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方面應用SF6氣體。在常壓下，SF6氣體分解產物有毒有害，在環保要求日益嚴格的今天，電力行業有必要尋找一種環保、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，介質與設備中材料并不會出現任何化學反應。而在氣體出現混合情況下，在相互作用基礎上并不會生成副產品。為此，應保證介質沸點符合標準，并將其傳熱特性充分發揮。因為傳熱介質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。不僅如此，還應對介質進行管控處理。由于電氣設備對氣體絕緣介質要求有明顯差異，斷路器設備對介質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，還應對經濟運行情況給予高度重視[2]。

3 SF6絕緣氣體分解產物

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

需要注意的是，該過程會產生劇毒，對人體傷害較大，如對人體黏膜產生強烈的刺激，會導致人體出現水腫、嘔吐等不良反應。一般在常溫常壓環境下，SO2F2為無色無味的氣體，且具有較為穩定的化學性質，并不會受外界因素所影響。當溫度達到150℃時，能夠與金屬發生反應，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、設備質量、吸附劑等有直接關聯，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，避免發生絕緣材料對設備運行情況，可選擇使用環氧樹脂型材料。真空中的水很難在短時間內去除，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，液體轉化為氣體，使大量液體黏附在再生風道的結合面上，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，避免嚴重發生氣體污染情況。

三是設備密封質量將會對微水含量造成一定影響，一旦設備質量不過關，將引發密封不牢或是接頭松動等情況，最終出現設備泄漏情況。在受內外壓差影響下，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展也起到了十分重要的推進作用。同時，在現代電網改造和建設中，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構，在產品上部的高壓外殼內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部，可在允許的電場強度范圍內，通過改變電極形狀，針對沿表面的內電場和外電場電極進行使用。

220kV 及以下的電壓產品，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品的外絕緣，易在其傘裙的表面發生電腐蝕現象。同時，也容易在工頻耐壓和運行試驗中發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生電腐蝕。可見，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。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構。電容屏由鋁箔制成，濾網之間的絕緣為復合氣體絕緣膜，濾網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、溫度和壓力在線監測方法的相繼出現，將數據進行融合和分析，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，應對設備內部空氣濕度進行降濕處理，如果設備內部零件狀態存在異常，應對其進行科學處理，始終維持真空狀態，盡可能降低空氣與設備組件之間發生碰觸可能性，使組件表面濕度在標準范圍內。由于酒精有較強揮發性，可借助酒精優勢對設備進行清潔處理，降低設備內表面水分。

6.2 設備補充氣體質量控制

在對SF6進行補充時，需要對氣體質量進行嚴格檢驗，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量進行控制。

6.3 設備密封質量控制

嚴格檢查密封設備，確保密封圈質量，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，避免氣體內微水含量過高而導致設備發生故障等情況。當運行設備微水含量超標時，氣體內微水含量＞500μL/L，應對微水含量進行合理化控制，在設備內氣體含水量＜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會產生較多的分解產物。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的作用。SF6氣體分解產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果來獲取氣體濃度數據信息，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、響應快和在線監測的優點，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。

通過回收和穩定處理后的氣體，可以避免產生的有毒氣體對人體和環境造成的一定危害，而且有助于明確氣體在不同微水含量下的設備絕緣狀況，還能夠對事故問題及時治理。

8 結語

氣體絕緣的選擇對于實現無油化、小型化和環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，優化其缺點，盡快找到更優的SF6替代產品。經電力工業電氣設備質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象，其余各項絕緣性能指標均達到國家標準。