基于JZ20-2平台SF6断路器使用安全性及改进措施分析

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(中海油能源发展股份有限公司油田建设工程分公司,天津 300452)

1 SF6高压断路器概述

在电力系统向超高压、大电网、大容量和自动化方向发展的同时，用于关合及开断电力线路，以输送和倒换电力负荷以及从电力系统中退出故障设备以保证系统安全运行的高压开关就显得尤为重要。SF6气体无色、无味、无嗅、无毒、不燃烧，属惰性气体。在常温、常压和较高温度下，化学性质稳定。由于SF6气体具有以上优良的绝缘、灭弧性能,及SF6气体在绝缘组合电器中所体现出的优越性，近30年间SF6气体在高压电气设备中的应用取得了惊人的进展[1]。上面描述的绝缘、灭弧性能都是针对纯净的SF6气体，但是在很多情况下，现场电气设备中的SF6气体并非总是纯净的，其性能也就不能等同于纯净气体。SF6气体在其生产过程中或者在高能因子的作用下，会分解产生有毒甚至剧毒、强腐蚀性有害杂质，当体系中存在水分、空气、电极材料、设备材料等，会导致分解过程复杂化，致使分解产物的数量和种类明显增加，其危害也显著加大[2]。因而对SF6气体实施严格的质量监督与安全管理是确保设备可靠运行和人身健康安全的重要保证。

SF6断路器的灭弧室和支持瓷套中都充有SF6气体，其压力在0.5～0.7 MPa之间。在这么高的压力下，要保证气体绝对不渗漏，断路器必须具有很严实的密封结构，这势必提高制造成本。为了在保证一定密封程度的前提下，兼顾经济性，通常允许保持一定的漏气率，即允许气体通过密封面和橡胶圈略有渗漏。一般认为，将每年的漏气率控制在气体总重量的1%～3%以下是合格的。SF6断路器一般不会轻易泄漏,SF6本没有毒性,但是泄漏空气中会分解成有毒气体。

2 平台SF6断路器使用情况分析

1)装有SF6设备的主开关间，目前没有装设强力通风装置，风口应设置在室内底部。

2)主控制室与SF6配电装置室要采取气密性隔离措施，SF6配电装置室与其下方电缆层、电缆隧道相通的孔洞都应封堵。SF6配电装置室外，应设置“注意通风”的标志。

3)在SF6断路器主开关间室低位区应安装氧量仪和SF6气体泄漏报警仪，在工作人员入口处宜装设显示器，并定期检验，保证完好。

通过档案馆翻阅当时平台建设时对于高低压配电盘中SF6断路器的设计标准见表1。

表1 高低压配电盘标准

高压配电盘SF6断路器其标准主要依据国际电工委员会指定的IEC 56和IEC 298标准。

行业标准DL/T596-1996“电力设备预防性试验规程”对运行中的SF6气体的试验项目和周期提出了严格的要求，具体标准与要求见表2。

表2 SF6气体具体标准要求

根据GB8905《六氟化硫电气设备中气体管理和检测导则》。1993年国家电力工业部93(05)号文明确DL/T639-1997 六氟化硫电气设备运行、试验及检修人员安全防护细则。其中对于充有SF6气体的电气设备有明确的具体要求。

1)SF6电气设备安装室与主控室之间要做气密性隔离，以防有毒气体进入主控室。

2)设备安装室内应具有良好的通风系统，通风量应保证在15 min内换气一次。抽风口应设在室内下部。

3)设备安装室底部应安装SF6浓度报警仪和氧量仪，当SF6浓度(体积比)超过100×10-6，氧含量低于18%时，仪器应报警。

4)设备内SF6气体的定期检测应参照DL/T596-1997《电力设备预防性试验规程》进行。如发现气体中毒性分解物的含量不符合要求时，应采取有效的措施，包括气体净化处理，更换吸附剂、更新SF6气体、设备解体检修等。

纯净的SF6气体无色、无味、不燃，是没有毒性的。但是SF6气体比重是空气的5倍，当装有SF6设备的配电装置室GIS产生泄露后，SF6气体积聚在底层空间，达到一定浓度后，如果工作人员进入室内，会造成大脑缺氧，使人窒息而造成重大事故。在电弧和局部放电、高温等因素影响下，SF6气体会发生分解[3]，其分解物遇水分后生成腐蚀性电解质，尤其是某些高毒性分解物，如SF4、S2F2、SOF2、HF、SO2等，如大量吸入人体会引起头晕和肺水肿，甚至昏迷及死亡。因此，研制SF6开关室气体泄漏监控报警系统应用于工业现场，已经变得非常重要。

