SF6断路器状态监测及自动补气系统在变电站中的应用

王睿

摘要：分析了断路器状态监测的重要性，针对目前断路器补气方式相对落后，提出了自动补气的设计理念、总体架构及实现方式。通过对不同参数的统计与管理，实现了六氟化硫绝缘断路器状态的电子化、可视化、信息化，从而提高了现场运行维护工作的效率。并借助于专家分析模型库提升了状态监测诊断的可靠性。

关键词：断路器；状态监测；自动补气；六氟化硫

中图分类号：O434文献标识码： A

1.前言

SF6电气设备因其占地少，运行安全可靠，且有优良灭弧性能和高强度的SF6气体作为灭弧和绝缘介质，因此得到了广泛运用。

SF6高压电器设备在运行时，不可避免地会发生SF6气体泄漏；同时电器设备外部水分也会渗透进高压电器设备内部，而导致电器设备内部SF6气体密度下降及水分含量超标。使高压电器设备存在安全隐患。

SF6电气设备在运行过程中，在放电或高温电弧的作用下SF6气体会分解产生低氟化物，SF6在电弧作用下会产生若干分解，当温度达到4000K以上时，除了微量部分变成低氟化硫离子外，绝大部分分解成为S和F的单原子状态。在电弧熄灭后分解的气体又重新化合，绝大部分在10-4～10-5秒内结合成稳定的SF6分子，剩下的部分在重新组合过程中与金属蒸汽和水分发生化学反应，产生出极微量的剧毒金属氟化物和气体氟化物。对设备造成危害，导致绝缘性能严重下降，因此通过监测六氟化硫气体中的分解物含量，来掌握设备的健康状况，考核安装工艺质量有着重要意义。

通过常规SF6气体水分检测只能判断设备内部腔体内水分是否超标，能够对SF6高压电器设备的一项或几项相关参数进行测量并上传与阀值进行简单比对，实际情况下，无法根据一项或几项数据片面的诊断出设备的运行情况及绝缘状态。此项目通过同时监测SF6气体分解物含量的变化综合判断SF6高压电器设备的运行情况及绝缘状态。

传统的在线监测装置，基本都只停留在监测的领域，只提供了监测功能，无问题处理方法或故障解决方案，针对以上问题，本文所提出的装置包括自动补气功能，在SF6高压电器设备因内部气体密度不足的情况下可自动进行补气，气体均为经过检验、满足国家标准的SF6新气，最大程度的提高SF6高压电器设备的使用寿命及可靠性，减轻人力物力的投入，节省运维成本。

2 系统设计理念

SF6断路器由于其优越的性能，已在电力系统得到广泛应用。有关统计资料表明，目前，全国新建或改造的220 kV及以上电压等级变电站已全部采用SF6断路器，220kV以下电压等级的变电站也有很大一部分采用SF6断路器。但是，目前都没有实现SF6气体状态在线全面诊断并自动补气系统。此项目的实施，将大大提高SF6高压电器设备的安全运行和管理水平。特别是随着变电站无人值班的广泛应用，变电站内主要电气设备的状态检修，已成为加强变电站安全运行和设备管理的首要技术难题。

SF6气体状态在线全面诊断并自动补气系统的研制成功还具有以下重要意义：

解决了目前SF6高压电器设备中SF6气体状态在线监测的问题，解决了该领域水分测量不准，分解物无法在线测量的技术难题，有利于及时掌握设备的运行状态，提高设备的运行和管理水平，保障电网的安全稳定运行。

提供了自动向SF6高压电器设备补充新气的功能，智能识别SF6高压电器设备内部的气体压力状态，适时的向SF6内部补充气体，扩大维修周期，减小运维成本。

开发的高精度湿度传感器，经温度压力补偿运算修正，专门针对低量程湿度测量较准确、长期稳定性好，适合于变电站在线测量使用。

选用全进口高性能传感器和优化气路流程，确保高精度和高稳定性，分解物浓度过高保护技术提高了电化学传感器的使用寿命，对主要故障特征气体具有低量程和高量程传感器，并自动切换。内置电子流量计，全程显示气体流量，内置高精度测温芯片，进行温度补偿，具有电化学传感器零位自动校正功能，具有自标定功能，可用SF6 或N2做底气的标气进行标定。

