劉靖羽　李培

摘 要：為控制水分和SF6氣體分解物的含量，以GIS為代表的SF6絕緣類(lèi)電力設(shè)備內(nèi)部必須加裝吸附裝置，利用吸附劑吸收GIS內(nèi)部殘留的水分和電弧分解物。本文詳細(xì)分析了GIS設(shè)備水分超標(biāo)的主要原因和水分對(duì)GIS設(shè)備的危害，介紹了GIS設(shè)備對(duì)吸附劑的基本要求、吸附劑的種類(lèi)及特性、吸附劑合理用量等內(nèi)容，同時(shí)針對(duì)GIS的典型故障，介紹了吸附裝置的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：水分超標(biāo)；吸附劑；吸附裝置

中圖分類(lèi)號(hào)：TM50 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）05-0050-04

Reasonable Selection and Design of Adsorbent in GIS Equipment

LIU Jingyu LI Pei

（Pinggao Toshiba （Henan） Switch Parts Manufacturing Co.， Ltd，Pingdingshan Henan 467013）

Abstract： In order to control the content of moisture and SF6 gas decomposition products， the SF6 insulation type electric power equipment， which is represented by GIS， must be equipped with an adsorption device inside， and the adsorbent can absorb the residual moisture and arc decomposition products inside the GIS. This paper analyzed in detail the main causes of GIS equipment moisture and water hazards to GIS equipment， introduced the basic requirements of GIS equipment， adsorbent type and characteristics， the amount of adsorbent and other content， while for the typical GIS fault， the design of the adsorption device was introduced.

Keywords： moisture superscale；adsorbent； adsorption plant

SF6氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備簡(jiǎn)稱GIS，是由斷路器（GCB）、隔離開(kāi)關(guān)（DS）和接地開(kāi)關(guān)（ES）等開(kāi)關(guān)電器以及電壓互感器、電流互感器、避雷器和封閉母線等單元組成的開(kāi)關(guān)裝置。GIS設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊、環(huán)境耐受能力強(qiáng)、抗震能力強(qiáng)、操作安全等優(yōu)點(diǎn)。在GIS設(shè)備中，作為滅弧與絕緣介質(zhì)的SF6氣體中是不允許有水分存在的，但在實(shí)際裝配和運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)不可避免地有極少量水分侵入到設(shè)備內(nèi)部，當(dāng)水分含量超過(guò)一定濃度時(shí)，會(huì)使GIS設(shè)備的絕緣能力降低。同時(shí)，被電弧分解的低氟化物受潮后會(huì)使設(shè)備絕緣水平下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使沿絕緣件表面出現(xiàn)閃絡(luò)放電，給設(shè)備的可靠運(yùn)行帶來(lái)不利影響，這就需要在開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)加裝吸附裝置，用吸附劑把殘留的水分和SF6氣體的分解物吸收掉[1-3]。

1 水分超標(biāo)的主要原因及危害

1.1 SF6氣體水分超標(biāo)的主要原因

GIS設(shè)備內(nèi)部的水分來(lái)源主要有以下幾方面：GIS內(nèi)部絕緣件及殼體內(nèi)壁處理效果不佳，含水量較多；SF6新氣體本身就含有水分；裝配工藝無(wú)法避免在作業(yè)過(guò)程中進(jìn)入水分；GIS設(shè)備密封結(jié)構(gòu)不可靠，運(yùn)行中水分滲入到設(shè)備內(nèi)部等[4-5]?，F(xiàn)在分別對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.1.1 SF6新氣中的水分超標(biāo)。在《工業(yè)六氟化硫》（GB/T 12022—2014）標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)SF6氣體中水分的含量作了明確規(guī)定，充氣前必須確認(rèn)SF6氣體是否合格。造成新氣不合格的原因：一是制氣廠對(duì)新氣檢測(cè)不嚴(yán)格；二是運(yùn)輸過(guò)程和存放環(huán)境不符合要求；三是存儲(chǔ)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

