接口，直接輸出氧氣濃度和SF6氣體濃度；并具有兩路擴展接口，用以擴展其他的功能模塊。

當環境中SF6氣體濃度或氧氣含量發生變化時，SF6氣體采集器能立刻捕捉到這一變化，并將檢測到變化量數據轉換成數字信號，通過RS-485現場總線傳送到系統主機，系統主機一方面將采集器傳來的采集數據在顯示屏上顯示出來，另一方面，通過運算分析，與儲存在主機內的存儲器上的各種固有參數進行比較，作出判斷——各項數據是否超標。當SF6濃度高于報警設定值(亦可自行設置)或氧氣含量低于報警設定值的18%時，系統主機將自動進行聲光、語音報警，同時啟動風機進行通風，并上傳報警信號。

4 結論

分析了JZ20-2平臺高壓配電室中SF6斷路器的使用安全特性，特別針對SF6斷路器泄漏氣體特性及對人員危害性進行了分析，指出平臺現有SF6斷路器配電間設計所存在的隱患，并針對現有情況進行安全性改進，針對平臺高壓配電間具體情況設計了適用于海上平臺高壓配電室的SF6斷路器在線監測系統。系統前端傳感器將SF6及氧氣含量信息通過RS-485總線傳送到系統主機，通過屏幕顯示給工作人員。若參數大于預先設定閾值則進行語音報警，同時啟動風機進行通風，通過連接上位機上傳報警信號。這套系統可大大提高高壓配電間的安全系數，減少氣體泄漏引發的人身傷害。若將這套系統推廣與應用SF6斷路器的所有海上平臺，將可以提高平臺高壓開關室的安全性。

[1] 黎 明,黃維樞.SF6氣體及SF6氣體絕緣變電站的運行[M].北京：水利電力出版社，1993.

[2] 羅學深.SF6氣體絕緣全封閉組合電器(GIS)[M].北京：中國電力出版社，1998.

[3] 苑 舜.高壓開關設備狀態監測與診斷技術[M].北京，機械工業出版社，2000.