摘 要 基于新疆電網(wǎng)的特殊地理環(huán)境，大量瓷柱式SF6 斷路器在冬季氣溫低于-30℃后出現(xiàn)的氣體液化問(wèn)題，直接影響設(shè)備開(kāi)斷性能。對(duì)此類(lèi)SF6 斷路器設(shè)備的技術(shù)改造，成了檢修單位必須面對(duì)的一個(gè)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞 瓷柱式斷路器 SF6 混合氣體 氣體組分分析 技術(shù)改造

由于新疆地區(qū)地廣人稀的地理環(huán)境，電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)變電站多選址在戶(hù)外無(wú)人曠野，而且站內(nèi)一次設(shè)備也常選用敞開(kāi)式設(shè)備。其中純SF6 氣體作為滅弧和絕緣介質(zhì)的瓷柱式斷路器在冬季戶(hù)外氣溫低于-30℃后，經(jīng)常出現(xiàn)SF6 氣體液化導(dǎo)致氣體密度降低的問(wèn)題。由于電網(wǎng)大負(fù)荷下開(kāi)關(guān)設(shè)備需要較大的短路開(kāi)斷容量，該問(wèn)題將對(duì)斷路器、電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成較大影響。

一、低溫下SF6 氣體液化對(duì)設(shè)備性能的影響

SF6 氣體有優(yōu)良的熱特性，絕緣性能恢復(fù)快，有強(qiáng)負(fù)電性，是一種具有優(yōu)異滅弧性能的氣體。 SF6 在電弧高溫作用下發(fā)生分解： SF6 →S+F2，以硫和氟原子的狀態(tài)存在，同時(shí)吸收大量的能量。在滅弧后，大部分硫和氟原子又迅速組合為SF6 分子：S+F2→ SF6 。但有少部分與水、空氣等雜質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生有毒物質(zhì)：SF6+H2O→SOF2+HF。SF6氣體分子分解時(shí)吸收的能量多，對(duì)弧柱的冷卻作用強(qiáng)。

在氣溫低于-30℃超低溫的環(huán)境下，根據(jù)公式Berttie-Bridgman可知SF6氣體極易產(chǎn)生低溫液化，造成SF6氣體密度下降，必然導(dǎo)致高壓SF6斷路器的滅弧性能和絕緣能力的降低，影響高壓 斷路器的正常運(yùn)行。根據(jù)某廠(chǎng)試驗(yàn)可知， LW-252/Y5000-63型斷路器氣體額定壓力由0.6MPa降低到0.4MPa時(shí)，其額定短路開(kāi)斷電流將由63kA降低至50kA。

二、使用SF6混合氣體的技術(shù)背景

1. SF6斷路器氣體液化問(wèn)題的常用解決辦法與問(wèn)題。

（1）提高斷路器中氣體的溫度，減少液化程度，即通過(guò)加大氣體加熱裝置的功率和加裝氣體管路加熱帶來(lái)來(lái)保證低溫環(huán)境下SF6氣體密度。該思路的問(wèn)題在于已成型的瓷柱式斷路器由于斷路器自身結(jié)構(gòu)并不能直接對(duì)斷路器滅弧室部分進(jìn)行加熱。若在機(jī)構(gòu)部位進(jìn)行加熱，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的熱傳導(dǎo)后能量損耗極大，效果不明顯。同時(shí)，新增的加熱裝置一般在設(shè)備底部機(jī)構(gòu)部分，加熱裝置對(duì)于密封件、端子排和繼電器等均有不良影響。所以，該思路僅對(duì)溫度不是太低地區(qū)的部分型號(hào)斷路器有效。

（2）降低斷路器內(nèi)的額定氣體壓力，以防止出現(xiàn)氣體低溫液化現(xiàn)象。由實(shí)際工程中應(yīng)用的SF6氣體狀態(tài)參數(shù)曲線(xiàn)圖（圖一）可以方便的知道較低額定壓力的 氣體在超低溫環(huán)境下的確不存在液化問(wèn)題。但是，這必然會(huì)犧牲斷路器的額定短路開(kāi)斷能力。所以對(duì)于電網(wǎng)負(fù)荷較大，需要保證斷路器設(shè)備額定短路開(kāi)斷能力的地區(qū)無(wú)法使用。

圖一 氣體狀態(tài)參數(shù)曲線(xiàn)

