房 超， 劉 偉

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 安徽 合肥 230022； 2.安徽新力電業(yè)科技咨詢有限責(zé)任公司， 安徽 合肥 230022)

0 引言

SF6是一種無色無味的惰性氣體，具有良好的電氣絕緣性能及優(yōu)異的滅弧性能。其耐電強(qiáng)度為同一壓力下氮?dú)獾?.5倍，擊穿電壓是空氣的2.5倍，滅弧能力是空氣的100倍，是一種優(yōu)于空氣和油之間的新一代超高壓絕緣介質(zhì)材料。因此SF6氣體被廣泛地應(yīng)用于電氣設(shè)備，起到絕緣和滅弧作用；SF6氣體主要用于SF6斷路器及GIS(SF6封閉式組合電器)、SF6負(fù)荷開關(guān)設(shè)備、SF6絕緣輸電管線、SF6變壓器及SF6絕緣變電站。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年生產(chǎn)的SF6氣體超過80%用于電力行業(yè)，截至2016年國網(wǎng)公司在役SF6氣體超過一萬多噸。隨著我國電力行業(yè)的快速發(fā)展，電氣設(shè)備電壓等級不斷提高，SF6氣體的用量越來越大。蘇通GIL綜合管廊工程使用SF6氣體60多噸，單個特高壓變電站使用SF6氣體超過120噸。目前，國網(wǎng)公司已建特高壓變電站50多座，SF6氣體用量巨大。

SF6氣體雖然具有如此多的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備中，但是同樣存在著很多缺點(diǎn)。SF6氣體在高溫高壓的氣室中含有少量的水蒸汽，遇設(shè)備正常動作而產(chǎn)生電弧或異常局部放電時SF6氣體會分解，其分解產(chǎn)物(HF和SO2、SOF2、SOF4、SO2F4等)中有劇毒和強(qiáng)腐蝕性物質(zhì)，這些物質(zhì)會腐蝕設(shè)備內(nèi)部金屬元件，進(jìn)而會造成設(shè)備的故障。從醫(yī)學(xué)的角度來講，SF6的各種分解物及生成物對人體同樣具有危害，其影響程度不僅取決于其毒性的大小，還與吸入到人體內(nèi)的量的大小和每個人的身體素質(zhì)有關(guān)。

隨著世界范圍內(nèi)對環(huán)境保護(hù)要求的提高，電力行業(yè)的碳排放量也受到了嚴(yán)格的限制。1997年，《京都議定書》將SF6氣體列為限制排放的六種溫室氣體之一，并要求發(fā)達(dá)國家首先將溫室氣體的排放量凍結(jié)在20世紀(jì)90年代的水平，其中受影響較大的就包括在電力行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的SF6氣體。因此，在廣泛應(yīng)用SF6氣體的同時，需要對其進(jìn)行控制，禁止隨意排放。目前在電力行業(yè)中SF6氣體被納入系統(tǒng)管理。當(dāng)電氣設(shè)備中SF6氣體質(zhì)量達(dá)不到設(shè)備使用要求時，需要專業(yè)人員對其進(jìn)行回收再處理，使其變成合格的SF6氣體，重新進(jìn)行使用。這樣不僅很大程度上節(jié)約了氣體使用的成本，同時避免對人體、環(huán)境、設(shè)備等造成損壞。

國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院六氟化硫氣體特性分析與凈化處理技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(以下簡稱安徽電科院六氟化硫?qū)嶒?yàn)室)作為國網(wǎng)公司唯一一個從事SF6氣體特性分析與凈化處理技術(shù)研究的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，SF6相關(guān)專業(yè)工作在全國處于領(lǐng)先水平，致力于采用新技術(shù)、新設(shè)備、新手段和新成果對SF6氣體質(zhì)量全過程監(jiān)控，開展了大量的研究工作，本文從SF6氣體檢測、回收、凈化處理三個方面對相關(guān)工作展開介紹。

