林錦桐

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局,廣東 江門 529000）

SF6高壓斷路器分解物的分析及對(duì)策

林錦桐

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局,廣東 江門 529000）

闡述了SF6氣體分解機(jī)理,分析了高壓斷路器正常運(yùn)行及切斷故障電流氣體分解物的變化情況及對(duì)應(yīng)關(guān)系,并結(jié)合500 kV五邑站500 kV開(kāi)關(guān)在臺(tái)風(fēng)期間開(kāi)關(guān)動(dòng)作情況,對(duì)SF6中氣體含量產(chǎn)生和升高的原因進(jìn)行了分析研究,了解分解物的危害,同時(shí)提出相應(yīng)對(duì)策,提高SF6斷路器安全運(yùn)行的可靠性。

500 kV變電站；SF6斷路器；分解物

0 引言

自法國(guó)化學(xué)家使用硫在氟氣中燃燒出六氟化硫（SF6）氣體以來(lái)，人類已從中受益非淺。SF6分子為單硫多氟的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，使它具有極強(qiáng)的電負(fù)性，這也賦予它優(yōu)良的絕緣性能和滅弧性能[1]。到了19世紀(jì)60到70年代，SF6斷路器已廣泛應(yīng)用于超高壓電力系統(tǒng)中，80年代初已成功研制出363 kV單斷口、550 kV雙斷口和額定開(kāi)斷電流達(dá)80 kA、100 kA的SF6斷路器[1]。

SF6氣體正常工作狀態(tài)下可靠性、穩(wěn)定性很高，但是在一定條件下能分解出各種有毒和腐蝕性氣體，其中含有SO2、H2S等近10種化學(xué)物。分解物含量的增加會(huì)降低設(shè)備耐電強(qiáng)度和絕緣能力，直接影響到運(yùn)行設(shè)備的安全運(yùn)行，從而導(dǎo)致電氣故障，影響設(shè)備安全。

從SF6氣體性質(zhì)、水分的存在對(duì)其影響和分解物的產(chǎn)生情況展開(kāi)分析，并結(jié)合500 kV五邑站500 kV陽(yáng)五乙線開(kāi)關(guān)運(yùn)行及動(dòng)作情況，從分析中說(shuō)明產(chǎn)生氣體分解物的危害，同時(shí)提出相應(yīng)對(duì)策。

1 SF6氣體的性質(zhì)

純凈的SF6氣體是一種無(wú)色、無(wú)嗅、無(wú)毒、不可燃的鹵素化合物，相對(duì)密度約為空氣的5倍。SF6氣體多以液態(tài)形式存在于鋼瓶中主要為了便于運(yùn)輸和貯存。SF6氣體分子吸附自由電子十分強(qiáng)大，在斷路器電弧過(guò)零一瞬間，電極間的電子被SF6分子的強(qiáng)電負(fù)性吸附上。由于分子質(zhì)量是電子質(zhì)量的幾十萬(wàn)倍，移動(dòng)很慢，因此電子無(wú)再次沖擊的速度，從而使電弧熄滅。SF6氣體有優(yōu)異的絕緣和滅弧能力，與普通空氣相比，絕緣能力高出2.5～3.0倍，滅弧能力則高出近百倍。在低于150 ℃時(shí)，SF6氣體呈現(xiàn)出化學(xué)惰性，極少熔于水，微熔于醇，對(duì)電器設(shè)備中常用的金屬均不發(fā)生化學(xué)作用[1]。

2 水分對(duì)SF6的影響及分解物的產(chǎn)生

SF6生產(chǎn)過(guò)程中或電氣設(shè)備運(yùn)行中的SF6氣體都不可避免含有微量的空氣和水分，而且空氣中水汽通過(guò)設(shè)備密封這一薄弱環(huán)節(jié)也能滲透到設(shè)備內(nèi)部。

首先，先了解水分對(duì)電器絕緣的影響，這與其存在形式有關(guān)：溫度下降一定時(shí)，水蒸氣凝結(jié)成露珠，并附著設(shè)備絕緣件表面，將引起沿面放電，降低絕緣能力；溫度上升一定后，露珠恢復(fù)成水蒸氣，恢復(fù)絕緣特性；當(dāng)溫度下降到0 ℃以下，水蒸氣變成冰霜，擊穿電壓保持一定值，從以上可以看到水分結(jié)成露珠時(shí)對(duì)設(shè)備絕緣的影響較大。同樣SF6氣體在水分作用下也能發(fā)生反應(yīng)，生成具有極強(qiáng)腐蝕性的酸性氣體。在200 ℃，當(dāng)微水含量達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，會(huì)發(fā)生以下水解反應(yīng)： 2SF6+6H2O＝2SO2+12HF+O2。