2.SF6混合氣體的原理及優(yōu)缺點(diǎn)。

根據(jù)道爾頓分壓定律，任何容器內(nèi)的氣體混合物中，如果各組分之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，則每一種氣體都均勻地分布在整個(gè)容器內(nèi)，它所產(chǎn)生的壓強(qiáng)和它單獨(dú)占有整個(gè)容器時(shí)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)相同。混合氣體的總壓力等于其中各組分的分壓力之和。SF6混合氣體的總壓力等于SF6氣體分壓力和另一組分氣體的分壓力之和，即P總=P1+P2 。公式中：P1-SF6 氣體分壓力，MPa； P2-另一組分氣體分壓力，MPa； P總-氣體總壓力，MPa 。但是，斷路器氣室中SF6氣體性質(zhì)，仍舊為P1下的性質(zhì)。若改為混合氣體后當(dāng)總壓力為0.7MPa時(shí)，SF6氣體按比例為0.27MPa 。由實(shí)際工程中應(yīng)用的SF6氣體狀態(tài)參數(shù)曲線(xiàn)圖可知，此時(shí)的SF6氣體液化溫度將會(huì)低于-50℃，足夠滿(mǎn)足超低溫地區(qū)的日常使用。

三、常用的SF6混合氣體種類(lèi)及差別

SF6混合氣體選擇的目的是在低溫環(huán)境中能夠保證斷路器正常運(yùn)行和完成開(kāi)斷電弧的操作。所以SF6混合氣體必須具有較低的液化溫度、較高的介電強(qiáng)度和較好的化學(xué)穩(wěn)定性。液化溫度低才能保證在工作環(huán)境的溫度和氣壓下，氣體介質(zhì)不液化；介電強(qiáng)度高則可以確保斷路器斷口能夠承受長(zhǎng)期運(yùn)行的額定電壓和暫態(tài)過(guò)電壓；化學(xué)穩(wěn)定性好則不會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境造成腐蝕或污染。同時(shí)，作為滅弧介質(zhì)，SF6混合氣體該具有良好的熱物理和熱化學(xué)性質(zhì)。應(yīng)該具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)、定壓比熱、絕熱系數(shù)、電導(dǎo)率、以及高溫電弧產(chǎn)物無(wú)毒或毒性較低，電弧產(chǎn)物不污染或腐蝕滅弧室。在開(kāi)斷能力方面應(yīng)該接近SF6氣體。最后，經(jīng)濟(jì)性上應(yīng)較為便宜。雖然現(xiàn)階段對(duì)于多種氣體均有研究，但是常見(jiàn)的備選氣體主要如下： N2、CF4、CO2和空氣等。

對(duì)于上述氣體科研人員前期已進(jìn)行了大量研究，初期較為偏向使用N2氣體，但是在后期發(fā)現(xiàn)CF4氣體與其他氣體相比絕緣性能更為優(yōu)良，液化點(diǎn)較低的性能差別不大。同時(shí)CF4氣體密度大于N2和CO2具有更好的散熱效果，故而現(xiàn)階段廠(chǎng)家多推薦使用SF6 /CF4 混合氣體。

SF6/CF4混合氣體的壓力較低時(shí)，采用Antoine蒸汽壓方程和氣液平衡基本定律進(jìn)行計(jì)算，如下所示

ln[pOA/（105pa）]A1-B1/[（T/K）+C1] 式（1）

ln[pOB/（105pa）]A2-B2/[（T/K）+C2] 式（2）

pOAx=py 式（3）

pOB（1-x）=p（1-y） 式（4）

式中：pOA為組分1的飽和蒸汽壓；pOB為組分2的飽和蒸汽壓；p為混合氣體的飽和蒸汽壓；T為混合氣體的液化點(diǎn)；A1，B1，C1 為組分1的Antoine常數(shù)；A2，B2，C2為組分2的Antoine常數(shù)；x，y為氣液平衡時(shí)組分1的液相、汽相摩爾比列。有式（1-4）推導(dǎo)出：

pyexp{B1/[（T/K）+C1]-A1}+p（1-y）exp{B2/[（T/K）+C2]-A2}=1式（5）

設(shè)充入斷路器的混合氣體的初始?jí)毫蜏囟确謩e為 ，在低壓下近似按理想氣體普適方程得到：

p0/T0=p/T 式（6）

由式（5）和（6）聯(lián)立迭代即可求得混合氣體的飽和蒸汽壓和液化點(diǎn)。針對(duì)0.22MPa和0.5MPa壓力下的不同氣體進(jìn)行計(jì)算液化點(diǎn)如下表。

由表中數(shù)據(jù)可以看出SF6/CF4混合氣體對(duì)于解決低溫液化問(wèn)題效果良好。由于混合氣體的絕緣性能和滅弧能力比不上純 SF6氣體，因此充混合氣體的電氣設(shè)備的工作氣壓，按經(jīng)驗(yàn)需要再提高0.1MPa，但此時(shí)SF6氣體分壓比純SF6氣體時(shí)的工作氣壓低得多，所以不會(huì)出現(xiàn)液化間題，即采用混合氣體可以使液化溫度明顯降低。