专家诊断系统能根据检测组分种类及其含量，分别对断路器和其他设备按交接或预试进行分析判断，并提出处理意见。

SF6气体作为一种氟化物，是破坏地球臭氧层和产生温室效应的有害气体之一。根据《京都协议》的规定，与HFC（氟氯烃）系列物质类似的SF6和PFC等温室气体不得随意排放到电气中去。本项目所开发的系统对大气为零排放，减少该气体的排放，对防止大气污染有着深远的社会意义。

SF6断路器在经分合闸拉弧后，会分解出多种有毒物质，直接影响现场运行和检修人员的身体健康。该项目改变了传统的SF6的检测方法，对大气为零排放，最大程度的保护了现场运维人员及试验人员的健康。

实施SF6气体状态在线全面诊断并自动补气系统在线监测，可及时发现和分析设备中SF6气体漏气状况，并自动进行补气处理，为断路器的状态检修及运行维护提供了技术手段及帮助，可以大大减少系统的停电时间和检修人力、物力等费用。开展微水动态含量的在线监测，保障了通过微水含量的变化来精准地反映被检测设备腔体内部气体质量，通过检测分解物的含量变化可以准确的判断SF6高压电器设备内部的故障类型及程度，且能够对故障进行有效的预防。综合分析并处理以上所采集到的数据，专家诊断模块可为用户科学地做出检修决策提供数值依据甚至检修解决方案。

3系统功能设计

系统设计理念如图1所示。改进了现有的SF6高压电器在线微水测量方法，整合了SF6分解物的检测技术，根据采集大量的现场实时监测数据，运用专家诊断模块综合分析处理各项检测数据，最终得出SF6高压电器设备的绝缘性能状态、趋势及故障情况。并且在高压电器发生内部气体压力不足的情况下可自动控制装置对SF6高压电器设备进行补充新气。其主要内容包括：

密度在线监测功能。即通过机电一体式密度继电器对SF6高压电气设备内的SF6气体密度进行实时监测，克服了机械表无法远传且精度不足、电子式无法就地显示的问题，互相冗余作为后备保护，可靠性大大增强。

微水动态监测功能。使SF6高压电器设备内的气体在监测时流动起来，传感器采集气体的温度、压力及湿度参数，通过模型计算得出SF6气体的微水值，弥补了传统静态下测量微水方法的不足，减少了传感器因静态下水分子吸附问题所带来的测试误差。

自动补充新气功能。根据密度在线监测模块监测的情况，经专家诊断系统分析后受总控模块控制，适时的向SF6高压电器设备内补充SF6新气，以免因设备漏气导致设备停电，带来不必要的经济损失，延长SF6高压电器设备的使用寿命。

废气回收功能。微水动态监测及分解物分析所产生的废气由废气回收模块全部储存，实现动态测量功能的同时达到零排放的指标。

SF6气体分解物检测功能。在微水动态监测的同时进行SF6气体分解物的动态监测，以判断SF6高压电器绝缘缺陷类型、性质、程度及发展趋势。

智能总控功能。以上各项参数的储存、分析处理，以及专家诊断并控制各项功能均通过智能总控模块实现，快速的计算分析各项数据，综合判断所监测设备的运行状态机绝缘情况，实时上传监测数据及报警状态。以满足智能电网实时监测，智能诊断，统一化管理的需求。

图1系统总体架构示意图

4关键技术的实现

从国内外资料得知，SF6电气设备内部故障时分解产物主要是硫化物和氟化物。

硫化物主要有SO2、H2S、SOF2、SF4、SO2F2、S2F10和S2OF10等；氟化物主要有HF、CF4、AlF3、CuF2和WF6等。若进行所有产物的检测，虽能更准确的判断内部故障的部位，但是由于上述的物质中除SO2、H2S和CF4毒性少外，其它都是剧毒物, 在设备内部的含量极少，又不稳定。含量稍多的SF4、SOF2等又很快会与SF6气体中的水份进行水解反应产生稳定的SO2和HF。