1 SF6 氣體檢測技術(shù)

目前，SF6氣體生產(chǎn)方法主要是采用單質(zhì)硫磺與過量氣態(tài)氟直接化合反應(yīng)而成，即S+3F2→SF6+Q(放出熱量)。在合成的粗品中含有多種雜質(zhì)，其雜質(zhì)的組成和含量因原材料的純度、生產(chǎn)設(shè)備的材質(zhì)、工藝條件等因素的影響而有很大差異，雜質(zhì)總含量可達(dá)5%，其組成有硫氟化合物，如S2F2、SF2、SF4等，有硫氟氧化合物，如SOF2、SO2F2、SOF4、S2F10O等以及原料中帶入的雜質(zhì)如HF、OF2、CF4、N2、O2等。為了把SF6使用到高壓電氣設(shè)備中，需要凈化粗品中的雜質(zhì)，合成后的SF6氣體還需要經(jīng)過水洗、堿洗、熱解(去除劇毒的十氟化物)、干燥、吸附、冷凍、蒸餾提純等一系列凈化處理過程才能得到純度在99.9%以上的產(chǎn)品。然后再用壓縮機(jī)加壓，充入降溫至-80 ℃左右的鋼瓶中，以液態(tài)形式存在。

隨著電力設(shè)備電壓等級的提高，對SF6氣體質(zhì)量的要求也不斷提高，SF6氣體質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)見表1。最新版GB12022《工業(yè)六氟化硫》[1-3]的幾次修訂，對SF6氣體的質(zhì)量指標(biāo)要求逐漸提高。

表1 標(biāo)準(zhǔn)GB12022《工業(yè)六氟化硫》對SF6 氣體質(zhì)量要求

從表1中可以看出，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12022-2014相較于之前的幾個版本，各項(xiàng)指標(biāo)逐漸嚴(yán)格，其中SF6氣體純度要求提高，增加了SF6氣體中六氟乙烷、八氟丙烷最大含量的限制。目前電力行業(yè)已有標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1366-2014《電力設(shè)備用六氟化硫氣體》，用以規(guī)范電力設(shè)備用新SF6氣體的技術(shù)要求、檢驗(yàn)規(guī)則、運(yùn)輸和貯存等，對SF6質(zhì)量要求與GB/T 12022-2014相同。對于SF6氣體新氣入網(wǎng)，需要抽樣，開展SF6氣體全項(xiàng)目分析檢測，取得檢測報(bào)告后，方可使用。

2 SF6 氣體的檢測

SF6氣體質(zhì)量決定其絕緣滅弧性能，因此SF6氣體的質(zhì)量檢測非常重要。隨著電力行業(yè)的迅速發(fā)展，SF6氣體絕緣設(shè)備增多，對SF6氣 體質(zhì)量監(jiān)督和管理提出了更高的要求。單靠SF6氣體水分含量檢測、泄漏檢測較難實(shí)現(xiàn)SF6電氣設(shè)備的故障排查。

氣體絕緣設(shè)備正常運(yùn)行情況下，SF6氣體分解產(chǎn)物極少。但是在放電作用下或經(jīng)過長期運(yùn)行，小部分SF6會發(fā)生分解，生成SF4、SF3、SF2和S2F10等多種低氟硫化物。對于純凈的SF6氣體，上述分解產(chǎn)物將復(fù)合成SF6；而運(yùn)行中SF6氣體不可避免地含有一定量的空氣、水分，化學(xué)性質(zhì)活潑的低氟硫化物與空氣、水分發(fā)生反應(yīng)生成SO2、SOF2、HF、SOF4和SO2F2等化合物。SF6氣體在放電能量的作用下分解物的生成機(jī)理如圖1所示。

圖1 SF6氣體分解原理圖

通過對SF6氣體中分解產(chǎn)物的檢測，可以幫助判斷設(shè)備運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備故障或潛伏性故障。針對SF6氣體及其分解產(chǎn)物的特性，采用氣質(zhì)譜聯(lián)用儀、動態(tài)離子測試儀、傅立葉變換紅外光譜儀等高精尖儀器，對SF6氣體及其分解產(chǎn)物進(jìn)行檢測分析研究。通過大量試驗(yàn)研究，建立了SF6氣體氣質(zhì)聯(lián)用儀、紅外光譜儀、便攜式分解產(chǎn)物儀、便攜式氣相色譜儀等多種檢測方法聯(lián)用的綜合檢測技術(shù)。