1.1.2 產(chǎn)品零部件（特別是絕緣件）帶入的水分。在裝配前對(duì)絕緣件沒(méi)有進(jìn)行干燥處理或干燥處理不充分。由于裝配場(chǎng)地溫度、濕度及表面狀態(tài)的不同，吸附在GIS設(shè)備殼體內(nèi)壁及內(nèi)部零件表面的水分也不盡相同。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)可知，絕緣物表面吸附水分的平均值為5g/m2（內(nèi)壁有涂料的殼體視為絕緣物），金屬件及瓷套的表面按1g/m2來(lái)計(jì)算。組裝前必須對(duì)部品進(jìn)行干燥處理。

1.1.3 吸附劑帶進(jìn)的水分。吸附劑對(duì)SF6氣體中水分和各種主要分解物都具有較好的吸附能力，假如吸附劑活化處理時(shí)間短，沒(méi)有進(jìn)行徹底干燥，安裝時(shí)暴露在空氣中時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而受潮，吸附劑可能帶進(jìn)部分水分。

1.1.4 設(shè)備充SF6氣體時(shí)帶進(jìn)的水分。GIS設(shè)備充氣時(shí)，如果不按有關(guān)規(guī)程和工藝要求進(jìn)行操作，如充氣時(shí)SF6氣瓶未倒立放置，管路、接口不干燥或裝配時(shí)暴露在空氣中的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)工等，都會(huì)導(dǎo)致水分帶進(jìn)。因此，必須按照國(guó)家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及工藝規(guī)程充SF6氣體。

1.1.5 運(yùn)行中通過(guò)密封部位滲入的水分。盡管GIS設(shè)備內(nèi)部的氣體壓力高于大氣壓力，但就水分而言，外部的水分壓力比設(shè)備內(nèi)部的要大得多。在內(nèi)外水分壓差的作用下，水分通過(guò)密封薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部。

1.1.6 GIS設(shè)備的泄漏點(diǎn)滲透的水分。充氣口、管路接頭、法蘭處滲漏和鋁鑄件砂孔等泄漏點(diǎn)，是水分滲透GIS設(shè)備內(nèi)部的通道，空氣中的水蒸氣逐漸滲透到設(shè)備的內(nèi)部。由于該過(guò)程是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程，時(shí)間越長(zhǎng)，滲透的水分就越多。

1.1.7 GIS設(shè)備在組裝維修檢查和補(bǔ)氣過(guò)程中混入水分。設(shè)備安裝和檢修維護(hù)過(guò)程中也會(huì)將空氣中的水分帶入設(shè)備內(nèi)部，如絕緣件在空氣中暴露的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而受潮，吸附劑活化處理時(shí)間不夠，干燥不徹底，安裝時(shí)暴露在空氣中的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等，可能帶入數(shù)量可觀的水分。

1.2 SF6氣體水分超標(biāo)的危害

SF6氣體水分超標(biāo)帶來(lái)的危害主要體現(xiàn)在：造成GIS設(shè)備開(kāi)斷性能的下降、絕緣能力的降低、對(duì)零部件的化學(xué)腐蝕及毒性化合物對(duì)人身和環(huán)境的不利影響等[6]。

1.2.1 對(duì)開(kāi)斷性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，水分對(duì)SF6開(kāi)關(guān)設(shè)備的開(kāi)斷性能有一定影響。分析認(rèn)為：SF6被電弧分解后，主要分解物是SF4+，其次是SF2+、F2-等。當(dāng)水分存在時(shí)，SF4與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成SOF2和HF，使斷口間重新復(fù)合的SF6分子數(shù)減少，即水分妨礙了SF6分解物的復(fù)合，影響了斷口間介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速度。再加上部分硫酸在高溫時(shí)分解，使水分增加，這種惡性循環(huán)的結(jié)果，使弧隙SF6分解物增加而復(fù)合量減少，吸附電子的能力下降，造成SF6開(kāi)關(guān)設(shè)備開(kāi)斷能力降低。