3 SF6高压断路器在线监测系统设计

3.1 在线监测系统设计

根据JZ20-2海上平台高压配电室具体环境及现有技术手段，设计了一套适用于海上平台高压配电室SF6断路器在线监测系统，见图1。

图1 SF6在线监测系统组成

SF6断路器在线监测报警系统主要由四部分组成：采集器、系统主机、外围设备和监控系统。采集器负责SF6配电装置室现场环境数据采集，并进行A/D转换，传送给系统主机，系统主机对采集数据分析、比较、判断，并运行相应的处理程序。外围设备包括报警设备、通风设备，受系统主机控制。

系统主要检测开关室中SF6气体含量和氧气含量，当环境中SF6气体含量超标或缺氧，能实时进行报警，同时自动开启通风机进行通风，并有温湿度监测，工作状态提示，远传报警、历史数据查询等功能。气体传感器安装在SF6断路器下方，用以在线实时监测SF6断路器下方的氧气浓度和SF6气体浓度。主机具有人体红外探测，语音提示和语音报警功能。主机通过RS-485总线轮询、显示各气体传感器的气体浓度数据并在危险时给出报警信息和控制风机工作。主机还可以通过RS-485总线实现与上位计算机的数据传输和系统参数修改，组成计算机对SF6开关室环境在线自动监测系统。

3.2 系统组成及安装方法

SF6开关室环境智能化监控系统由一台主机、一件温湿度传感器和几件气体传感器组成(最多可以挂接64件气体传感器)。 系统主机采用壁挂式安装，一般安装在高压开关室的入口处；随机配套的红外传感器安装在开关室门的上方或者其他适合需要人体探测的地方；气体传感器安装在开关泄漏时SF6气体最容易聚集的地方，一般安装在SF6断路器的下方地面上；温湿传感器安装在高压开关室内远离热源和湿源且气流比较平稳的地方。其主机外形图及气体传感器外形图见图2、3。

图2 SF6在线监测系统主机

图3 SF6在线监测系统气体传感器

气体传感器采用具有国际先进水平的界限电流式氧传感器和新型半导体传感器作为核心敏感元件，并以高性能嵌入式微控制器和高性能放大器构成信号处理单元。具有精确度高，稳定可靠和长寿命的显著特点。 气体传感器采用标准RS-485接口，直接输出氧气浓度和SF6气体浓度；并具有两路扩展接口，用以扩展其他的功能模块。

当环境中SF6气体浓度或氧气含量发生变化时，SF6气体采集器能立刻捕捉到这一变化，并将检测到变化量数据转换成数字信号，通过RS-485现场总线传送到系统主机，系统主机一方面将采集器传来的采集数据在显示屏上显示出来，另一方面，通过运算分析，与储存在主机内的存储器上的各种固有参数进行比较，作出判断——各项数据是否超标。当SF6浓度高于报警设定值(亦可自行设置)或氧气含量低于报警设定值的18%时，系统主机将自动进行声光、语音报警，同时启动风机进行通风，并上传报警信号。

4 结论

分析了JZ20-2平台高压配电室中SF6断路器的使用安全特性，特别针对SF6断路器泄漏气体特性及对人员危害性进行了分析，指出平台现有SF6断路器配电间设计所存在的隐患，并针对现有情况进行安全性改进，针对平台高压配电间具体情况设计了适用于海上平台高压配电室的SF6断路器在线监测系统。系统前端传感器将SF6及氧气含量信息通过RS-485总线传送到系统主机，通过屏幕显示给工作人员。若参数大于预先设定阈值则进行语音报警，同时启动风机进行通风，通过连接上位机上传报警信号。这套系统可大大提高高压配电间的安全系数，减少气体泄漏引发的人身伤害。若将这套系统推广与应用SF6断路器的所有海上平台，将可以提高平台高压开关室的安全性。

[1] 黎 明,黄维枢.SF6气体及SF6气体绝缘变电站的运行[M].北京：水利电力出版社，1993.

[2] 罗学深.SF6气体绝缘全封闭组合电器(GIS)[M].北京：中国电力出版社，1998.

[3] 苑 舜.高压开关设备状态监测与诊断技术[M].北京，机械工业出版社，2000.