SF6氣體現(xiàn)場檢測項(xiàng)目包括純度、濕度、泄漏等檢測項(xiàng)目。采用電化學(xué)、色譜法均可實(shí)現(xiàn)SF6氣體純度檢測，目前主要使用的是SF6分解檢測儀通過色譜法進(jìn)行檢測。引進(jìn)高精度低露點(diǎn)發(fā)生裝置，建立SF6氣體濕度儀的統(tǒng)一比對方法，完善SF6電氣設(shè)備微水檢測手段，目前使用的是SF6氣體綜合測定儀進(jìn)行露點(diǎn)的檢測。對SF6氣體泄漏激光成像檢測技術(shù)進(jìn)行研究，建立了SF6氣體泄漏帶電檢測方法，目前主要使用的是SF6定性檢漏儀和SF6氣體泄漏激光成像儀，能快速地發(fā)現(xiàn)泄露點(diǎn)。

3 SF6 氣體的回收

目前，我國大量SF6電氣設(shè)備的運(yùn)行時間已超過十年，逐步進(jìn)入檢修期，SF6氣體的運(yùn)行監(jiān)督和回收處理循環(huán)再利用工作就顯得十分迫切。SFHS-III型SF6回收回充設(shè)備，是安徽電科院專門針對現(xiàn)場SF6氣體回收回充中存在的問題，自行設(shè)計(jì)開發(fā)的新一代回收回充設(shè)備，并獲得國家專利。設(shè)備原理圖見圖2。設(shè)備體積小、重量輕、功能齊全、操作簡單，可為實(shí)現(xiàn)高效安全的SF6氣體回收、回充提供保證。

圖2 SF6 氣體回收回充設(shè)備原理圖

設(shè)備接口連接要進(jìn)行回收的氣室，鋼瓶接口連接回收后SF6氣體的儲存鋼瓶，依次打開相應(yīng)閥門，通過壓縮機(jī)提供動力，經(jīng)過換熱裝置進(jìn)行降溫液化使SF6氣體快速地充裝進(jìn)鋼瓶里。

設(shè)備除了可以進(jìn)行回收外，還能對SF6氣體進(jìn)行回充使用，連接抽真空回充接口，打開相應(yīng)閥門進(jìn)行回充，可快速地把SF6氣體回充至設(shè)備內(nèi)，解決了回充時氣體在鋼瓶內(nèi)汽化結(jié)霜、降低回充速度的問題。同時，該設(shè)備還可對氣室進(jìn)行抽真空，能快速地把真空抽到目標(biāo)值[4]。

4 SF6 氣體的凈化處理

安徽電科院六氟化硫?qū)嶒?yàn)室研發(fā)的SFCL-III型SF6氣體處理系統(tǒng)，可用于處理回收不合格的SF6氣體，使其達(dá)到GB12022-2014的標(biāo)準(zhǔn)，使之能進(jìn)行循環(huán)使用，達(dá)到節(jié)能減排、循環(huán)利用的目的。

SF6氣體凈化處理系統(tǒng)流程見圖3[5]，具體如下：

(1) 鋼瓶放倒在鋼瓶推車上面，通過帶手動球閥的壓力軟管連接到處理單元的進(jìn)氣口處；

(2) 鋼瓶內(nèi)的高壓SF6經(jīng)處理單元緩沖罐后經(jīng)減壓閥壓到0.6 MPa，流向處理單元吸附塔內(nèi)，將SF6氣體中的分解產(chǎn)物及水分等雜質(zhì)吸附后，通過動力單元流向深冷單元；

