绝缘气体在高压电力设备中的应用分析

中国能源建设集团华东电力试验研究院有限公司 刘耀中

1 引言

由于SF6气体自身介电强度较强，在标准大气压下可达到空气3倍以上。SF6绝缘气体是气体绝缘变压器与绝缘气体输变电设备应用最多的材料。目前，在城市高压输变电中，电力设备被广泛应用，同时SF6气体具有约为空气100倍的灭弧能力，可在高压断路器以及超高压系统方面应用SF6气体。在常压下，SF6气体分解产物有毒有害，在环保要求日益严格的今天，电力行业有必要寻找一种环保、高性能的SF6气体替代品，对SF6气体的缺陷问题进行解决。

2 绝缘气体在电力设备中的应用

SF6作为惰性气体之一，具有较好的阻燃性、绝缘性、灭弧性。其特点在以下几种高压设备中获得了充分的利用：一是电力系统断路器；二是CT；三是GIS。同时，高压设备运行情况会直接受到SF6气体纯度的影响。另外，对SF6气体绝缘性能与灭弧性能影响较大的主要因素是SF6气体的微水含量，当SF6气体微水含量不符合相关标准时，从某种程度上来讲，气体绝缘性能与灭弧能力将受到阻碍。为此，在SF6装置应用阶段，需要对气体微水含量做出检测，并采用科学方法对气体微水含量超标情况进行解决，为装置正常运行提供保障，所以，应对SF6气体中的微量水分析和处理进行深入探索与分析[1]。

电气设备在对绝缘气体进行挑选时，应保证气体具备较强的绝缘强度性能与灭弧能力，还应该具备介质化学惰性。但要保证的是在长时间或是高温电弧情形下，介质与设备中材料并不会出现任何化学反应。而在气体出现混合情况下，在相互作用基础上并不会生成副产品。为此，应保证介质沸点符合标准，并将其传热特性充分发挥。因为传热介质容量与设备工作温度及运行效率之间关系密切，同时传热性能也是设备挑选的主要依据。不仅如此，还应对介质进行管控处理。由于电气设备对气体绝缘介质要求有明显差异，断路器设备对介质灭弧能力与冷却能力有较高要求，变压器与气体绝缘电缆也同样要求设备满足其能力需求，还应对经济运行情况给予高度重视[2]。

3 SF6绝缘气体分解产物

SF6水解产物大多为酸性，且SF6作为一种无色气体，在常温常压下将会产生具有明显刺激性气味。SF6与H2O 发生反应将会生成SOF2气体，SF6在硫酸中经过分解，会与苯充分相融，还能够被碱性溶液或活性氧化铝吸收，如果未经妥善处理，将会引发剧毒，甚至会对人体呼吸系统造成严重损害。不仅如此，SO2与SF6皆为无色气体，如果在常温常压下放置，将会发出刺激性气味，但化学稳定性较好、可与水进行分解、击穿电压高，并能将分解产物从现有的活性氧化铝和活性炭中提取出来。

需要注意的是，该过程会产生剧毒，对人体伤害较大，如对人体黏膜产生强烈的刺激，会导致人体出现水肿、呕吐等不良反应。一般在常温常压环境下，SO2F2为无色无味的气体，且具有较为稳定的化学性质，并不会受外界因素所影响。当温度达到150℃时，能够与金属发生反应，还能够被碱性溶液所吸收，且难以被活性氧化铝吸附，以便相关产物进行有效分解。

4 SF6微水超标原因分析

一是设备SF6气体中的微水与设备安装、设备维护、通风设备、设备质量、吸附剂等有直接关联，并对外界因素做出详尽探寻，确定导致SF6微水处理设备超标的关键因素，为SF6微水处理设备正常运行提供便利，避免发生绝缘材料对设备运行情况，可选择使用环氧树脂型材料。真空中的水很难在短时间内去除，这会影响气体的微水含量。在设备的安装和维护过程中，水分输入裸露设备的部件中，安装维护后水分含量检测也会不过关[3]。