1.2.2 對(duì)絕緣性能的影響。研究表明，當(dāng)SF6氣體中的水分超過(guò)一定濃度時(shí)，不僅會(huì)使固體絕緣件的性能下降，而且隨著外部溫度的變化，這些水分會(huì)在設(shè)備內(nèi)部的絕緣件和金屬部件表面產(chǎn)生凝結(jié)，降低絕緣件表面的電阻并改變其電場(chǎng)分布，從而大大降低絕緣件的性能。另外，運(yùn)行中的SF6開(kāi)關(guān)設(shè)備，當(dāng)絕緣件表面覆蓋有SF6電弧分解物時(shí)，受潮的固態(tài)分解物呈半導(dǎo)體特性，使絕緣件表面的絕緣電阻下降，可能導(dǎo)致高電壓擊穿。

1.2.3 對(duì)零部件的腐蝕。SF6氣體及其分解物與水產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成HF及H2SO4等腐蝕性物質(zhì)。這些物質(zhì)對(duì)SF6開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)的金屬件或絕緣件產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕作用而使絕緣劣化，降低GIS設(shè)備的使用壽命和性能。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，短路開(kāi)斷試驗(yàn)后的產(chǎn)品，環(huán)氧樹(shù)脂絕緣件表面有小米大小的腐蝕砂眼，銅件有明顯的變色現(xiàn)象等。

1.2.4 毒性化合物對(duì)人身和環(huán)境的影響。SF6氣體化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定、不易分解，但當(dāng)設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)絕緣缺陷引起局部放電（Partial Discharge，PD）時(shí)，會(huì)使SF6氣體發(fā)生不同程度的分解，生成如SF2、SF3和SF4等低氟硫化物，與SF6氣體中存在的水分等雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成更多穩(wěn)定的化合物，如SOF2、SO2F2、SOF4、SO2、SF4、CO2、HF和H2S等。其中部分分解物分有一定毒性，如SOF2、SO2F2、SO2和SF4等，這些毒性氣體極易泄漏，不僅威脅設(shè)備維修人員的生命安全，而且對(duì)周?chē)鷳B(tài)和大氣環(huán)境造成極其嚴(yán)重的污染。

2 GIS設(shè)備對(duì)吸附劑性能的要求

針對(duì)SF6開(kāi)關(guān)設(shè)備中存在的水分和SF6氣體分解物，現(xiàn)在普遍采用的方法是使用吸附劑進(jìn)行吸附。吸附劑一般有以下特點(diǎn)：大的比表面、適宜的孔結(jié)構(gòu)及表面結(jié)構(gòu)；對(duì)吸附質(zhì)有強(qiáng)烈的吸附能力；一般不與吸附質(zhì)和介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；制造方便，容易再生；有良好的機(jī)械強(qiáng)度等。SF6開(kāi)關(guān)設(shè)備中選用的吸附劑具有吸附水分和SF6氣體分解產(chǎn)物的雙重作用。從保證電氣設(shè)備的可靠運(yùn)行及保護(hù)環(huán)境的角度出發(fā)，對(duì)吸附劑提出了以下基本要求。

①因SF6氣體在電氣設(shè)備中主要作為絕緣或滅弧介質(zhì)，因此，吸附劑不吸附或基本不吸附SF6氣體。②吸附劑的成分中不能含有導(dǎo)電或低介電常數(shù)的物質(zhì)，以防止其粉塵影響電氣設(shè)備的絕緣性能。③在水分和多種SF6氣體分解物共存的情況下，吸附劑都應(yīng)具有較好的吸附能力。④吸附劑要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，在強(qiáng)烈振動(dòng)的使用環(huán)境中不開(kāi)裂、不粉化。同時(shí)，在SF6開(kāi)關(guān)設(shè)備開(kāi)斷過(guò)程中，在強(qiáng)大的氣流、氣壓作用及強(qiáng)大的電弧能量和高溫作用下，也必須不開(kāi)裂、不粉化。⑤吸附劑在吸附水分后不潮解，不與SF6氣體分解物發(fā)生反應(yīng)。即使有反應(yīng)，也不能產(chǎn)生二次有害氣體。