四、工程應(yīng)用中的問(wèn)題及注意事項(xiàng)

1.SF6/CF4混合氣體的充氣、補(bǔ)氣與回收。

（1）新投運(yùn)斷路器混合氣體的充氣。SF6/CF4混合氣體的混合問(wèn)題，根據(jù)道爾頓分壓定律可知，沒(méi)有必要先將兩種滅弧介質(zhì)成分混合后再充入開(kāi)關(guān)設(shè)備中。所以現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)先充入SF6氣體至其分壓力的規(guī)定值，然后再充入CF4氣體至混合氣體的最終壓力值。例如：某SF6：CF4=45：55混合氣體斷路器的額定壓力為0.6MPa，則可先向斷路器充入SF6氣體至0.27MPa.然后再充入CF4 氣體至0.6MPa。由于氣體的擴(kuò)散和對(duì)流作用，甚至在設(shè)備長(zhǎng)期投運(yùn)的情況下，氣體的混合仍保持得很均勻。

對(duì)純SF6斷路器進(jìn)行技術(shù)改造時(shí)，可在停電狀態(tài)下使用回收裝置將斷路器內(nèi)SF6氣體壓力抽至額定分壓力后，再?zèng)_入CF4直至額定壓力。

（2）在運(yùn)的SF6 /CF4混合氣體斷路器的補(bǔ)氣。若斷路器存在大量的滲漏時(shí)，需要先對(duì)斷路器進(jìn)行停電檢修。此時(shí)斷路器內(nèi)部氣體已完成回收，檢修后可按照4.1.1方法處理。

對(duì)于斷路器輕微滲漏后經(jīng)處理后可直接補(bǔ)氣工作，不建議直接補(bǔ)充固定比例的混合氣體。應(yīng)先使用專(zhuān)門(mén)定制的 組分測(cè)試儀進(jìn)行組分測(cè)試以確定氣體組分，然后根據(jù)當(dāng)前壓力值計(jì)算斷路器內(nèi)部 和 氣體的質(zhì)量m1。同時(shí)計(jì)算出額定壓力下兩主要?dú)怏w成分的重量m2。最后在現(xiàn)場(chǎng)使用精密的計(jì)重工具，按照下述公式?jīng)_入固定量的混合氣體△m。需充入氣體質(zhì)量為△m=m2-m1。

（3）SF6/CF4混合氣體的回收。SF6/CF4混合氣體介質(zhì)斷路器中的氣體在檢修時(shí)很難做到混合氣體單一組分的分離，故很難回收再利用。另外SF6是非常強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)氣體，不能直接排放入大氣中。現(xiàn)階段檢修時(shí)應(yīng)使用SF6回收狀置回收斷路器內(nèi)全部氣體至氣瓶?jī)?nèi)作為廢氣，并交由專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)處理。

2.SF6/CF4混合氣體的密度繼電器動(dòng)作值整定與檢漏問(wèn)題。

SF6/CF4混合氣體斷路器中仍舊可以使用普通的SF6密度繼電器在監(jiān)測(cè)內(nèi)部氣體壓力，同時(shí)溫度補(bǔ)償功能不受影響。在斷路器交接或大修試驗(yàn)中，密度繼電器必須進(jìn)行動(dòng)作值整定，由于SF6混合氣體的電氣特性與相同壓力的純SF6氣體不相同，可根據(jù)具體制造廠(chǎng)家提供的值進(jìn)行整定?，F(xiàn)有純SF6氣體斷路器改充SF6混合氣體前，應(yīng)由制造廠(chǎng)家提供型式試驗(yàn)報(bào)告和新的整定值。當(dāng)然，現(xiàn)階段國(guó)外已有針對(duì)SF6/CF4混合氣體的專(zhuān)用密度繼電器，新投運(yùn)設(shè)備時(shí)可直接采購(gòu)。

SF6/CF4混合氣體斷路器若發(fā)生壓力不正常下降，需要檢漏時(shí).檢漏的方法仍然可分為定性和定量?jī)煞N方法。泄漏點(diǎn)的定性查找，目前一般使用比較先進(jìn)的紅外檢測(cè)裝置。由于紅外檢漏自身的原理與 氣體含量沒(méi)有關(guān)系，所以檢測(cè)方法與純SF6氣體時(shí)一樣。SF6/CF4混合氣體泄漏的定量測(cè)試仍可以用掛瓶撿漏法、局部包扎法或者整機(jī)扣罩法。必須注意的時(shí)原有的檢漏儀只能探測(cè)到 氣體的體積濃度K，所以漏氣率計(jì)算公式時(shí)，必須在K之前乘以系數(shù)A=1/SF6。系數(shù) 1/1/SF6 占混合氣體的百分比。

