SF6氣體及其衍生物泄漏對變電站環境風險分析與防護技術研究

2017-03-10 03:47:58國網北京電力科學研究院任志剛王曉晨吳麟琳國網北京市電力公司王彥卿李洋

電力設備管理 2017年12期

國網北京電力科學研究院任志剛王曉晨吳麟琳國網北京市電力公司王彥卿李洋

1 引言

SF6常態下是一種無色、無味、無毒、不燃燒的氣體。密度約為空氣的5倍。它具有優良的絕緣性能和滅弧性能，廣泛的應用于高壓開關、變壓器、互感器、組合電氣（GIS）、高壓電纜等電氣設備[1]。隨著社會的發展城市用電急劇增加，地下變電站由于其地上占地面積較小，得到越來越多的建設。地下變電站一般是建造在大中型城市人口密集區，變電站室內電氣開關設備都充滿著SF6氣體。但是SF6氣體是一種造成溫室效應的氣體，并在高能因子作用下產生的分解產物具有毒性，對人的生命安全造成影響。因此，本文將對在突發氣體泄漏情況下，對變電站以及周邊人員危害進行分析，提出相應的防護措施。

2 SF6氣體的潛在危害

隨著電力系統的發展，SF6使用量越來越大。SF6氣體本身無毒但具有窒息性，還是一種造成溫室效應的氣體，并在高能因子作用下產生的分解產物具有毒性，對人的生命安全造成影響。

2.1 SF6氣體的窒息性

在標準狀況下SF6氣體密度為空氣的5倍，一旦發生泄漏，SF6氣體將在空間底部沉積，例如電纜層（隧道）燈低洼處沉積，將空氣中的氧氣排出，人員在此環境中面臨窒息危險。

2.2 SF6氣體的溫室效應

近百年來，地球氣候正經歷一次以全球變暖為主要特征的顯著變化[2]。這種全球性的氣候變暖是由自然的氣候波動和人類活動所增強的溫室效應共同引起的。在“京都議定書”以及“巴厘島路線圖”中特別討論了溫室氣體及其控制問題，要求各國穩定對全球氣候變化有重要意義的二氧化碳、六氟化硫等氣體的排放，并將它們列入減排貿易中。SF6對環境的影響主要表現在3個方面：

（1）SF6是人工合成物，自然界中不存在天然的SF6，隨著需求量的增加，大氣中 SF6的以每年8%～9% 的速度增長；

（2）SF6的增溫潛勢值為CO2的23900倍，即就等量的SF6和CO2而言，SF6溫室效應相當于CO2的23900倍；

（3）SF6的降解過程非常緩慢，在大氣中的壽命為3200年。因此人類活動的大量排放具有不可逆轉的累積效應，對全球氣候和環境變化具有重要影響[2]。

3 SF6氣體變故障下分解產物氣體分析

3.1 SF6氣體分解產物理論分析

SF6氣體分解過程非常復雜，涉及復雜的物理化學過程，其影響因素有：放電能量、缺陷類型、水分含量、氧氣含量、固體絕緣材料、電極材料、放電電壓、放電電流等。

圖1 SF6氣體分解作用機理

根據IEC 60480-2004，不管是哪種分解原因，其基本過程如下：SF6氣體在電弧放電、局部放電、火花放電或過熱作用下首先分解為SF5、SF4、SF3、F等，這些活潑的分解產物進一步與氣室中的氧氣、水分或金屬等結合并發生化學反應生成HF、SOF4、SOF2、SO2F2、SO2等?？赡艿姆磻^程如圖1所示。

雖然在各種放電類型和故障類型下其分解基本過程相類似，但是其分解結果卻不盡相同。具體表現在：在不同放電條件下，各分解氣體產物的生成量、生成速率、成分構成呈現出不同特點。

在局部放電（包括電暈放電和小間隙火花放電）下，由于能量比較小，所以分解產物的量總是很少，但在長期放電的情況下，分解產物也會累積得比較多。

在電弧作用下，SF6氣體發生分解，并以硫（S）和氟（F）的單原子狀態存在，但在滅弧后的瞬間大部分又迅速恢復成SF6分子，高溫還將導致金屬蒸發，進而與F等反應產生大量的金屬氟化物，如：CuF2、WF6、AlF3、FeF3等。由于電弧放電能量較高，因此，在電弧放電作用下將產生大量的分解氣體，出現局部放電下很少出現的氣體成分，如：SF4等。

