SF6断路器及气体管理

程航，王建伟，边玉国

(1.兰州工业高等专科学校，甘肃 兰州 730050;2.咸阳供电公司，陕西 咸阳 712000)

1 引言

SF6断路器是以SF6气体作为灭弧和绝缘介质的断路器。它与空气断路器同属于气吹断路器，不同之处在于:①工作气压较低;②在吹弧过程中，气体不排向大气，而在封闭系统中循环使用。和真空断路器相比，SF6开关由于其优异的电气性能，不会产生截流。而真空开关在开断较小电流时，往往会出现截流而产生截流过电压，并且截流值越大，产生的过电压越高。另外，SF6开关可通过多种途径进行气压检测和并可实现电气或机械联锁，真空开关的真空度无法监视。

2 SF6气体特性

SF6气体在通常状态下是一种无色、无味、无毒、不燃烧化学性能稳定的气态物质，它的密度大约是空气的5倍。由于其分子的负电性，具有很强的吸附自由电子而形成负离子的能力，阻碍放电的形成与发展，因而其耐电强度高，具有优异的绝缘性能，均匀电场中的介电强度约为相同气压下空气的2.5～3倍;它的离解温度低，且离解能量大，具有优异的灭弧性能，在1.01×105Pa气压下，SF6的灭弧性能是空气的100倍。

在均匀电场中，如图1所示，SF6气体的击穿电压符合巴申定律，在温度不变时，均匀电场中SF6气体的击穿电压Ub是气体压力和电极间距离乘积pd的函数，即Ub=f(pd)。因此SF6开关在设计时要注意电场均匀程度、极间距离等要尽量合理。在制造时要特别注意电极表面状态对击穿电压的影响，尤其要注意电极表面金属微粒或灰尘会剧烈降低SF6的击穿电压(如图2所示)。因此应采取各种措施使电极表面光洁程度符合设计要求;同时要保证气压在小于1～2MPa的范围内(常用的气压范围为0.1～0.9MPa)。

图1 均匀电场中SF6的击穿电压Ub与pd的关系

图2 自由铝球形微粒对SF6击穿电压Ub的影响

3 SF6气体管理

目前，SF6高压断路器已广泛应用在 110kV、330kV等不同电压等级的变电站，SF6开关设备的安装、维护与检修基本上以SF6气体管理为中心，气体管理得好，产品运行可靠性就高。SF6气体管理涉及正确使用SF6高压断路器及对SF6的水份、杂质及密封管理等多个方面。

3.1 SF6高压断路器检修质量控制

SF6断路器的检修应在大气湿度低于60%的干燥天气进行，同时注意防止灰尘、杂质和水分侵入其内部。

3.1.1 SF6气体的回收、净化、储存

SF6断路器在检修前，应先将断路器分闸，释放操作机构的能量，用SF6气体回收装置将断路器内的气体回收，回收时气体中水份和SF6气体分解产物通过净化器被吸附，气室残存气体必须用真空泵抽出，使断路器内真空度高于1乇。

3.1.2 灭弧室的检修

灭弧室检修主要是检查喷口烧伤程度，按规定确定是否更换;相对运动的部位均涂滑脂，灭弧室部件一定要注意清洁，严防灰尘、水分、纤维物质等进入内部;断路器的金属部件可用清洗剂或汽油清洗，绝缘件应用无水酒精和丙酮清洗。

3.1.3 部件间的密封面

与SF6气体接触的零部件及密封圈可涂一薄层聚四氟乙烯润滑脂，密封圈外侧法兰面应涂中性凡士林或防冻脂。密封面、槽要求光亮洁净、无划痕、无锈斑，并涂以适量密封脂。

3.1.4 气室的干燥处理

断路器气室内的吸附剂应在解体时更换，新换上的吸附剂应先在200～300℃的烘箱中烘燥处理12小时以上，吸附剂装入灭弧室之后，立即抽真空，以免吸附剂吸附空气中的大量水份而失效。

3.2 SF6气体的杂质管理

断路器中的SF6被电弧分解后生成许多低氟化物，大多数在极短时间内复合成SF6，少量残留在SF6气体中。

3.2.1 回收程序

回收气体时按下列工作程序进行:

(1)用充放气装置经吸附剂将断路器气室内的气体回收到贮气罐内;

(2)用压缩机回收剩余气体，到0.5表压左右时，再用真空泵将其抽出经吸附剂排放到空气中;

(3)断路器气室通风2小时之后，检修人员再戴口罩或滤毒面具，戴乳胶手套开始检修工作。

工作时尽量不让皮肤接触SF6分解物，分解物遇大气中的水份后会形成氢氟酸，对皮肤有腐蚀作用。开关内残留的分解气体对鼻腔和人眼有刺激，接触过多会使眼红发炎，因此检修时应尽量避免鼻、眼接触SF6分解气体。