3 吸附劑的吸附特性及合理用量

在SF6開(kāi)關(guān)設(shè)備中，最常用的吸附劑有5種：活性氧化鋁、4A分子篩、5A分子篩、13X分子篩和F-03分子篩等[7-11]。針對(duì)上述5種吸附劑的特性，國(guó)內(nèi)科研單位曾做過(guò)試驗(yàn)比較。試驗(yàn)結(jié)果表明：F-03分子篩的吸附性能優(yōu)于活性氧化鋁、4A分子篩及5A分子篩。其中，活性氧化鋁吸附SO2效果差；5A分子篩吸附SOF2、SO2效果不佳；4A分子篩吸附SOF2、SO2效果最差，且吸附S2F10O和水分的能力也不如其他類(lèi)型的吸附劑。KDHF-03分子篩是F-03分子篩的改進(jìn)型產(chǎn)品，與F-03相比，KDHF-03分子篩吸附量提高了10%，抗壓強(qiáng)度從50N/粒提高到100N/粒。

3.1 吸附劑對(duì)水分的吸附特性

試驗(yàn)結(jié)果表明，吸附劑對(duì)水分的吸附率會(huì)隨著露點(diǎn)的增加而增加，水蒸氣的分壓力增加時(shí)，吸附劑對(duì)水分的吸附率也隨之增加。不同種類(lèi)的吸附劑對(duì)水分的吸附率也不相同，露點(diǎn)相同或水蒸氣分壓力相同時(shí)，分子篩對(duì)水分的吸附率要優(yōu)于活性氧化鋁。對(duì)同一種吸附劑，吸附劑量越大時(shí)，干燥速度越快，即達(dá)到相同露點(diǎn)或水蒸氣分壓力的時(shí)間越短。

3.2 吸附劑對(duì)SF6分解氣體的吸附特性

SF6氣體在高溫電弧的作用下產(chǎn)生分解氣體，分解氣體的主要成分是SOF2。另外，由于水分的存在，還有HF、SO2等。試驗(yàn)表明：分子篩13X對(duì)SF6氣體的吸附率達(dá)23.39%（質(zhì)量比），因此分子篩13X不宜作為SF6電器設(shè)備用吸附劑。而5A型分子篩對(duì)SF6氣體的吸附率為0.24%（質(zhì)量比），4A型分子篩不吸附SF6氣體。分析認(rèn)為：若按氣體分子運(yùn)動(dòng)理論計(jì)算，SF6的分子直徑為6.4?。SOF2的分子直徑為4～5?，對(duì)4A型分子篩SOF2只是掛在孔上，SOF2的分子可以進(jìn)入到5A型分子篩的細(xì)孔徑內(nèi)部（如圖1所示），分子篩上附著的水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成SO2和HF（SOF2+H2O→SO2+2HF）。HF與分子篩產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而被吸附，SO2因分子直徑小而不被吸附。

3.3 吸附劑的合理用量

在SF6開(kāi)關(guān)設(shè)備中，吸附劑的加入量應(yīng)滿足以下基本要求：①要將SF6開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)的水分含量控制在設(shè)備運(yùn)行時(shí)的允許值以內(nèi)；②要能吸附開(kāi)關(guān)設(shè)備在累計(jì)開(kāi)斷容量?jī)?nèi)所產(chǎn)生的氣體分解物；③不要為了更換吸附劑而導(dǎo)致排放SF6氣體。

4 吸附裝置的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

如果吸附裝置設(shè)計(jì)不合理，會(huì)造成嚴(yán)重的質(zhì)量事故。例如，某變電站220kV GIS設(shè)備曾發(fā)生B相接地故障。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，是由于吸附裝置的材質(zhì)選擇不合理造成的[12-15]。事故調(diào)查情況簡(jiǎn)述如下。