3.SF6/CF4混合氣體的微水量標(biāo)準(zhǔn)要求與測(cè)試問(wèn)題。

SF6/CF4混合氣體斷路器中氣體的水分仍舊會(huì)在滅弧過(guò)程中生成氫氟酸，并也會(huì)影響絕緣性能，所以微水量仍是一個(gè)重要的指標(biāo)。根據(jù)道爾頓分壓定律，處于擴(kuò)散平衡的混合氣體中，每一種氣體成分均是按它單獨(dú)存在時(shí)那樣分布的。因此，氣體中水蒸氣在什么條件下凝結(jié)成露或冰。只取決于氣體中水蒸氣分壓力和密度在什么溫度下達(dá)到它的飽和值，而與同一空間中是否存在其他物質(zhì)無(wú)關(guān)。所以，對(duì)于SF6/CF4混合氣體斷路器的微水量仍應(yīng)當(dāng)采用純SF6氣體斷路器的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：運(yùn)行中為300ppm，而交接為其一半150ppm。

關(guān)于微水量的檢測(cè)方法應(yīng)與純SF6氣體斷路器的一樣。采用電解法和露點(diǎn)法等測(cè)量，使用原有儀器即可。

4.斷路器機(jī)械特性的變化。

SF6/CF4混合氣體斷路器的滅弧室結(jié)構(gòu)與純SF6氣體斷路器的一樣由瓷套、靜弧觸頭座裝配、噴管、壓氣缸、動(dòng)弧觸頭等部件組成。但是由于在SF6/CF4混合氣體中的電弧直徑要大于純SF6氣體中的電弧，SF6/CF4混合氣體介質(zhì)的滅弧能力比純SF6氣體介質(zhì)有所降低。所以，新制造的斷路器拉伐爾噴管的喉部直徑、噴口上游區(qū)的長(zhǎng)度、噴口下游擴(kuò)張角以及壓氣室活塞的面積等都要有所改變。因此在斷路器機(jī)械特性的測(cè)試、調(diào)整時(shí)，一定要按照廠(chǎng)家說(shuō)明書(shū)要求來(lái)調(diào)整好行程、超程、分合閘速度等。

對(duì)于原純SF6介質(zhì)的斷路器在調(diào)整時(shí)，一定要根據(jù)廠(chǎng)家給出的新數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)斷路器的分閘時(shí)間、分、合閘速度均會(huì)有一定變化。同時(shí)，在斷路器滅弧室中最容易被電弧燒損的部件是噴口，所以在斷路器解體大修時(shí)，可以對(duì)技術(shù)改造的斷路器更換新的適應(yīng)SF6/CF4混合氣體噴口，以提高設(shè)備可靠性。

5.原純SF6介質(zhì)斷路器技術(shù)改造的一些急需解決的問(wèn)題。

對(duì)于無(wú)條件進(jìn)行更換的原純SF6介質(zhì)斷路器，低溫液化問(wèn)題可采用更換混合氣體的方式進(jìn)行解決，但廠(chǎng)家必須提供具有國(guó)家相關(guān)部門(mén)認(rèn)可資質(zhì)單位出具的全套型式試驗(yàn)報(bào)告，相關(guān)型式試驗(yàn)報(bào)告上報(bào)網(wǎng)省公司一級(jí)運(yùn)維檢修部審查通過(guò)后，方可實(shí)施，并補(bǔ)充建立完善檢修、試驗(yàn)等相應(yīng)規(guī)程規(guī)范。

另外，現(xiàn)階段SF6/CF4混合氣體在國(guó)內(nèi)、外雖然已有較多得運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，但是，我國(guó)仍未有相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。電網(wǎng)運(yùn)行單位應(yīng)密切關(guān)注國(guó)家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的變化，以調(diào)整自身運(yùn)維設(shè)備。

五、結(jié)束語(yǔ)

采用SF6/CF4混合氣體作為斷路器的滅弧、絕緣介質(zhì)，在A(yíng)BB、西門(mén)子等國(guó)外電氣公司與西開(kāi)、平高等國(guó)內(nèi)公司已經(jīng)獲得應(yīng)用，并取得了多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。該技術(shù)對(duì)于解決 液化問(wèn)題有很好的效果，但是其在我國(guó)應(yīng)用并不廣泛。SF6/CF4混合氣體介質(zhì)斷路器的檢修工作經(jīng)驗(yàn)比較薄弱，因此，本文就混合氣體斷路器的特點(diǎn)和檢修進(jìn)行了分析和補(bǔ)充。

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