浅论六氟化硫断路器带电监测

金矿

【摘  要】本文以个人观点和在实际工作中对六氟化硫断路器在线监测作出自己的见解，并参考其它专业资料对运行六氟化硫断路器监测、维护提出自己的观点，详细分析几种监测方式以供大家参考。

【关键词】六氟化硫气体特性;压力;温度;水分;检漏;毒性监测

随着电力事业的发展，电力系统容量的增加，高压甚至超高压供电不断增多。新型供用电技术和设备不断涌现。具体到变电系统内，担负着开断电路的高压断路器也不断的改进和革新。随着加工水平和新技术的不断充实，原有数量众多的少油断路器已渐渐的退出了运行的系统。取而代之的六氟化硫断路器已逐渐占据主导地位。六氟化硫气体是无色，无臭，不燃，无毒的惰性气体。化学性能稳定。在电晕和电弧放电过程中，六氟化硫气体被分解为硫和氟原子。电弧消失后可重新结合成六氟化硫。在比较均匀的电气中，其绝缘强度约为空气的2—3倍。在三个表压下，其绝缘强度可达到绝缘油的水平。再着，六氟化硫气体具有优良的灭弧性能。有研究者指出，其灭弧能力比空气大2个数量级。六氟化硫气体还具有优良的热化学特性，其电弧结构近似于温度为径向矩形分布的弧心。弧心部分温度高导电性好。弧心外围部分温度下降非常陡峭。而外焰部分温度低，散热好。因此，六氟化硫电弧电压低，电弧输入功率小。对熄弧有利。还有六氟化硫气体的电弧时间常数小，电弧电流过零后，介质性能的恢复远比空气和油介质为快。但六氟化硫气体也有其不稳定性，六氟化硫气体只有在45.6 ℃以上才能为恒定的气态，所以在通常的使用条件下是有液化的可能性的，还有就是六氟化硫气体的密度和纯度直接关系到设备的性能和可靠运行。例如。六氟化硫气体的泄露就会导致其密度下降。并有可能使气体内的含水量上升，从而影响到设备的绝缘性能和开断性能。因此，必须开展对六氟化硫断路器的带电测量和状态监视，及时发现可能出现的异常和故障预兆并进行检修。保证设备的正常运行。保证网络的可靠供电。

（一）六氟化硫断路器气体压力监测

六氟化硫断路器设备投运后，其绝缘性能和灭弧性能在很大程度上决定于六氟化硫气体状态，通常应监督气体密度和气体纯度量个参数。

A-F-B-六氟化硫饱和蒸汽压力曲线，其右侧是气态区域，A-F-F′线上方是液态区域，F′-F-B线上方是故态区域;F-六氟化硫的熔点（凝点），参数见图;B-六氟化硫的沸点，即饱和蒸汽压力为一个大气压（0.1Mpa）时的温度，参数见图;r-密度（kg/m3）;T-温度（℃）;P-压强（MPa）。

本图用法：找到压力和温度对应的坐标交点，画出密度曲线，气体温度变化时，压力沿曲线移动;A-F线右侧为气态区，密度曲线与此线的交点即为出现液态时的P、T参数。

该曲线簇主要有以下用途：

（1）已知设备的体积和在某一温度下的压力值，查出气体的密度，密度与体积的乘积便是所充气体的质量;

（2）根据温度和压力，可以求出可能液化的温度;

（3）已知在某一温度下的额定压力，可以求出不同温度下的充气压力。

为监视六氟化硫气体密度，高压开关设备都配备有气体密度继电器（也有称密度监视器，密度控制器，密度表）。在实际生产过程中。测量六氟化硫气体密度比较困难。常常以20℃时的气体压力来衡量其密度。所以密度继电器实质上也就是监测设备内归算至20℃时的气体压力的变化。并以相对于20℃时额定气体压力的下降多少作为报警值和闭锁值。现在新型产品将六氟化硫气体密度继电器与压力表合二为一，可随时进行压力监测。当气体密度下降到规定的报警压力值时。发出报警信号，以便及时进行补气。当六氟化硫气体密度继续下降到闭锁压力值时，密度继电器就会发出闭锁信号，相应的断路器等设备就不允许进行操作，以保证设备和系统的安全。