2010年9月23日，220kV電范#1線發(fā)生B相接地故障，通過(guò)SF6氣體分解物測(cè)試發(fā)現(xiàn)電范#1線線路刀閘氣室SO2氣體含量為2.45×10-4，可判定發(fā)生過(guò)放電故障，其他氣室組分正常。拆解后發(fā)現(xiàn)B相線路刀閘氣室上部吸附劑罩及吸附劑均已燒掉，B相吸附劑蓋板有大量氟化物，C相吸附劑罩的網(wǎng)格也有4處斷裂，如圖2所示。

吸附裝置若采用塑料材質(zhì)，將存在下列問(wèn)題：①GIS多安裝在室外，隨季節(jié)變化驟冷驟熱易造成塑料材質(zhì)老化，最終引起破損；②吸附劑自身有一定質(zhì)量，對(duì)于在GIS頂部或側(cè)面安裝的吸附劑罩，長(zhǎng)時(shí)間在吸附劑質(zhì)量作用下易發(fā)生變形破裂；③塑料材質(zhì)熱膨脹系數(shù)為80～120μm/℃，不銹鋼材質(zhì)熱膨脹系數(shù)為14～16μm/℃，兩者差別較大，在溫度變化時(shí)，GIS金屬殼體熱脹冷縮程度要小于塑料吸附劑罩，因此尺寸越大的吸附劑罩破損越嚴(yán)重。

圖3是一種推薦的吸附裝置，吸附劑裝設(shè)在SF6開(kāi)關(guān)設(shè)備的底部或側(cè)面，通過(guò)可拆裝的金屬蓋板實(shí)現(xiàn)對(duì)吸附劑的裝入或更換。

設(shè)計(jì)吸附裝置時(shí)應(yīng)特別注意：①吸附劑應(yīng)放置在不銹鋼或等同強(qiáng)度材質(zhì)的吸附裝置內(nèi)，并與罐體安裝緊固，避免運(yùn)行中因振動(dòng)發(fā)生脫落；②考慮到開(kāi)關(guān)操作時(shí)會(huì)發(fā)生振動(dòng)，吸附劑會(huì)因振動(dòng)而磨損并產(chǎn)生粉塵，所以為了不讓粉塵進(jìn)入設(shè)備內(nèi)，應(yīng)把吸附劑裝在濾布做的袋子里再放進(jìn)吸附裝置內(nèi)，這種濾布是用來(lái)?yè)鯄m的，其機(jī)械強(qiáng)度要強(qiáng)，不受分解氣體侵蝕且具有不影響吸附能力的較強(qiáng)的透氣性；③為防止金屬異物進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，吸附裝置優(yōu)先裝在下方，使其具有異物捕獲功能；④當(dāng)設(shè)備上有用于裝配的手孔蓋時(shí)，優(yōu)先將吸附劑安裝在手孔蓋內(nèi)側(cè)，以降低成本；⑤為便于現(xiàn)場(chǎng)更換吸附劑，吸附裝置不宜裝在高處，同時(shí)吸附裝置也不宜過(guò)重，必要時(shí)可改進(jìn)吸附裝置的結(jié)構(gòu)或材質(zhì)；⑥嚴(yán)禁將吸附劑安裝在泄壓通道內(nèi)側(cè)，影響泄壓效果。

5 結(jié)語(yǔ)

為控制GIS設(shè)備中的水分和電弧分解物的含量，在SF6氣室中必須加裝吸附劑，利用吸附劑吸收內(nèi)部殘留的水分和電弧分解物。GIS設(shè)備中應(yīng)優(yōu)先選用KDHF-03分子篩等吸附性能優(yōu)良的吸附劑，吸附劑的加入量應(yīng)滿足GIS設(shè)備內(nèi)的水分含量控制在允許值以內(nèi)，同時(shí)能吸附GIS設(shè)備在累計(jì)開(kāi)斷容量?jī)?nèi)所產(chǎn)生的氣體分解物。吸附裝置的設(shè)計(jì)必須科學(xué)合理，否則會(huì)造成嚴(yán)重的質(zhì)量事故。

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