電力設備中SF6混合絕緣氣體的凈化分離技術

張 亮

(國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，哈爾濱 150030)

SF6混合絕緣氣體是指利用SF6氣體與其他緩沖氣體進行混合，如CO2、N2及干燥空氣等，具有低溫易液化特點。以上混合絕緣氣體在低溫地區的斷路器中有廣泛應用。

1 試驗材料

在開展SF6混合絕緣氣體分離凈化試驗時，需要做好充足的準備，如試驗使用的材料及設備等。試驗材料為符合相關標準的氣體，即純度在99.99%及以上的SF6混合絕緣氣體。N2和CF4是試驗需要的氣體，以上氣體的純度均要達到99.99%及以上。同時，動態配氣儀的使用也不可缺少，以便試驗過程中配備濃度不同的SF6氣體。

2 試驗儀器和設備

在凈化分離試驗中，試驗儀器及設備必不可少，如氣體檢測儀表。在進行氣體處理時，不同階段的氣體指標存在一定的差異，為了保證得到對氣體的準確檢測，氣體監測儀表的使用具有重要的作用和意義。常用的氣體檢測儀表主要包括以下幾類，即相色譜儀、SF6氣體純度儀、SF6氣體濕度儀及SF6氣體綜合分析儀等。SF6混合絕緣氣體經過處理后，在純度、濕度及分解產物方面會發生不同程度的變化，需要利用合適的檢測儀表對發生的變化進行監測，以實現對吸附單元吸附效應的分析，同時還能了解混合絕緣氣體的質量。除了以上監測儀表外，還需要準備模擬試驗臺，主要應用于SF6/N2及SF6/CF4混合氣體的分離凈化過程中。試驗還會涉及壓縮機的使用，主要用途是增壓。在對混合氣體中的水分、粉塵、分解物及各種雜質進行去除時，需要利用回收灌裝過濾裝置。

3 SF6混合絕緣氣體在線處理方式

SF6混合絕緣氣體或SF6氣體對應的分解現象，通常在長時間帶電運行及放電情況下才會出現，也會與所處環境中的氧氣和水分發生反應。以上過程中產生的分解物質帶有一定程度的腐蝕性。SF6氣體凈化處理系統的主要原理是吸附單元將回收到的SF6氣體中的雜質進行去除。雜質中主要包括粉塵、酸性分解產物及水分等。經過處理的氣體如果不存在有害性，可以直接排放到大氣中。但是在開展SF6混合絕緣氣體處理工作的過程中，不能直接對以上系統進行使用，需要采取有效措施，做好升級和優化，即將此系統與SF6混合絕緣氣體的控制單元進行充分結合，令氣體處理工作得到良好的校正，直到處理后的氣體符合相關標準和要求，達到循環利用的目的。

4 SF6混合絕緣氣體種類及分離凈化技術

與其他氣體相比，SF6混合絕緣氣體是受污染程度最高的氣體，其中含有大量的分解產物，且碳氟化物無法通過在線處理系統完全去除，需要開展更進一步的分離凈化處理。混合氣體中的不同成分之間存在較大差異，需要做好相應的分析，結合實際情況，明確科學的處理方式。

4.1 SF6/CF4混合絕緣氣體的分離凈化方式

通過對不同混合絕緣氣體的性能分析，發現存在巨大差異，傳統的分離技術很難滿足實際的分離凈化工作需要，如SF6/ CF4混合絕緣氣體與SF6混合絕緣氣體之間存在很大的不同。要結合之前的技術，加強對SF6/ CF4混合絕緣氣體分離凈化技術的分析，制定合理的技術研究路線。在液化溫度方面，SF6氣體不同于CF4氣體，可以利用機械方法將SF6/ CF4混合絕緣氣體進行壓縮，使其進入到深冷分離塔內部，進行冷卻降溫，SF6氣體會很快從氣態進入固態，并集中在分離塔的底部。CF4氣體擁有相對較低的沸點，會始終保持氣態形式不變，并在分離塔的頂部聚集。通過深冷分離，可以快速將聚集在分離塔頂部的CF4氣體壓出，并將SF6氣體的捕獲器設置在氣體回收通道中，使CF4氣體的純度有所提高，實現兩種氣體的初步分離。

4.2 SF6/N2混合絕緣氣體的分離凈化方式

針對SF6/N2混合絕緣氣體進行分析，其中N2是空氣的構成部分，對外部環境不存在污染，在進行分離工作后可以直接向大氣排放。SF6氣體與N2氣體在分子尺寸方面存在較大的差異，可以充分利用高分子膜，實現SF6/N2混合絕緣氣體的有效分離。當具備一定壓力的混合氣體通過高分子膜分離裝置時，N2分子在通過膜的高壓側過程中，會在膜表面溶解，且SF6分子的大部分會在膜的高壓側被截留，從而達到兩種氣體初步分離的目的。利用高分子膜開展混合氣體的分離工作，當N2分子通過膜表面時，會有少量的SF6分子到膜的另一側擴散，為了獲得更好的分離效果，可采取多級高分子膜并聯的方式，與其他分離方法進行配合，進而實現兩種氣體的高純度分離。

4.3 多級高分子膜并聯分離技術

混合氣體在通過一級膜時，會有高達99%的N2分子進行溶解或擴散到膜的另一側，直接排放到空氣中。在高壓側，雖然有部分SF6氣體會發生部分濃縮，但是依然存在很多雜質，應進一步進行分離。進行二級膜分離時，由于混合氣體中的SF6氣體濃度較高，會有更多的SF6分子通過二級膜，但是N2分子透過膜另一側的數量大幅降低，需要進一步純化才可以向空氣中排放，此時在高壓側，SF6氣體的濃度會大幅升高，達90%及以上，會在1號儲存罐內進行儲存，等待進一步處理。第二次分離的N2通過第三級分離膜時，純度會提升至99%，可以直接排放到大氣中，而SF6氣體會繼續進行濃縮，在2號儲氣罐完成回收，并等待下一步處理。將以上兩個儲存罐內的SF6氣體，通過高壓低溫精餾的方法進行處理。

4.4 高壓低溫精餾過程

在混合氣體中，C3F8及C2F6等氣體具有較低的沸點，不會發生液化情況，聚集在精餾塔的頂部，在分離工作完成后，可以直接排出，而SF6氣體會經過無數次的相變液化，在精餾塔的底部進行沉積，得到的SF6液體具備較高純度。利用多級高分子膜與高壓低溫精餾等技術方式，可以使SF6/N2混合絕緣氣體的分離效果得到有效保證，得到99%純度的N2，可直接排放到大氣中，并得到純度較高的SF6氣體，實現此種氣體的循環利用。

5 結語

在很多低溫地區，通常將SF6/CF4混合絕緣氣體應用在氣體斷路器中，利用SF6/N2混合絕緣氣體代替SF6氣體應用在非滅弧氣室中。通過對以上混合絕緣氣體的有效凈化分離，可以實現對SF6氣體的循環再利用，不僅能夠解決SF6氣體的低溫液化問題，還能減少對大氣的污染，節約成本支出，確保電力設備的正常運行。