二是SF6储存设备器材对微水含量的影响，SF6气体在高压下以液体形式储存在补充气瓶中。设备充气时，液体转化为气体，使大量液体黏附在再生风道的结合面上，气体通过供气装置进入装置。需要注意的是SF6气体在充气前切记不可对充气管道进行冲洗，避免严重发生气体污染情况。

三是设备密封质量将会对微水含量造成一定影响，一旦设备质量不过关，将引发密封不牢或是接头松动等情况，最终出现设备泄漏情况。在受内外压差影响下，大气中水蒸气会提高SF6气体水分含量，空气湿度也会随之增加，也会导致密封损坏严重。所以，应使用优良的密封材料以及做好定期的检查和更换。

四是吸附剂带水。空气室中的吸附剂持续吸收空气室中的水，如果吸附剂使用时间过长，吸水率过大，吸水率将达到饱和。固定吸附剂前，吸附剂未完全干燥，且吸附剂中含有水也会导致最终微水含量超标[4]。

5 SF6气体微水含量监测分析

作为新型绝缘材料的SF6气体，对于高压电器制造领域的发展也起到了十分重要的推进作用。同时，在现代电网改造和建设中，不仅合理利用了SF6气体绝缘高压电器，也充分发挥了SF6气体绝缘高压电器较好的绝缘性、可靠性以及免维护性。如SF6电流互感器通常使用垂直倒置结构，在产品上部的高压外壳内设置了二次接地电压互感器的本体，为使外壳外表的电场分布得到优化，可利用二次引线将高强度硅绝缘导线引出，还可直接使用复合接地管。另外，将高压金属电极安装在外壳内部，可在允许的电场强度范围内，通过改变电极形状，针对沿表面的内电场和外电场电极进行使用。

220kV 及以下的电压产品，不仅高压电极与地面之间距离相对较小，且外部电场分布较为均匀。330kV 及以上的电压和电流互感器，由于高压头与地面之间的距离较大，致使外部电场出现分布不均匀的情况，在外壳上部集中了大量等值线，与大气外电场相对应的高压电场更加集中，特别是硅橡胶外壳产品的外绝缘，易在其伞裙的表面发生电腐蚀现象。同时，也容易在工频耐压和运行试验中发生外部冲击闪络的问题。虽能采用在电压电极与铅管之间设置一个中间电极的方式，针对外部电场进行改善，但并不能改善线电位集中在对应于两个电极末端的外壳表面的问题，仍然会在长期运行下发生电腐蚀。可见，在设计330kV 及以上电压型电流互感器过程中，需沿整个高度方向均匀分布绝缘套管表面电位。

在油浸式电流互感器设计中，电容式绝缘结构是油浸式电流互感器的主绝缘，SF6电容器套管不仅能提高屏端的电场强度，还能提高初始局部放电电压。不同点是油浸式变压器屏间形式相对单一，绝缘纸靠近导线管，而SF6电容器涉及一种用于分布聚酯薄膜及SF6气体的单面菱形网。随着间隙的增大，薄膜宽度保持不变，电容器屏套管架金属固定筒，二次出线管为同轴圆柱形结构。电容屏由铝箔制成，滤网之间的绝缘为复合气体绝缘膜，滤网与二次出口管之间的绝缘为SF6气体绝缘膜。其特征为在高压电器中，电流互感器的二次引线为“高压引线”，电流互感器的高压引线电位为高电平，虽然电容屏壳的设计和计算是针对SF6电流互感器的，但同时也适用于其他高压电器高压套管。

当前，SF6微水含量在线监测流程主要分为两点：一是从工艺设备中提取气体；二是检测气体样品中的微水含量。另外，在对新型微水检测装置进行使用时，同样需要对SF6中的微水含量做出详尽检测。微型水表检测仪属于精密测量。随着湿度理论的SF6气体相对湿度、温度和压力在线监测方法的相继出现，将数据进行融合和分析，能将SF6气体微水含量的具体情况，更全面、更准确地反映出来[5]。绝缘气体在压电力设备应用如图1所示。