由此可见，密度继电器在设备运行中起到了关键的监测作用，但由于多种原因，六氟化硫气体密度继电器在长期运行中，性能可能发生变化，甚至失去监护作用。例如长期不动作后，出现卡涩或不灵活，触点接触不良，防震油泄露，使表盘，指针等精密部件长期暴露在空气中，影响压力数值的正常读取，本身由于加工质量问题，产生漏气等现象，有时还会出现温度补偿性能变差。当环境温度变化时，可能导致六氟化硫气体密度继电器误动作。因而，适时进行校验是十分必要的。根据GB50150——1991《电器装置安装工程电器设备交接实验标准》。DL/T596——1996《电力设备预防性实验规程》等标准都规定了对六氟化硫气体密度继电器进行检测校验的要求，国电公司发布的《防止电力生产重大事故25项重点要求》中，也明确要求做好运行设备的六氟化硫压力表和密度继电器的定期校验工作。密度继电器效验工作在现场也可在实验室。但对于运行设备，在现场效验则更为合适。

密度继电器的校验可轮换校验（运行中断路器的密度继电器的校验可用校验好的密度继电器替换）。在检测中，充、放六氟化硫气体的流量尽量小，要保证等温操作，实验装置原理如图：

1）打开排气阀7，轻轻打开六氟化硫气瓶上的阀门，将六氟化硫气体缓缓充入，将其内部空气排除干净。然后关闭排气阀和六氟化硫气瓶。

2）再轻轻打开六氟化硫气瓶上的阀门，将压力充至额定压力，然后缓缓打开排气阀使其压力缓慢下降，检查低压报警和低压闭锁动作压力。

3）关闭排气阀，再缓慢升压，检查过压报警动作压力。

4）将测的数据与标准对照，不合格的更换合格的密度继电器。

（二）六氟化硫断路器气体水分监测

水分对六氟化硫断路器器的正常运行具有决定性的影响，一旦含水量较高，很容易在绝缘材料表面结露，造成绝缘下降，严重时产生闪络击穿。六氟化硫气体内水分含量不仅影响绝缘性能，，也关系到开断后电弧分解物的组成与含量。在电弧作用下，六氟化硫气体分解物中WO3、CuF2、WOF4等为粉末状绝缘物，其中CuF2具有强烈的吸湿性，附着在绝缘物表面，使沿面闪络电压下降;HF、H2SO4等強腐蚀性物质对固体有机材料及金属件起腐蚀作用。WO3、SOF4、SO2F2、SOF2、SO2等均为有毒有害物质，随含水量的增加而增加。

控制含水量，主要是控制六氟化硫气体受电弧作用后产生的有毒氟化物含量，所以灭弧室及其相通的气室的含水量比不灭弧室相通气室的含水量要求严格。

关于含水量的标准，规定交接和大修后，灭弧室及其相通气室为150ppm，其他气室为250ppm，运行中灭弧室及其相通气室为300ppm，其他气室为500ppm。

温度对微水测量的影响

一般六氟化硫电气设备的水分来源有以下几个方面：新气中固有的残留水分;安装充气过程也会将水分带入六氟化硫气体;密封不良导致的水分渗入;设备零部件，特别是环氧树脂、聚四氟乙烯支撑件和拉杆中吸收的水分也会部分释放到六氟化硫气体中。据研究表明[5]，随着现在加工工艺的提高，设备密封性能的改善，设备内部零部件向六氟化硫气体中释放水分所造成的影响越来越大，成为一个不可忽视的因素。

六氟化硫电气设备内部构件与其中的六氟化硫气体构成一个系统，整个系统内水分为一定值（假定外部水分对设备内无渗透），当温度变化时，气体中的水分会随温度变化而变化[6]。固体对气体中水分的吸附是一个放热过程，释放是一个吸热过程。当温度降低时，固相吸附水分，气相内水分降低;当温度升高时，固相释放水分，气相水分升高。这就是温度直接影响微水测量的原因。

