馬鳳翔， 朱 峰， 袁小芳， 蘇鎮(zhèn)西， 季嚴(yán)松， 程 鵬

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 安徽 合肥 230022； 2.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司, 北京 100192)

0 引言

六氟化硫(SF6)氣體因其具有優(yōu)異的絕緣和滅弧性能，被廣泛地應(yīng)用于電氣設(shè)備中，但SF6氣體溫室效應(yīng)是CO2的23 900多倍，在空氣中能夠穩(wěn)定存在3 200多年，是《京都議定書(shū)》禁止排放的6種溫室氣體之一。為了應(yīng)對(duì)全球氣候變化，減少SF6氣體溫室氣體用量，國(guó)內(nèi)外都開(kāi)始嘗試使用混合絕緣氣體替代純SF6絕緣氣體[1-5]。2001年，瑞士日內(nèi)瓦建成了世界上第一條SF6/N2混合絕緣氣體絕緣金屬封閉輸電線(xiàn)路(GIL)，2005年，泰國(guó)賽諾GIL工程中又將SF6/N2混合絕緣氣體GIL的電壓等級(jí)首次拓展到550 kV[6-10]。我國(guó)是世界上開(kāi)展SF6混合氣體絕緣特性研究較早的國(guó)家之一，20世紀(jì)90年代初，我國(guó)北方就開(kāi)始使用SF6/CF4混合氣體斷路器，但從產(chǎn)品和應(yīng)用上來(lái)看，長(zhǎng)期以來(lái)一直沒(méi)有形成規(guī)模[11-15]。近年來(lái)，國(guó)家電網(wǎng)公司為適應(yīng)國(guó)際環(huán)保要求，履行社會(huì)責(zé)任，計(jì)劃在GIS母線(xiàn)、GIL等非滅弧氣室推廣SF6/N2(30%SF6/70%N2)混合氣體，從而顯著降低SF6使用量，減少溫室氣體的危害，同時(shí)節(jié)約設(shè)備生產(chǎn)成本，為國(guó)家節(jié)能減排、低碳發(fā)展做出積極貢獻(xiàn)。

目前，推進(jìn)混合氣體絕緣設(shè)備的應(yīng)用已成為電力行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。但現(xiàn)有的SF6混合絕緣氣體檢測(cè)技術(shù)和運(yùn)維方法仍然缺乏，在用SF6混合絕緣氣體替代純SF6氣體的過(guò)程中存在諸多問(wèn)題[16]。混合絕緣氣體充、補(bǔ)氣是混合氣體絕緣設(shè)備應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)?；旌蠚怏w絕緣設(shè)備具有額定的混氣比例，充補(bǔ)氣方法不當(dāng)會(huì)造成混氣比例偏差，如果設(shè)備中SF6氣體比例偏小，則會(huì)影響電氣絕緣水平，危及設(shè)備電網(wǎng)安全；而如果SF6氣體比例偏大，則又違背減少SF6使用量的初衷，影響設(shè)備的檢測(cè)與管理。因此亟需開(kāi)展混合絕緣氣體快速充、補(bǔ)氣技術(shù)的研究。

1 混合絕緣氣體充、補(bǔ)氣技術(shù)存在的問(wèn)題

在我國(guó)混合氣體絕緣設(shè)備目前應(yīng)用仍然較少，現(xiàn)場(chǎng)還不具備成熟的充補(bǔ)氣技術(shù)和裝備。運(yùn)維人員往往通過(guò)分壓原理對(duì)設(shè)備進(jìn)行充氣、補(bǔ)氣，即按照分壓力先充入一定分壓的氣體，再充入一定分壓的另一種氣體。由于氣體遵循道爾頓(Dalton)分壓定律，混合氣體的體積比與壓力比一致，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種絕緣氣體充氣量和混合比的控制。但該方法混氣準(zhǔn)確度較低，且充氣過(guò)程需要分兩步操作完成，充氣操作過(guò)程復(fù)雜，還可能造成充氣結(jié)果的誤差和氣體浪費(fèi)。為了解當(dāng)前混合氣體絕緣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)我國(guó)北方高寒地區(qū)的52臺(tái)SF6/CF4混合氣體開(kāi)關(guān)進(jìn)行了普查。在普查中發(fā)現(xiàn)這些混合氣體開(kāi)關(guān)設(shè)備中的氣體混氣比與設(shè)備額定值大多存在一定的偏差，甚至有部分設(shè)備偏差較大，圖1為部分設(shè)備中SF6體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)值與設(shè)備額定值對(duì)比圖。從數(shù)據(jù)對(duì)比中可以看到已有開(kāi)關(guān)設(shè)備SF6含量高達(dá)80%，而另有開(kāi)關(guān)中SF6含量?jī)H為24.2%(設(shè)備額定比例SF6/CF4為52%/48%)。