水分和氧氣都對電弧反應有影響，法國Paul Sabatier 大學的A.Derdouri 從水對SF6局部放電分解產物的影響角度做了研究，提出：在水分存在時，只有SOF2和SO2F2是穩定的。美國Oak Ridge國家實驗室的Isidor Sauers在八十年代末從氧氣對局部放電分解產物的影響角度做了研究，提出：氧氣的增加將使SOF4和SO2F2增加，但對SOF2影響很小。

中國電科院通過對開關設備內部氣體進行進行研究后提出：SF6開關設備由于內部絕緣缺陷導致導電金屬對地放電及氣體中的導電顆粒雜質引起對地放電時，釋放能量較大，表現為電暈、火花或電弧放電。故障區域的氣體、金屬觸頭和固體絕緣材料分解，產生大量的金屬氟化物、SO2、SOF2、H2S、HF等。開關設備發生氣體間隙局部放電故障的能量較小，放電量約為11500pC 左右，通常會使氣體分解產生的SO2、HF 和H2S等組份。因導電桿的連接接觸不良，使導體接觸電阻增大，導致故障點溫度過高，當溫度超過500℃，設備內的氣體發生分解，溫度達到600℃時，金屬導電桿開始熔化，并引起支撐絕緣子的材料分解。此類故障主要生成SO2、HF、H2S、氟化硫酰等分解產物，設備發生內部故障時，SF6氣體分解產物還有CF4、SF4和SO2等物質, 由于氣室中存在水分和氧氣，這些物質會再次反應生成穩定的SO2和HF等。

圖2 過熱模擬倉接線圖

圖3 過熱模擬倉實體照片

圖4 放電模擬倉實體照片

圖5 針-板電極電暈放電試驗回路圖

3.2 過熱、局放缺陷SF6氣體分解產物試驗分析

為進一步分析泄漏氣體中各種氣體的成分比例，確定典型泄漏氣體，我們搭建了放電和過熱模擬試驗平臺，開展了68組相關實驗放電、過熱等模擬實驗，并對SF6氣體分解產物進行試驗分析。

（1）放電和過熱模擬試驗平臺搭建

模擬試驗平臺主要由電纜熱循環試驗系統、電流模擬倉、測溫系統、分解組分檢測單元四部分組成，該平臺可模擬局部放電缺陷和過熱缺陷，平臺示意圖和實物如圖2至4所示。電纜熱循環測試系統主要是為該裝置提供大電流，其工作原理是利用原邊的50Hz穿心變壓器、由電纜試品形成變壓器的次級線圈，使電纜試品產生短路大電流，在導體線芯上得到所需溫度，利用該原理為過熱模擬倉提供大電流，使其達到控制溫度的目的，電流模擬倉內部采用與運行設備同樣材質，可充入730L（0.7MPa）SF6氣體；測溫系統由紅外測溫窗體：用于連接電流過熱故障模擬倉，可承受0.1-0.6MPa的壓力，可耐100℃高溫，中心鏡面材料為硫化鋅，不與SF6等相關產物發生反應；紅外測溫源：可測溫范圍0-1000℃；分解組分檢測單元主體為5795C與7890A色質聯用色譜儀。

圖6 針-板懸浮電位火花放電試驗回路圖

圖7 加熱銅管模型缺陷

圖8 加熱銅片缺陷模型

（2）缺陷模型設置

建立了內部針-板電極電暈放電、火花放電，采用脈沖電流法配合PDcheck絕緣狀態在線診斷系統檢測放電能量及電荷量，采用氣相色譜分析SF6分解氣體，研究了SF6在電暈放電和火花放電下的分解情況，并對比分析不同放電能量、施加電壓、SF6壓強、吸附劑、含水量（250 mL/L- 2500 mL/L）下SF6分解特性。針-板電極電暈放電試驗回路圖如圖5所示，針-板懸浮電位火花放電試驗回路圖如圖6所示。

設計了加熱銅管和加熱銅片兩種過熱缺陷模型，加熱銅管缺陷模型如圖7所示。設計銅管固定在加熱倉內，兩端以彈簧固定其空心銅管，中間以實心銅線填充，最熱點設計在填充部分。