因此，气室中SO2含量除了由SF6和固体绝缘材料分解直接生成外，还会由SO2F2等的水解产生。SF6电气设备内部故障时，如图2所示，反应式主要有：

SF6 → SF4+ F2

SF4+ H2O → SF2 + 2HF

SOF2 + H2O → SO2 + 2HF

S2F10 → SF4 + SF6

3SF6 + W → 3SF4 + WF6

SF6+Cu → SF4+ CuF2

3SF6 + 2Al → 3SF4 + 2AlF3

固体绝缘材料的成分主要有聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯和聚酰胺树脂，其主要元素是C、H、O和F，当故障点温度达500℃开始分解，分解产物主要有CF4、SF4、SO2、H2S、CO、CO2和低分子烃。

图2 SF6分解物分解示意图

SO2、H2S的正常含量

我公司技术人员统计了几百台SF6电气设备气室中SO2、H2S的含量范围和分析绝缘材料裂解反应机理后，提出各种SF6设备中SO2、H2S含量的正常含量为：SO2≤1.0μl/L, H2S≤0.5μl/L。即当所检测气室的SO2、H2S含量小于上述浓度时，设备属正常；而超过上述指标时，便应视为不正常，应加强监督。

内部故障的判断方法

通过对大量故障设备中SO2、H2S含量分布情况的分析，按SO2、H2S浓度的大小拟定出多个区间，编制出专家诊断软件，进行具体分析判断，并提出相应的处理意。SF6电力设备的内部故障是一个复杂的物理化学过程，在判断内部故障时必须结合设备运行、结构、检修、电气试验、继电保护动作和故障录波情况等作综合分析，不断提高对故障的分析判断水平。

根据现场检测SF6高压电器设备内的气体压力值，适时的控制装置向高压电器设备内补充SF6新气。

微水动态监测及SF6分解物检测过程中所产生的气体被废气钢瓶回收并储存，对大气实现零排放。

后台软件读取实时采集的数据进行显示并保存，专家诊断系统根据实时采集的数据及历史保存的数据科学的分析SF6开关体内气体的状态、开关运行状态及故障情况。通过智能电网统一规约IEC61850（DL/T860）与后台进行数据传输，与其他设备共享监测信息。

5 结束语

目前通过测量压力大小实现SF6气体密度的监测，对断路器绝缘性能和开断能力实现判断外，还能通过压力值大小反映出大量气体泄漏故障。这也是该方法的缺陷，智能监测出大量气体泄漏情况因此当前已兴起了很多研究气体泄漏的方法，如：基于超声波原理、紫外线电离法、高压负电晕放电原理、激光成像原理、和基于红外光谱吸收原理。这些方法也存在一些不足，有的还不能实现在线监测。因此对根据气体状态来实现SF6断路器气体泄漏在线监测与故障诊断还需进一步的深入研究。

水分对SF6气体的影响较大，当达到一定温度下，将产生有毒气体，如何控制SF6气体中水分的含量也是目前研究的热点问题。

SF6气体在电弧作用下，与水、电极材料、绝缘材料、氧气等发生的化学反应较为复杂，对该过程进行深入研究，更精确的实时监测出各内部故障分解物含量，对分析出SF6断路器内部发生故障类型和故障的严重性将有很重要的意义，可以更深入的了解SF6断路器运行过程中的运行工况，更准确的对断路器进行故障诊断。

断路器在气体泄漏的初期很难引起运维人员的注意，也是事故无法及时避免的客观原因所在，如果能够延缓报警，或者出现泄漏情况后，能够及时的将隐患自动排出，是本文的初衷所在，如果能将现有的人工现场干预SF6断路器补气更换为现场检测到断路器内气体压力不足，自动补气，即可给运维人员提供充足的时间来对故障进行检修前的准备。

参考文献

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