压力对微水测量的影响

现行标准中用体积比分数表示六氟化硫气体的微水含量，忽略了压力的影响因素。为了便于问题分析，不考虑上文所述设备内部构件对水分的吸附作用，设20℃时，两容器的压力分别是P1=0.5MPa，P2=0.8MPa，微水含量均为820mL/L。则式中P1（0℃）、P2（0℃）分别表示换算到0℃时两个容器内水气压。0℃时水的饱和蒸气压为611.2Pa，显然，容器一内在0℃时不会出现凝露，而容器二内在0℃时会刚好出现凝露或者已经出现凝露。即在气压不同时，六氟化硫气体相同的微水含量体积比并不能代表相同的安全性和可靠度。

如果用实时相对湿度（RH%）来表示气体中的水分含量，则可以避免因为六氟化硫气体氣压、温度带来的影响。首先，气体在一定温度下的相对湿度本身就是气体中绝对水气压的反映（绝对水气压=相对湿度百分数×该温度下的饱和水气压），能客观反应气体中水气含量多少。其次，相对湿度直接反应的是一种凝露裕度，相对湿度越小，气体在该温度附近越不可能凝露。用相对湿度直接避免了湿度修正到20℃带来的麻烦。现阶段传感技术快速发展，氧化铝、高分子聚合物等类型的湿度传感器对相对湿度的直接测量变得越来越容易。

断路器投入运行后，检测湿度须待断路器的湿度稳定以后再进行。因零部件吸附的水分向六氟化硫气体扩散，使气室中水分增高，一般每三各月测一次，有时湿度下降，是由于气室内装有吸附剂的作用，过一段时间会保持稳定，此时一年测一次即可。但运行多年后，密封垫老化，瓷套与法兰的胶合部位会有渗漏，使大气中的湿度通过这些微孔向六氟化硫气腔扩散，使气室中的水分增高，若发现超过标准或大量漏气时，须适当增加次数，必要时须用气体回收装置进行进行净化处理（停电后）直至合格。并作好记录。有些设备气容量很小，密封如果好，可适当延长检查的周期。

由于不同的仪器测量同一台设备可以得到不同的数据，有时候差别较大，这可能除了与仪器本身的性能有关外，与所用的气体管道和操作等因素也有关，所以必须用同一台仪器测量，以保证数据的可比性，有利于水分变化的趋势分析。气体中的水分含量与气温有关，一年之中水分随气温的增高而增加。所以应在夏天测量湿度。此外，还有下列一些因素会影响测量的稳定性

不同的气路材料，接头对湿度测量结果的影响较大，研究表明采用不锈钢管对湿度干扰最小。

钢瓶的放置对测量湿度的影响。钢瓶立放时测的湿度要比30度角时要高，研究表明，要反映出六氟化硫气体真实的水分含量，应将钢瓶倒立成30度角时测量。

测量次数对测量的影响。应对同一气室中的六氟化硫气体进行多次测量，第一次测量的数值普遍要比后面测量的数值高，其原因与气路，接头的干燥有关。因此，在测试前，应对气路，接头进行干燥处理，否则不可测试。

仪器灵敏度对测量的影响，目前湿度测量仪的种类较多。测量结果的分散率也较大。另一方面由于湿度仪在使用过程当中灵敏度也可能会下降，为使被测数据稳定可靠，可选用精度高的仪器，就可减少上述影响，像目前在电力系统中使用比较广泛的DP19-SH-Ⅲ型六氟化硫微水测量仪，就是比较理想的仪器，原电力部曾规定，应用的“湿度测量仪器”必须进行定期检定。经检验合格后才能使用。检验的有效期为一年，以保证仪器的正常使用。

某些以阻容法，电解法为原理的仪器在多次测量经电弧作用过的六氟化硫后，其探头的灵敏度往往会降低许多。而以露镜法光学探测原理制造的仪器就避免这种缺点。

六氟化硫断路器的泄漏监测

漏气是六氟化硫断路器和GIS的致命缺陷。设备的密封性能是考核产品质量的关键指标之一，所以十分重要。

检漏分定性和定量测量。定性测量一般均用高灵敏度探头探测设备规定的漏点，（对于小漏点也可用泡沫法）以声光报警。其特点是可以正确定位。GIS常见漏气点有：焊缝，法兰结合面，充气嘴和压力表等。六氟化硫断路器易漏部分主要有：