(3) 利用動力單元的壓縮機(jī)間歇抽出深冷單元中的尾氣，并存儲在動力單元儲氣罐內(nèi)；

(4) 當(dāng)深冷單元的尾氣分離過程達(dá)到設(shè)定值后，利用低溫液泵將深冷容器內(nèi)的低溫液體SF6計(jì)重充至真空鋼瓶內(nèi)；

(5) 當(dāng)動力單元儲氣罐的壓力達(dá)到一定值后，再流入處理單元儲氣罐，由處理單元重新打入深冷分離單元分離容器中，經(jīng)深冷后手動打開排空閥放掉氣態(tài)空氣并用真空泵抽真空，再將固態(tài)SF6液化后在低溫低壓下灌鋼瓶。

圖3 SF6 氣體凈化處理系統(tǒng)流程圖

處理后的SF6氣體滿足GB/T 12022-2014《工業(yè)六氟化硫》中氣體質(zhì)量指標(biāo)，可重新充入運(yùn)行中的電氣設(shè)備，實(shí)現(xiàn)SF6氣體的循環(huán)使用。通過氣體的回收、處理、再利用，為氣體使用單位節(jié)約成本，并減少SF6直排入大氣中的環(huán)境危害，這符合我國的循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策的方向。

5 SF6 回收處理技術(shù)監(jiān)督管理模式

安徽電科院六氟化硫?qū)嶒?yàn)室通過多年的SF6氣體專業(yè)工作積累，提出了“分散回收、集中處理、統(tǒng)一檢測、循環(huán)利用”的管理模式。同時，對省級氣體回收凈化處理中心的建設(shè)提出了一套標(biāo)準(zhǔn)配置方案，作為推廣應(yīng)用的依據(jù)。據(jù)此，建立SF6氣體回收利用監(jiān)督管理組織結(jié)構(gòu)，成立安徽省六氟化硫氣體回收處理中心，提出了《安徽省電力公司六氟化硫氣體技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)定》。

安徽電科院的SF6專業(yè)工作得到了國網(wǎng)公司的認(rèn)可，在國網(wǎng)公司全面推廣應(yīng)用。根據(jù)國網(wǎng)公司頂層設(shè)計(jì)，先后在寧夏、甘肅、湖北、四川、北京、河北等地建立省(市)級六氟化硫氣體處理中心，形成了該地區(qū)SF6氣體實(shí)行集中處理后統(tǒng)一分配的管理模式，通過氣體的回收處理再利用為氣體使用單位節(jié)約成本，同時，也使大量的SF6氣體在設(shè)備檢修時得到有效控制，不再直排入大氣，為溫室氣體減排做出貢獻(xiàn)。并編寫了相關(guān)國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)省級電力企業(yè)SF6氣體監(jiān)督管理規(guī)定，作為工作的指導(dǎo)。

6 結(jié)論

短期內(nèi)，SF6氣體在電力行業(yè)具有舉足輕重的地位，加強(qiáng)SF6氣體質(zhì)量檢測和回收凈化處理工作，有助于提高SF6氣體的循環(huán)利用率，降低環(huán)境影響。

目前，對于我國內(nèi)蒙古、新疆等嚴(yán)寒地區(qū)，冬天環(huán)境溫度較低，SF6氣體在設(shè)備中會部分液化，影響絕緣性能，所以在SF6的使用中會使用混合氣體(SF6/N2、SF6/CF4)進(jìn)行替代，以防在低溫下氣體液化。這項(xiàng)措施也大大減少了SF6的使用量。隨著SF6/N2混合氣體技術(shù)的不斷成熟，第二代GIL(即SF6/N2混合氣體的GIL)獲得了成功的商業(yè)應(yīng)用。[6]國內(nèi)外科研生產(chǎn)單位也在積極尋找SF6氣體的替代介質(zhì)。新型環(huán)保絕緣介質(zhì)一直處于積極探索之中，Alstom公司和ABB公司推出的C4 FK和C5 FK引起了廣泛關(guān)注。[6]我國業(yè)已集中國內(nèi)頂尖科研院校開展技術(shù)攻關(guān)。