圖1 混合氣體開(kāi)關(guān)設(shè)備中SF6組分含量的普查數(shù)據(jù)

混合氣體絕緣設(shè)備內(nèi)部混氣比例偏差的原因可能源于兩個(gè)方面：(1)混合氣體現(xiàn)場(chǎng)充氣方法落后，目前混合氣體設(shè)備充裝時(shí)主要采用分壓充氣法，該方法難以精確控制充氣量，操作誤差大。(2)混合氣體現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)氣措施不當(dāng)，設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)不可避免的滲漏或者泄漏，為保證斷路器絕緣和滅弧性能必須對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)氣操作，現(xiàn)場(chǎng)往往因沒(méi)有CF4的純氣，而單單充入SF6氣體進(jìn)行補(bǔ)氣，使得多數(shù)SF6含量的檢測(cè)數(shù)據(jù)偏大。從現(xiàn)場(chǎng)普查結(jié)果可見(jiàn)，混合氣體絕緣設(shè)備充氣、補(bǔ)氣環(huán)節(jié)還存在較多問(wèn)題，分壓充氣方法不能滿(mǎn)足混合氣體絕緣設(shè)備快速精確充、補(bǔ)氣地要求。

2 混合絕緣氣體快速充、補(bǔ)氣技術(shù)開(kāi)發(fā)

分析當(dāng)前混合氣體充補(bǔ)氣存在的問(wèn)題，以SF6氣體充裝技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合混合氣體中SF6和N2(或CF4)氣體的混氣配比的生產(chǎn)實(shí)際要求，研究以動(dòng)態(tài)配氣原理為基礎(chǔ)的SF6、N2等組分精確加壓配氣技術(shù)，研制加壓配氣充補(bǔ)氣裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同氣體組分、混合比例、額定壓力的混合氣體絕緣設(shè)備精確充氣、補(bǔ)氣。

2.1 混合氣體動(dòng)態(tài)配氣原理

動(dòng)態(tài)配氣技術(shù)的工作原理為質(zhì)量流量混合法，采用高精度的質(zhì)量流量控制器(MFC)，按照所需的氣體混合比例，嚴(yán)格控制SF6氣體和N2等氣體的質(zhì)量流量，并加以混合而制得滿(mǎn)足SF6電氣設(shè)備補(bǔ)氣要求的SF6/N2混合絕緣氣體。

動(dòng)態(tài)配氣技術(shù)與傳統(tǒng)分壓充氣方法相比具有顯著的優(yōu)勢(shì)：(1)質(zhì)量流量控制器控制的是氣體實(shí)際的質(zhì)量流量，而不是體積流量，因此，配制的標(biāo)準(zhǔn)氣濃度不受環(huán)境溫度和壓力變化的影響。(2)質(zhì)量流量控制器準(zhǔn)確度小于1%，因而該方法精度高，配氣混合比例誤差小。(3)動(dòng)態(tài)配氣技術(shù)能夠連續(xù)快速配制出不同組分含量的混合絕緣氣體，且配氣比例動(dòng)態(tài)可調(diào)，滿(mǎn)足不同混合氣體絕緣設(shè)備的應(yīng)用需求。