对220KV六氟化硫高压断路器：各检测孔，焊缝，六氟化硫气体充气嘴，操作机构，法兰连接面，压力表连接管路，和滑动密封底座。

对35KV和10KV六氟化硫断路器：六氟化硫气体充气嘴，操动机构，导电杆环氧树脂密封处及压力表连接管路。

定量测量有挂瓶检漏法，整机扣罩法和局部包扎法。

判断标准为年漏气率应不大于1%。或按制造厂家的标准，对用局部包扎检漏，也可按每个密封部位包扎后历时5小时，测得六氟化硫含量应不大于30PPM的标准。但这种测量比较复杂烦琐。随着电子技术的进步。当前市场上已拥有先进的，高灵敏度的，智能化的，轻小和操作方便的仪器。可以直接定量测量MI/sec  PPM或gm/yr非常方便。此外还可选用无放射性源和无压仪器，因这类仪器使用方便，像LDD2000型检漏仪等均属比较理想的仪器。此外，在进入GIS气室进行检漏工作时，必须先通风15分钟以后再进入，以保证工作人员的安全。

六氟化硫含氧量在线监测

当前，由于六氟化硫气体的大量使用，其安全性已受到人们的广泛关注。针对六氟化硫气体比空气重，泄漏易聚集，易造成低层空间缺氧，空气含毒环境对人员的威胁等问题，有关部门已制订了一系列相应的行业安全法规，法规中明确规定了人员在进入六氟化硫 配电装置室时必须先通风15分钟，对空气中的六氟化硫浓度及氧气含量进行监测，在六氟化硫配电装置的低位区应安装能报警的氧量仪和六氟化硫 气体泄漏报警仪。

氧量仪主要检测环境空气中六氟化硫气体含量和氧气含量，当环境中六氟化硫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，并具有温湿度检测、工作状态语音提示、远传报警、历史数据查询等诸多丰富功能。它独有的微量六氟化硫气体检测技术，能检测到1000ppm浓度的六氟化硫气体，不仅可以达到保障人身安全的目的，而且还能确保设备正常运行，进口高稳定的氧传感器，可以为现场工作人员提供更多一层可靠保护。现广泛应用于各种电压等级的六氟化硫开闭室、六氟化硫开关室、组合电器室（GIS室）、六氟化硫主变室等。

监测系统的特点及主要功能

1、六氟化硫气体浓度超标检测，应自动启动风机通风

当开关室内六氟化硫气体浓度超过1000ppm时，显示浓度超标信息，系统控制风机启动通风，直至空气中六氟化硫气体浓度恢复正常为止。

2、氧气浓度检测，并自动启动风机通风

当开关室内氧气浓度过低（≤19.6%）时，显示浓度信息，系统控制风机启动通风，直至空气中氧气浓度恢复正常为止。

3、红外探测功能

系统可以探测到想要进入开关室的工作人员，当人体接近工作室门1.5m范围（可调节），并且在风机没有工作时进行语音提示通风，直到人员离开或者启动风机为止。

4、语音报警和提示

当氧气浓度低于18%时，输出触点报警信号并进行现场语音报警;当六氟化硫气体浓度超过1000ppm时，输出触点报警信号并进行现场语音报警。

系统可以语音提示通风，并在通风结束后播报当前室内的氧气浓度和六氟化硫气体的含量状况，以提醒工作人员是否可以安全进入开关室。

5、定时通风和手动通风并显示风机上次启动和停止的时间

系统可以设定风机每天定时启动和停止的时间，以保证开关室每天至少通风一次。风机在停止状态时，按下手动启动按钮，系统便进行通风，直至再次按下手动启动按钮停止通风。

液晶屏显示风机上次启动和停止的时间，工作人员可以根据该信息判断在进入开关室前是否需要进行强制通风。

6、温度、湿度显示

温度显示范围：0～99℃      湿度显示范围：10～99%RH。

六氟化硫气体毒性监测

在生产六氟化硫气体时，会伴有多种有毒气体产生，并可能混入产品气中;六氟化硫气体在电气设备中经电晕、火花及电弧放电作用，还会产生多种有毒、腐蚀性气体及固体分解产物。这些气体主要有氟化亚硫酰（SOF2）、氟化硫酰（SO2F2）、四氟化硫（SF4）、四氟化硫酰（SOF4）、二氧化硫（SO2）、十氟化二硫（S2F10）、一氧十氟化二硫（S2F10O）等;固体分解产物主要有氟化铜（CuF2）、二氟二甲基硅[Si（CH3）2F2]、三氟化铝（AlF3）粉末等。毒性分解物在工作场所的容许含量见附录。