經過再次思考及文獻查閱，設計叉形銅片，如圖8所示，其中最窄處設計為最熱點，經過試驗后現斷裂點確為設計部位，缺陷設計非常成功。

（3）試驗結果討論

通過大量的試驗模擬，以及分解產物檢測，最終得到如下數據（圖9），由圖9分析得到分解產物穩定組份：SO2、SO2F2、H2S、CO、CO2等氣體，但其含量與氣體（99.97%）比較起來可以忽略不計。故泄漏氣體的特征氣體選取為宜，具備穩定性強、含量相對較高等特點。

3.3 放弧故障下SF6氣體分解產物試驗分析

通過對多次GIS設備故障時SF6氣體分解產物進行試驗檢測，SO2、SO2F2、H2S、CO、CO2等衍生氣體含量較高，而CS2、HF等氣體含量相對較少且不穩定。以某220kV變電站GIS開關倉故障為例，220kV縱聯差動保護動作跳閘，重合不成功，初次最大短路電流達12.39A(二次值），折合一次值為30.98kA。再次故障時最大短路電流達11.76A，折合一次值為29.40kA。

經解體檢查判斷開關倉內刀閘動觸頭導向屏蔽罩因鉚沖不實，造成脫落至動觸頭銅桿上，且在掉落過程中對筒壁圓筒與直筒相貫線處放電，電弧能量嚴重灼傷了絕緣盆子。氣體分解產物試驗檢測結果如表1所示。

3.4 氣體變故障下泄漏混合氣體危害分析

由上述分析可知，氣體變故障下泄露混合氣體的毒性主要來自3個方面：

（1）SF6氣體本身含有的雜質，主要有水分、空氣、CF4、CO2；

（2）充裝時帶入的雜質，主要有水分、空氣和CO2；

（3）設備在故障下產生的雜質有SF4、SOF2、SO2F2、SOF4、HF、SO2等。

圖9 SF6氣體故障下混合氣體含量比例

而在SF6變壓器中，促使SF6氣體分解的放電形式根據放電過程中耗能的大小可分為三種類型：電弧放電、火花放電和電暈放電或局部放電。電弧放電主要是由于設備發生短路故障引起的；火花放電是一種氣隙間極短時間的電容性放電，能量較低，產生的分解產物與電弧放電產生的分解產物有明顯的差異；SF6變壓器內部的另外一種放電形式是電暈放電或局部放電，長時間的電暈放電或局部放電會導致分解產物的積累。除了上述三種能夠引起SF6氣體分解的主要放電過程外，過熱作用也會促使SF6氣體分解的放電。SF6氣體在電或者熱的作用下會發生分解，其如圖2-1所示，通過分析SF6氣體的分解機理，可以了解不同性質的故障可能產生的特征雜質。SF6分解氣體的毒性引起的臨床病變與工作場所中SF6氣體及毒性分解物的接觸限值如表2和3所示。

表2幾種SF6分解氣體的毒性引起的臨床病變

表3工作場所中SF6氣體及毒性分解物的接觸限值

表1 SF6氣體分解產物試驗檢測

表2 幾種SF6分解氣體的毒性引起的臨床病變

4 SF6氣體的泄漏分析

如果GIS室或主變室一旦有閃絡突發事故發生， SF6氣體及其產生的有毒有害的分解產物會瞬間泄漏到空間中，其主要可以測量的物質估算濃度如表4所示。

下面的計算僅是按照最苛刻的條件考慮氣體均布在計算的空間體積，利用分子的自然擴散的速率，并沒有考慮到如風速、空間空氣對其稀釋等因素。我們根據概算，按泄漏最大量計算出其產生的危害：即所有開關發生閃絡，內部氣體發生質變瞬間釋放到空間中。以下是計算過程與計算結果。

根據上述的描述和事故風險源項分析，以北京某個變電站為例，則需要下面的條件：

（1）開關室設備所在空間的體積：房間體積：21×9×6=1134m3，每個設備所占體積約：

3×3.5 ×0.8=8.4m3，則該房間有同樣的設備共8個間隔，因此8個間隔所占的體積是：67.2 m3，8個間隔充裝的氣體：重量：1600kg，壓力：0.5MPa；濃度：99%以上，則氣體的體積：259.7m3（20℃,1013.25Pa時，SF6氣體的密度：6.16kg/m3）；

（2）每個主變室設備所在空間的體積：房間體積：10.7×9.2×10=984.4m3，每個設備所占體積約：9×4×6=216m3，每個主變充裝的氣體：重量：390kg，壓力：0.5MPa，濃度：99%以上；則氣體的體積：63.3m3（20℃,1013.25Pa時，SF6氣體的密度：6.16kg/m3）；