氫氟酸HF是一種具有極強(qiáng)腐蝕性的酸性氣體，對(duì)電器設(shè)備材料具有腐蝕作用，對(duì)人的皮膚和粘膜有強(qiáng)烈的刺激作用，甚至引起肺水腫、肺炎等。SO2同樣具有強(qiáng)烈刺激性氣體，損害人體呼吸系統(tǒng)?？梢钥吹剿值暮渴荢F61項(xiàng)非常重要的指標(biāo)。

SF6在正常運(yùn)行的情況下（小于500 ℃時(shí)）分解物極少，正常情況下對(duì)電力設(shè)備中常用的金屬和其他有機(jī)材料均不發(fā)生化學(xué)作用。但當(dāng)SF6設(shè)備中發(fā)生絕緣故障時(shí)，在大功率電弧、火花放電和電暈放電作用下能使SF6氣體分解發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并生成多種低氟硫化物，主要反應(yīng)為：SF6＝SF4+2F（四氟化硫酰）

如為純凈的SF6氣體，將隨著溫度降低分解物很快復(fù)合，還原為SF6氣體。然而SF6氣體中存在空氣、水分，將與活潑的低氟硫化物產(chǎn)生繼發(fā)性反應(yīng)，如圖1所示。

圖1 SF6氣體分解圖

斷路器滅弧室觸頭材料Cu、W與SF6氣體及分解物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生CuF2和WF6有毒產(chǎn)物。滅弧室內(nèi)SF6氣體成分中水分的增加，使得SF6氣體與絕緣介質(zhì)直接反應(yīng),再經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生H2O、SO2和H2S等成分，含量明顯超標(biāo)[2-3]。

通過(guò)以上分析得出，SF6斷路器正常運(yùn)行中及在大功率電弧、放電作用下，氣體分解產(chǎn)物主要有：CF4、SOF2、H2S、SO2F2、CO、S2OF10、SO2、HF、CO2。對(duì)SF6斷路器進(jìn)行檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)SO2，CO，H2S，H2O 4項(xiàng)指標(biāo)最多，下面對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

二氧化硫SO2：為斷路器頻繁動(dòng)作時(shí)分解的主要特征組分。大功率電弧、放電作用下，SO2含量明顯超標(biāo)；而正常運(yùn)行時(shí)設(shè)備化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的SO2含量極少[4]。

二氧化碳CO2和一氧化碳CO：當(dāng)設(shè)備內(nèi)部溫度＞500 ℃或電弧、放電下灼傷固體絕緣部件時(shí)，產(chǎn)生CO2和CO分解物。

氟化硫H2S（HF）：SF6氣體在正常或在電弧作用分解成的氟硫離子與設(shè)備內(nèi)部的水分和空氣發(fā)生反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生HF或H2S[3]。

微水H2O：微水能使SF6氣體在電弧、放電作用下分解的低氟硫化物引起繼發(fā)性反應(yīng)，產(chǎn)生超標(biāo)分解物，影響設(shè)備絕緣性能。

3 實(shí)例分析

2014年7月17日14：29至15：43，雷雨天氣，五邑站500 kV陽(yáng)五乙線5053開(kāi)關(guān)A相開(kāi)斷故障短路電流達(dá)7次，開(kāi)關(guān)B相開(kāi)斷故障短路電流3次，開(kāi)關(guān)C相開(kāi)斷故障短路電流達(dá)8次，故障相電流均在4 kA至8 kA范圍內(nèi)，運(yùn)行人員對(duì)5053開(kāi)關(guān)進(jìn)行一、二次設(shè)備檢查，發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)本體和壓力值等無(wú)異常，對(duì)比開(kāi)關(guān)前后動(dòng)作次數(shù)和主控室監(jiān)控機(jī)顯示動(dòng)作次數(shù)相符。7月18日試驗(yàn)研究所化學(xué)班到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)抽取5053開(kāi)關(guān)SF6氣體進(jìn)行化學(xué)試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)研究所試驗(yàn)數(shù)據(jù) μL/L

按以上的分析及試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn)5052、5053開(kāi)關(guān)三相在電暈、火花和放電頻繁作用下產(chǎn)生了SF6氣體分解物SO2，其中最頻繁動(dòng)作的5053開(kāi)關(guān)含有H2S。在7月21日，化學(xué)班再次抽取SF6氣體送廣東電力科學(xué)研究院詳細(xì)檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從檢測(cè)結(jié)果判斷開(kāi)關(guān)SF6氣體中H2O在運(yùn)行中均小于300 μL/L，雖符合電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)相關(guān)規(guī)程規(guī)定，然而SO2、CO、H2S含量的超標(biāo)則是在H2O的影響之下產(chǎn)生的。

分解產(chǎn)生出的有毒氣體和粉末，對(duì)人及動(dòng)物上呼吸道傷害很大，并對(duì)環(huán)境造成了污染和破壞。同時(shí)也使斷路器的滅弧能力和絕緣強(qiáng)度大大下降，影響設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，SF6在生產(chǎn)、安裝、調(diào)試和運(yùn)行各個(gè)環(huán)節(jié)中都應(yīng)采取有效的措施加以防范和控制。