2.2 混合氣體充氣、補(bǔ)氣裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)混合氣體動(dòng)態(tài)配氣基本原理提出混合氣體充氣、補(bǔ)氣裝置的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)包括蒸發(fā)氣化模塊、動(dòng)態(tài)配氣模塊、穩(wěn)壓控制模塊、增壓補(bǔ)氣模塊、抽真空模塊等。

圖2 混合氣體充氣、補(bǔ)氣裝置設(shè)計(jì)方案

2.2.1 蒸發(fā)氣化模塊

氣瓶中的SF6為液態(tài)存儲(chǔ)，而配氣系統(tǒng)要求進(jìn)入質(zhì)量流量控制器的組分為氣態(tài)形式，因此需要對(duì)氣瓶中流出的SF6進(jìn)行氣化處理。SF6液體氣化時(shí)大量吸熱而引起氣瓶和管路中的液體固化，影響配氣充補(bǔ)氣過(guò)程的順利進(jìn)行。根據(jù)SF6快速充補(bǔ)氣經(jīng)驗(yàn)，在SF6氣路中增加蒸發(fā)氣化模塊，利用蒸發(fā)器增加換熱面積，對(duì)氣瓶中流出SF6進(jìn)行充分吸熱氣化，該模式換熱效率高，氣化速度快，可有效提高現(xiàn)場(chǎng)工作速度。

2.2.2 動(dòng)態(tài)配氣模塊

動(dòng)態(tài)配氣模塊選擇質(zhì)量流量控制器作為氣體混合的關(guān)鍵部件，質(zhì)量流量控制器的性能決定了混合氣體配制的精度和流量。動(dòng)態(tài)配氣模塊具備以下功能特點(diǎn)：氣體混合流速、時(shí)間計(jì)錄，以準(zhǔn)確計(jì)量已配氣體；氣體混合比例范圍0%～100%可調(diào)，以滿(mǎn)足不同用電設(shè)備實(shí)際需要；配氣流速的設(shè)置，根據(jù)應(yīng)用需求選擇不同的充氣、補(bǔ)氣流量。

2.2.3 穩(wěn)壓控制模塊

動(dòng)態(tài)配氣技術(shù)采用質(zhì)量流量控制器控制各支路的氣體流量，但質(zhì)量流量控制器后端是不能背壓的，因此應(yīng)設(shè)計(jì)氣體增壓緩沖控制系統(tǒng)，在質(zhì)量流量控制器和增壓部件之間增設(shè)緩沖罐，并設(shè)計(jì)了反饋調(diào)節(jié)控制方法對(duì)緩沖罐壓力進(jìn)行控制，避免流量控制器后置壓力過(guò)高影響配氣結(jié)果。

2.2.4 增壓充、補(bǔ)氣模塊

混合氣體絕緣設(shè)備為保障設(shè)備絕緣水平，通常需要在設(shè)備中充裝一定壓力的氣體，裝置利用壓縮機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)氣體增壓。為保證充補(bǔ)氣過(guò)程的穩(wěn)定連續(xù)，在裝置中設(shè)置高壓緩沖罐，將配制的混合氣體不斷增壓至設(shè)定壓力儲(chǔ)存在緩沖罐中，再對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行充、補(bǔ)氣。該裝置充補(bǔ)氣壓力可達(dá)2 MPa，滿(mǎn)足不同混合氣體絕緣設(shè)備的充裝要求。

圖3 混合氣體充氣、補(bǔ)氣裝置

2.2.5 抽真空模塊

充補(bǔ)氣裝置內(nèi)管路和緩沖罐存在死體積，為避免配氣過(guò)程中充補(bǔ)氣裝置中的空氣和濕度影響混合氣體的純度和濕度，在裝置中設(shè)計(jì)抽真空系統(tǒng)。采用雙級(jí)旋片式真空泵，進(jìn)行快速抽真空，并設(shè)有防止返回油裝置?，F(xiàn)場(chǎng)配氣之前，先打開(kāi)真空系統(tǒng)，通過(guò)真空泵把裝置中的空氣及濕氣抽除，再啟動(dòng)配氣充氣單元，保證配制氣體的純度和混合比例的精確度。裝置極限真空度可達(dá)10 Pa。