现阶段常用的分析方法有：化学分析法，热导一火焰光度串联法，检测管法，气相色谱法，色谱一质谱联用法，红外分光光度计法，色谱一红外联用法及发射光谱法等

六氟化硫气体中的毒性分解物，有的可以用吸附剂吸收去掉，有的可以与酸溶液或碱溶液进行化学反应去掉，用各种方法除去六氟化硫气体中毒性分解物的过程叫做六氟化硫气体进化处理。

六氟化硫新气中可能存在一定量的毒性分解物，在使用六氟化硫新气的过程中，要采用安全防护措施。制造厂提供的六氟化硫气体应具有制造厂名称、气体净重、灌装日期、批号及质量检验单，否则不准使用。

对新购入的六氟化硫气体要进行抽样复检，参照DL/T595—1996《六氟化硫电气设备气体监督细则》实施。复检结果应符合六氟化硫新气标准，否则不准使用。

六氟化硫试验室是进行六氟化硫新气和运行气体测试的场所，因此化验人员经常会接触有毒气体、粉尘和毒性化学试剂。试验室除具备操作毒性气体和毒性试剂的一般要求外，还应具有良好的底部通风设施（对通风量的要求是15min内使室内换气一次）。

酸度、可水解氟化物、矿物油测定的吸收操作应在通风柜内进行;色谱分析的有毒试样尾气和易燃的氢载气应从色谱仪排气口直接引出试验室;生物毒性试验的尾气应经碱液吸收后排出室外。以保证人身安全。

加強六氟化硫气体及分解物的回收和处理

以六氟化硫气体作为绝缘和灭弧的电器设备，在下列四种情况下必须对其内的六氟化硫气体及分解物进行回收或中和处理。

（1）在新产品开发时，做过绝缘试验和开断试验的试品;

（2）检修进行过的电器设备;

（3）处理发生故障的电器设备;

（4）淘汰、更换掉的电器设备。

在对六氟化硫气体及分解物进行回收或中和处理时，要严格按如下步骤进行：

①在打开设备前，必须先回收气体，并抽真空;

②对设备内部进行彻底通风;

③工作人员应带放毒面具和橡皮手套;

④将金属氟化物粉尘集中起来，装入塑料袋并深埋。对电器设备内的吸附剂和回收装置

吸附罐中吸附剂，按CB/T8905-1996《六氟化硫电气设备中气体管理和检验导则》的规定“由生产分解气体的设备中更换下来的吸附剂不要再生”由此我们可按下列方法进行处理：

（a）按20ml/g的比例将吸附剂放入当浓度为IN的氢氧化钠溶液中，搅拌浸泡24h，

将吸附剂内部可溶于水和可水解、碱解的六氟化硫气体分解物转移到氢氧化钠溶液中。

（b）对浸泡过吸附剂的氢氧化钠溶液要用当量浓度为0.1N的硫酸进行中和，在溶液呈中性时，方可排放。

（c）对排放后剩余吸附剂及固体物质经水洗后可作为普通垃圾处理或深埋掉。

结束语：在此文中，本人就自己的观点提出一些对六氟化硫断路器带电监测的主要方法。随着科技的进步和设备的不断完善，将会出现更多的监测手段和方式，以确保断路器及其系统的安全可靠运行。

参考文献：

[1]罗学琛《SF6气体绝缘全封闭组合电器》。北京。中国电力出版社。1999。

[2] DL/T596—-1996。电力设备预防性试验规程。北京。中国电力出版社。1997

[3] 李泰军.《六氟化硫气体密度及微水含量监测的研究》武汉：华中科技大学电气学院。2003