表2 廣東電力科學(xué)研究院試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 對(duì)策

通過(guò)以上分析，SF6斷路器正常運(yùn)行中及在大功率電弧、放電作用下產(chǎn)生多種分解物，其中開(kāi)關(guān)頻繁動(dòng)作數(shù)據(jù)最為明顯，對(duì)設(shè)備、運(yùn)維人員和環(huán)境有一定的影響。為了使設(shè)備能安全穩(wěn)定運(yùn)行，掌握開(kāi)關(guān)詳細(xì)運(yùn)行情況，提出了以下幾點(diǎn)對(duì)策。

a) 按月度跟蹤設(shè)備消缺情況，利用氣體采樣報(bào)告或開(kāi)關(guān)停電計(jì)劃制定相應(yīng)的停、送電運(yùn)維方案。

b) 針對(duì)化學(xué)班反饋的分析報(bào)告應(yīng)密切跟蹤分解物的變化情況，數(shù)據(jù)異常應(yīng)送電科院檢測(cè)并通知上級(jí)部門。

c) 日常巡視需重點(diǎn)注意開(kāi)關(guān)SF6氣體壓力值，是否有異常聲響等，并認(rèn)真按計(jì)劃記錄SF6氣體壓力值，密切跟蹤變化情況[5-6]。2~3 a做一次微水試驗(yàn)，如碰惡劣天氣，開(kāi)關(guān)頻繁動(dòng)作，運(yùn)行人員應(yīng)上報(bào)相關(guān)部門并由化學(xué)班立刻進(jìn)行分解物檢測(cè)。

d) 在裝置內(nèi)裝入強(qiáng)力吸附劑，改善密封部件的結(jié)構(gòu)或使用優(yōu)質(zhì)的絕緣材料以盡量降低水分滲入裝置內(nèi)部。

e) 在條件允許下可配置檢測(cè)成分多樣，性能優(yōu)異，精準(zhǔn)的測(cè)試儀器，可及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)SF6氣體內(nèi)部分解物的異常，跟蹤變化數(shù)據(jù)，超前防止事故的發(fā)生，保證設(shè)備的可靠性、安全和穩(wěn)定。

f) 由于SF6氣體分解物屬有毒氣體，對(duì)人體有刺激和腐蝕作用，因此化學(xué)班在采樣過(guò)程中應(yīng)防止SF6泄漏導(dǎo)致中毒，必要時(shí)應(yīng)佩戴防毒面具和手套等，當(dāng)發(fā)生SF6氣體泄漏時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)人員應(yīng)撤離至上風(fēng)口再采取有效防范措施。

5 結(jié)束語(yǔ)

SF6氣體中分解物直接影響到電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，其水分、空氣含量超標(biāo)會(huì)降低開(kāi)關(guān)滅弧能力及絕緣強(qiáng)度，特別在開(kāi)關(guān)頻繁動(dòng)作、開(kāi)斷較大的故障電流時(shí)，經(jīng)大功率電弧、放電作用下，分解產(chǎn)生出多種有毒氣體和粉末，對(duì)設(shè)備和運(yùn)維人員的安全產(chǎn)生一定的危害性。

SF6斷路器氣體中SO2、H2S等含量試驗(yàn)分析為判斷其內(nèi)部故障提供了技術(shù)支持，這也成為電氣設(shè)備內(nèi)部故障診斷手段。因此應(yīng)從設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行、杜絕人身事故的角度出發(fā)，提出各項(xiàng)對(duì)策措施，將設(shè)備隱患消滅在萌芽狀態(tài)，確保電網(wǎng)安全運(yùn)行，避免大面積停電等事故事件出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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Analysis on SF6High Voltage Circuit Breakers Decomposition and Countermeasures for Improvement

LIN Jintong

（Guangdong Power Grid Co., Ltd., Jiangmen Power Supply Bureau, Jiangmen, Guangdong 529000, China）

This paper describes the decomposition mechanism of SF6gas, and the decomposition of SF6gas on normal operation and the decomposition when fault current is cut off are compared. Combined with the 500 kV switching action during typhoons in 500 kV Wuyi substation, the generation and the increase of SF6gas content were analyzed and researched to understand the harm of decomposition, and corresponding strategies are put forward to improve the reliability of the safe operation of SF6circuit breaker.

500 kV station; SF6circuit breakers; decomposition

TM561.3

A

1671-0320（2016）04-0016-04

2016-04-19，

2016-05-19

林錦桐（1985），男，廣東開(kāi)平人，2009年畢業(yè)于廣東工業(yè)大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，工程師，技師，從事變電運(yùn)行工作。