依據(jù)各模塊設(shè)計(jì)原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)、電路和外觀設(shè)計(jì)，研制混合絕緣氣體充補(bǔ)氣裝置(如圖3)。

2.3 混合氣體充補(bǔ)氣裝置性能測(cè)試

2.3.1 配氣比例精確度試驗(yàn)

配氣比例精確度是衡量混合氣體充補(bǔ)氣裝置的重要指標(biāo)。根據(jù)設(shè)備充裝、補(bǔ)氣不同的應(yīng)用需求，將配氣總流量設(shè)置為大流量150 L/min和小流量50 L/min兩個(gè)試驗(yàn)條件，分別設(shè)置不同配氣比例，對(duì)配氣結(jié)果進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)選用混合氣體純度儀(RA912F)對(duì)設(shè)備出口氣體濃度進(jìn)行分析，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。經(jīng)測(cè)試，通過(guò)充補(bǔ)氣裝置配制的混合氣體中SF6體積分?jǐn)?shù)與設(shè)定值間的偏差都小于1%。

表1 混合氣體充氣試驗(yàn)數(shù)據(jù)(表中數(shù)據(jù)均為體積分?jǐn)?shù))

2.3.2 混合氣體最大流量試驗(yàn)

混合氣體絕緣設(shè)備進(jìn)行充裝時(shí)，為縮短現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)間，往往要求裝置具有足夠大的配氣充氣流量。試驗(yàn)中對(duì)充補(bǔ)氣裝置設(shè)置最大流量進(jìn)行工作，充入容積為1 m3、初壓低于133 Pa的容器至0.5 MPa壓力(表壓)，記錄充氣時(shí)間，考察裝置的充裝性能，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，可獲得充補(bǔ)氣裝置最大流量曲線(xiàn)(見(jiàn)圖4)。

表2 混合氣體(SF6/N2)最大流量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 混合絕緣氣體充補(bǔ)氣裝置最大工作流量曲線(xiàn)

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到，純N2充氣時(shí)氣體流量為303 L/min，純SF6氣體充氣流量約為79 L/min，SF6體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)有最大的充氣流量約為359 L/min。本裝置選用的兩路質(zhì)量流量控制器最大流量均為300 L/min，質(zhì)量流量控制器出廠時(shí)一般都使用N2進(jìn)行標(biāo)定，因而在純N2充氣時(shí)最大流量為300 L/min。而在使用其他氣體時(shí)，氣體體積流量要乘上該氣體對(duì)應(yīng)的質(zhì)量流量轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償修正。SF6氣體的質(zhì)量流量轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.264，因而純SF6氣體的最大充氣流量為79 L/min。當(dāng)SF6體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，N2端最大流量輸出，SF6端輸出60 L/min，總氣體流量約為360 L/min；SF6體積分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，SF6端最大流量80 L/min輸出，N2端輸出約186 L/min，總氣體流量約為266 L/min；當(dāng)SF6體積分?jǐn)?shù)大于30%時(shí)，SF6端都以最大流量輸出，N2端輸出量逐漸減小，因而總氣體流量隨之減小。由此可見(jiàn)，SF6輸出流量是限制混合氣體充氣速度的關(guān)鍵因素。裝置優(yōu)化時(shí)可以通過(guò)兩個(gè)質(zhì)量流量控制器并聯(lián)使用的方法，提高SF6輸出流量，以獲得更大的混合氣體充氣速度。

目前電力行業(yè)計(jì)劃在GIS母線(xiàn)、GIL等非滅弧氣室推廣使用SF6/N2(30%/70%)混合絕緣氣體，該比例下充補(bǔ)氣裝置的最大輸出流量為267 L/min(即16 m3/h)。如某特高壓GIS母線(xiàn)氣室大小約為10 m3，充裝混合氣體壓力0.7 MPa(表壓)，則充裝該氣室需要混合氣體總體積為80 m3，使用充補(bǔ)氣裝置5h內(nèi)可充裝完成，整個(gè)充氣環(huán)節(jié)也能夠控制在一個(gè)工作日以?xún)?nèi)。