（3）設備中氣體的溫度：假設38℃；

（4）假設開關的形狀是圓柱體；

（5）一旦發生閃絡，則首先從防爆膜處裂開：D=60mm，取泄漏面積的20%作為計算依據；則面積A=56.52×10-5m2

（6）由于泄漏點的高度小于15米，則按面源來計算，因此采用的擴散模型為高斯煙團模型；

（7）根據現場的布局，得知泄爆口通風管道的寬度：0.55米，高度0.9米；假設到達地面出風口的長度是100米；

（8）假設地面出風口共有10個，每個的長度：1.5米，高度是1米；則出風口的總面積是15m2

（9）由于開關閃絡釋放到空間中大量有毒有害的氣體如：SO2、H2S、酰類、低氟化物等在釋放到出風口前沒有被處理，但其的含量小于SF6氣體，因此此時計算僅考慮SF6氣體的擴散為代表，而SF6氣體根據環境要求空間中安全限為6000mg/m3，其為中性穩定氣體。

（10）對于擴散到戶外空間中，假設持續泄漏時間是60min，其擴散的速度還要考慮到當地的氣象條件：

根據上面已知的泄漏，根據高斯煙團模型和環評技術方法的經驗公式進行計算：

（1）氣體的泄漏速率

當容器內氣體壓力與外界大氣壓力相等地，泄漏量顯然為0。如果降低外界壓力，泄漏流量似乎必然增加。但是當外界壓力降至0，泄漏流量存在極大值，極值的存在實際是聲速的限制，即泄漏氣體的動力速度只能達到聲速。從另一方面考慮，外界壓力保持常壓不變，隨著容器內氣體壓力的增加，氣體泄漏速度也只能增加至聲速，這種情況也稱氣體流動是阻塞的[4]。

當氣體流速在音速范圍（臨界流）：

當氣體流速在亞音速范圍（次臨界流）：

式中：

表3 工作場所中SF6氣體及毒性分解物的接觸限值（表中Δ為GBZ2-2002的標準值；＊為GB8777-88的標準值；其余的選用美國AGGH(1978)和NIOSH(1982)公布的值）

P——容器內介質壓力，Pa；

P0——環境壓力，Pa；

κ——氣體的絕熱指數（熱容比），即定壓熱容CP與定容熱容CV之比。

假定氣體的特性是理想氣體，氣體泄漏速度QG按下式計算：

式中：

QG——氣

體泄漏速度，kg/s；

P——容器壓力，Pa；

Cd——氣體泄漏系數；

當裂口形狀為圓形時取1.00，三角形時取0.95，長方形時取0.90[5]；A——裂口面積，m2；

M——分子量，kg/mol；

R——氣體常數，8.314J/（mol·k）；

TG——氣體溫度，K；

Y ——流出系數，對于臨界流

Y=1.0對于次臨界流按下式計算：

則得出泄漏速率Q≈1.33 kg/s

（2）標準GBZ 2.1-2007《工作場所有害因素職業接觸限值化學有害因素》中要求泄漏的SF6安全限制是6000 mg/m3；

（3）達到地面換風口（每個換風口尺寸：高1米，寬1.5米）

在滿足以上條件下，我們假設以下兩種氣象條件（有風、無風），分別計算人員疏散的安全距離以及達到安全限值的時間。下面按照北京某變電站的兩種氣象情況計算：

第一種情況：取北京的氣象條件：有風

圖10

圖11

風速2.3m/s，平均氣溫取12℃，主導風向西北風；計算得出預測結果。結果顯示，經過1min后，泄漏距離1.6米處，落地點最大泄漏濃度為：108899.1mg/m3>6000 mg/m3。即大于安全限值。計算結果如圖10所示。

圖10經過1min，泄漏距離1.6米出，落地點最大泄漏濃度為：

108899.1mg/m3>6000 mg/m3（安全限值）

而在距離泄漏處123.5米處，經過61min后，落地點最大泄漏濃度為1632mg/m3，小于安全限值，如圖11所示。

圖11 經過61min，泄漏距離123.5米處，落地點最大泄漏濃度為：

1632mg/m3＜6000 mg/m3（安全限值）

同樣的，在下風處距離泄漏源15m處以及65m處的六氟化硫濃度分別如圖12、13所示。

圖12

圖13

表4 SF6泄漏時有毒有害物質估算量

圖12下風向距離泄漏源：經過時間1min， 15米處，泄漏濃度：

106946.2mg/m3> 6000mg/m3（安全限值）

圖13下風向距離泄漏源：經過時間1min，65米處，泄漏濃度：

5531.4mg/m3＜ 6000mg/m3（安全限值）

通過分析可以得出六氟化硫擴散濃度與面積隨時間變化的關系圖，如圖14、15所示。并且可以看出，在泄漏開始61min時，儲罐里的六氟化硫已經完全泄漏完畢，如圖16所示。