经过活性炭过滤的SF6分解气体，其毒性基本清除，但要注意影响吸附效果的因素，新购置的吸附剂，无包装损坏、受潮现象时，可直接开箱使用。吸附剂在炉中降温后取出，不可在高温时从炉中取出，以免受潮。

3.2.2 回收气体重新使用的可能性与必要性

断路器在检修时，回收的气体经过多次吸附剂过滤之后，当SF6纯度达到99.8%以上，当水份含量符合要求时，可以重新充入开关使用。对于用气较多的SF6罐式断路器及GIS中的断路器，如一台330kV SF6罐式断路器用气450kg，这一考虑是很有必要的。对于柱式断路器是否必要这样做，要综合考虑观场是否允许较长时间来处理气体，要权衡一下节省气体与停电损失的利弊。

3.3 SF6气体的水份管理

3.3.1 水份进入开关的途径

水份进入开关的途径有四种:

(1)SF6气体本身的水份;

(2)产品零部件(尤其是绝缘件)中吸附的水份;

(3)产品安装时从大气中带入的水份;

(4)运行中的设备，通过密封圈向开关内部渗入的水份。

运行开关虽然内部气压高于大气压，但就水分压而言，外部的水分压比开关内部要大得多，如:

20℃，相对湿度为70%时，大气水分压为:

P1=0.7 ×23.8 ×10－3kg/cm2

=16.7 ×10－3kg/cm2

而20℃时水蒸汽的饱和气压为23.8×10－3kg/cm2，见表 1。

表1 水蒸汽的饱和气压(10－3kg/cm2)

假定额定SF6气压为5kg/cm2的运行开关内部的SF6含水份为100ppm(V)，内部水分压为:

P2=5 ×100 ×10－6=0.5 ×10－3kg/cm2

内外水分压差为:16.7×10－3/0.5 ×10－3=33 倍

如果外界相对湿度更大，气温更高，饱和蒸汽压越大，水份越容易挥发，则内外水分压差更大，水份通过密封薄弱环节进入开关内部的可能性更大。

3.3.2 水份对开关性能的影响

水份对断路器开断性能的影响是不容忽视。SF6被电弧分解后，主要的分解物是 SF4+，其次是SF2+、SF5+及负离子F2－、F－及SF－，在电弧电流过零之后这些正、负离子很快(0.1ms之内)复合成负电性的SF6，使开关断口间的介质强度迅速恢复，但水份的存在，对电弧电流过零之后介质强度的恢复起阻得作用，有可能导致满容量开断失败。这是由于SF4被水解(SF4+H2O→SOF2+2HF)，使断口间重新复合的SF6分子数变少了。

水份对开关绝缘性能的影响非常明显。当水份不足以在绝缘物表面产生凝露时，即水份气压低于饱和气压数值时，产品的绝缘性能一般不受影响。当SF6气体含水份较重时，受潮的固体分解物呈半导体特性，使绝缘子表面绝缘电阻下降，可能导致高电压击穿，或者因表面绝缘能力下降而在两端电极附近产生局部放电，时间长了也会导致贯通性闪络。

3.3.3 水份的控制值

对于SF6高压断路器，各制造厂及运行部门都要求有严格的密封工艺，同时规定SF6气体的含水量不得超过标准(300ppm)。运行中断路器每年要进行水份检测，水份要控制在规程规定范围内。

对于刚投运的新设备或检修后刚投运的设备，希望将水份控制到更低的水平，其必要性是考虑到开关在运行时大气中的水份可能进入开关而使SF6的水份增加。

对于GIS的非断路器间隔，额定运行气压较低，又无电弧分解物时，水份的管理值可以放得宽些(≤1000ppm)。

3.3.4 控制水份的方法

(1)另部件在检修清擦净后都必须在烘箱内进行干燥处理(200℃·4h)，然后才能装于开关，并应避免在湿度大的天气进行开关装配。

(2)开关组装完后，应更换活化后的或新开箱的吸附剂并立即封入开关内，抽真空至1乇后继续再抽0.5～1h，以排除水份。

开关刚投入运行时如果水份合格，运行一段时间后水份超标，说明开关的某个密封环节可能有损坏，此时应及时安排开关停电处理。

4 结论

SF6的气体管理是SF6开关设备管理的薄弱环节，SF6的安装、维护与检修必须以气体管理为中心，做好SF6的气体管理工作，特别控制好SF6开关设备的气体水份，是SF6开关设备安全可靠运行的根本保证。

［1］ 尚振球，郭文元.高压电器［M］.西安:西安交通大学，1992.

［2］ 赵诚.SF6开关装置的水份控制及霜融水［J］.高压电器，1999.

［3］ 张冠生.电器理论基础［M］.福州:福州大学，1992.

［4］ 周泽存，等 .高电压技术［M］.北京:中国电力出版社，2007.