图1 绝缘气体在高压电力设备应用

6 SF6微水超标控制措施

6.1 设备安装条件选择

对于设备安装和维护，在天气湿度含量较强情况下，应对设备内部空气湿度进行降湿处理，如果设备内部零件状态存在异常，应对其进行科学处理，始终维持真空状态，尽可能降低空气与设备组件之间发生碰触可能性，使组件表面湿度在标准范围内。由于酒精有较强挥发性，可借助酒精优势对设备进行清洁处理，降低设备内表面水分。

6.2 设备补充气体质量控制

在对SF6进行补充时，需要对气体质量进行严格检验，并合理控制气体纯度与微水含量。对SF6进行补充处理时，应确保选用管道长度短、直径大、密封性好、承压能力强的设备，不仅能实现多接口充气，还能有效缩减充气的时长。同时使用酒精，对设备充气管和止回阀接头进行定期清洁，从而对设备补充气体质量进行控制。

6.3 设备密封质量控制

严格检查密封设备，确保密封圈质量，空气中的水蒸气通过密封件泄漏到机器中，通过控制设备接触面的密封过程，按要求拧紧法兰螺钉和更换密封圈，提高了设备接触法兰的密封性能，设备中的微水含量也会得到明显降低。

6.4 吸附剂更换

吸附剂是微水处理设备运行中的主要材料，在新设备的安装和维护过程中，为减少吸附剂与空气的接触时间，需在安装前对吸附剂进行干燥、密封和储存，对吸附剂吸收空气中的水分含量进行合理控制。

7 常用SF6绝缘气体分解产物检测方法

设备在不同微水含量下的绝缘状况不同，应采用防气体泄漏措施，避免气体内微水含量过高而导致设备发生故障等情况。当运行设备微水含量超标时，气体内微水含量＞500μL/L，应对微水含量进行合理化控制，在设备内气体含水量＜500μL/L时，则需要视情况及时更换吸收剂。

同时，电气设备运行过程中，SF6会产生较多的分解产物。针对SF6气体的分解变化进行检测，能起到有效判断电气设备运行状态的作用。SF6气体分解产物的检测技术可分为间接分光光度法和分光光度法。其中，非光谱测量技术主要应用于气体检测管、气体传感器、气相色谱、质谱等诸多领域。

气体检测管法借助被测气体化学显色反应结果来获取气体浓度数据信息，广泛应用于对SO2、H2S、HF 等气体的检测中。另外，精度、温度、湿度与储存时间等因素可直接影响气体检测管法的使用。电化学气体传感器法在SO2、H2S、CO 等活性气体中得到高效应用，自身具备设备小、响应快和在线监测的优点，但也存在交叉干扰、使用寿命相对较短等不足之处。如今，应用于实验室SF6分解特性的离线分析与测量，易受气体交叉所干扰，因此在气体浓度较高场合使用较为合理。

通过回收和稳定处理后的气体，可以避免产生的有毒气体对人体和环境造成的一定危害，而且有助于明确气体在不同微水含量下的设备绝缘状况，还能够对事故问题及时治理。

8 结语

气体绝缘的选择对于实现无油化、小型化和环保化型电力建设具有十分重要的意义。目前，国外也提出了SF6-N2混合气作为替代气的可行性。在不同的能源设备和环境中，SF6和N2的比例是研究的重点。而这种混合气的缺点也存在较多缺点，如利用率不能满足SF6绝缘设备的要求，对此相关研究人员应多进行探索，优化其缺点，尽快找到更优的SF6替代产品。经电力工业电气设备质量检验测试中心的全部试验，在高压操作冲击下无任何放电现象，其余各项绝缘性能指标均达到国家标准。