綜上：在取北京全年平均氣象條件下，假設持續釋放60min：人員疏散的安全距離：距離泄漏源65米外，建議最好在上風口處；達到安全限值的時間：泄漏源經過61min的擴散，可以達到安全限值。

第二種情況：取北京的氣象條件：無風

風速0.2m/s，平均氣溫取12℃，主導風向西北風；在無風狀態下，六氟化硫會以儲罐泄漏口為中心向四周擴散，具體擴散濃度隨時間變化以及擴散面積隨時間變化分別為：（1）經過1min，泄漏距離1.5落地點最大泄漏濃度為24130.6＞6000 mg/m3（安全限值）；（2）經過61min，泄漏距離12.4米處，落地點最大泄漏濃度為277.5mg/m3＜ 6000 mg/m3（安全限值）；（3）下風向距離泄漏源，經過時間1min， 0米處，泄漏濃度23603.8mg/m3> 6000mg/m3（安全限值）；（4）下風向距離泄漏源：經過時間1min， 15米處，泄漏濃度：5771.4mg/m3＜ 6000mg/m3（安全限值）。

綜上：在取北京苛刻無風氣象條件下，假設持續釋放60min：人員疏散的安全距離：距離泄漏源15米外，建議最好在上風口處；達到安全限值的時間：0m處經過61min的擴散，可以達到安全限值。

5 SF6氣體的防護研究

當六氟化硫室內變電站出現故障造成六氟化硫氣體泄漏時，自動開啟泄漏報警裝置，利用風機進行強制排風，將六氟化硫氣體大量排入室外及人流密集區，導致環境及行人的受到污染及傷害，故需要對目前的六氟化硫室內變電站強制排風口使用管路連接，將泄漏到室內的六氟化硫氣體進行回收凈化處理，使檢修人員在室內安全的情況下以最快的時間到達故障六氟化硫電氣設備進行檢修處理。

我們經過現場實地調研之后，專門設計對設備正常檢修時具有回收回充等功能和對設備出現爆炸大量泄漏時具有回收凈化提純回充等功能裝置。主要組成：空間氣體快速回收凈化分離提純模塊，氣體儲存模塊，自動控制模塊，環境在線監測模塊，遠程傳輸模塊等，如圖17所示。

當六氟化硫室內變電站出現突發故障時，由六氟化硫泄漏檢修裝置（室內六氟化硫氣體含量≥1000ppm）反饋信號啟動自動收集模塊；關閉通風系統、門禁系統；裝置執行快速回收首先進入有毒有害氣體預處理回收模塊；回收處理后的六氟化硫氣體統一進入六氟化硫氣體儲存模塊進行儲存[6]；當六氟化硫室內變電站的六氟化硫氣體＜1000ppm時六氟化硫氣體泄漏預警回收裝置關閉自動收集裝置，啟動通風系統及門禁系統；直至六氟化硫室內變電站內氧氣含量達到18%。達到人員進入指標，開展事故搶修工作。待設備事故搶修結束后，運輸移動回收裝置至現場，對回收氣體進行提純處理灌裝工作，使整個氣體泄漏預警回收裝置恢復工作狀態，如圖18所示。

本系統核心回收處理儲存設施采用有飽和度提示和加溫再生功能的高性能分子篩對有毒低氟化物和水分進行過濾吸附，快速高效回收處理SF6氣體；并配備在線監測模塊根據GB/T 3095-2012 《環境空氣質量標準》，進行聯動控制系統的開啟和停車，確保其符合國標規定的環境要求；同時將傳感技術、快速過濾回收處理儲存技術和自動控制技術應用到系統中，開發出上位機監控系統軟件和智能過程控制軟件，可實現SF6氣體過濾回收、處理、儲存、遠距離輸送工作流程的信息化與自動化，并對過濾回收處理儲存、遠距離輸送全過程進行監督管理，實現SF6氣體過濾回收處理儲存、遠距離輸送流程的閉環反饋與循環再生[7]。