裝置性能測(cè)試結(jié)果表明，該裝置能配氣準(zhǔn)確可靠、性能穩(wěn)定、最大充氣量可達(dá)16 m3/h(30%SF6/70%N2)，能夠滿(mǎn)足目前電氣設(shè)備快速充、補(bǔ)氣的要求。

3 混合絕緣氣體現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)氣方法

混合絕緣氣體設(shè)備在投運(yùn)過(guò)程中，由于充補(bǔ)氣環(huán)節(jié)操作不當(dāng)?shù)纫蛩兀赡茉斐稍O(shè)備中氣體混合比例與額定混合比例存在一定偏差。對(duì)于混合氣體絕緣設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)氣工作，不能機(jī)械式的按照設(shè)備額定比例進(jìn)行補(bǔ)氣，更不能為操作便利僅補(bǔ)充單一組分氣體(如現(xiàn)場(chǎng)常常只補(bǔ)SF6氣體)?；旌蠚怏w設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)氣前，首先應(yīng)對(duì)設(shè)備內(nèi)的氣體進(jìn)行檢測(cè)，獲得氣體混合比例cSF6、cN2與氣體壓力P。然后查看設(shè)備銘牌，確定設(shè)備容積V設(shè)備、額定壓力P額定、氣體額定混合比例cSF6,額定、cN2,額定。根據(jù)公式1、2計(jì)算出設(shè)備內(nèi)SF6和N2的氣體體積VSF6、VN2(轉(zhuǎn)換到常壓下)，根據(jù)公式(3)、(4)則可獲得設(shè)備額定需要SF6和N2的氣體體積VSF6，額定、VN2，額定(常壓下)。通過(guò)兩者比較就能夠確定本次需要補(bǔ)充的各組分體積以及混合比例(公式5)。該計(jì)算方法集成在混合氣體充補(bǔ)氣裝置中，在設(shè)備需要補(bǔ)氣時(shí)，只要輸入設(shè)備相關(guān)參數(shù)即可自動(dòng)確定補(bǔ)氣比例。對(duì)于混合比例偏差不大的設(shè)備，通過(guò)補(bǔ)充氣體即可進(jìn)行調(diào)整。如果混合比例偏差較大，單次補(bǔ)氣或多次補(bǔ)氣都難以實(shí)現(xiàn)調(diào)整，則需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行回收后重新按比例充氣，避免影響設(shè)備安全運(yùn)行。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

4 總結(jié)

混合氣體絕緣設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀表明當(dāng)前混合氣體充氣、補(bǔ)氣技術(shù)仍然落后，難以滿(mǎn)足設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)快速精確充氣、補(bǔ)氣的需求。為此本文結(jié)合SF6氣體現(xiàn)場(chǎng)充、補(bǔ)氣技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，提出以動(dòng)態(tài)配氣原理為基礎(chǔ)的SF6、N2等組分精確加壓配氣技術(shù)方案，研制新型混合氣體加壓配氣補(bǔ)氣裝置。同時(shí)提出混合絕緣氣體現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)氣比例的計(jì)算公式，可根據(jù)混合氣體絕緣設(shè)備實(shí)際比例，制定合適的補(bǔ)氣方案。

混合絕緣氣體充補(bǔ)氣裝置經(jīng)測(cè)試具有以下功能：(1)能夠?qū)崿F(xiàn)SF6氣體與N2等兩組分混合絕緣氣體的現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)精確配制，氣體混合比例范圍0%～100%可調(diào)，配氣誤差小于1%；(2)最大充氣流量可達(dá)16 m3/h(30%SF6/70%N2)，能夠滿(mǎn)足不同電氣設(shè)備快速充氣的要求；(3)裝置集成補(bǔ)氣濃度計(jì)算公式，按照設(shè)備實(shí)際比例與運(yùn)行參數(shù)，自動(dòng)計(jì)算氣體濃度，滿(mǎn)足混合絕緣氣體設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)氣需求。