严寒地区罐式断路器安装过程中气体液化问题探讨

顾杰峰，钱佳琪，张锴，吴锋豪，刘提

（1.国网浙江省电力有限公司建设分公司，浙江 杭州 310020；2.国网浙江省电力有限公司经济技术研究院，浙江 杭州 310020）

0 前言

六氟化硫（SF6）断路器是指采用具有优良灭弧性能和绝缘性能的SF6气体作为灭弧介质的断路器，在电力系统中应用广泛，适用于频繁操作及要求高速开断的场合。在我国，110kV及以上电压等级基本采用SF6断路器。SF6气体因其物理特性会在一定温度、气压条件下发生液化，从而导致断路器罐体内的SF6气体密度减小，当密度减小到一定程度时，断路器会发生保护闭锁。在我国内蒙古、东北、新疆、西藏等部分地区，冬季环境温度可达-30℃甚至更低，上述因SF6气体液化导致闭锁的现象时有发生[2]。

1 SF6气体液化简述

SF6气体具有极高的化学稳定性，在常温常压下是无色、无臭、无味、无毒的非易燃气体，具有优良的绝缘性能和灭弧性能。

气体临界温度是指能将气体液化的最高温度，在高于此温度时，无论外界对该气体施加多大压力，都不能使其液化。对于一般所称的“永久性气体”如氧气、氮气、氢气、氦气等，由于其临界温度在-100℃以下，在环境温度下无需考虑气体的液化问题。而SF6气体则不然，其临界温度为45.6℃，只有在温度达到45.6℃以上时才能保持恒定的气体状态，在环境温度下，当外界施加压力达到一定值时即可液化，所以对于充SF6气体的设备而言，就需要考虑气体的液化问题。

SF6气体状态参数曲线如图1所示。在一定气体密度值ρ不变的条件下，随着温度的降低，气体压力会随之下降，当温度下降到该气体密度下的液化点A点时，气体开始液化，此后气体密度也随之下降。

图1 SF6气体状态参数曲线

2 现场实际情况

锡盟换流站位于内蒙古自治区锡林郭勒盟锡林浩特市朝克乌拉苏木镇境内，海拔914m，纬度44.2，供暖期长达7个月，在我国属于严寒地区。站内交流滤波器场共安装由杭州西门子厂家生产的型号3AP3 DT罐式断路器20组，额定电压550kV，装有带温度补偿功能的密度继电器，其指示反映的是气体的密度变化而不是压力变化。断路器主要参数见表1所示。

3AP3 DT罐式断路器主要参数 表1

安装过程中，根据厂家提供参数，按要求充气，额定充气压力为0.8MPa，报警压力为0.72MPa，闭锁压力为0.7MPa（20℃时表压）。SF6气体状态参数曲线如下图2所示，由图可知，在罐体密封良好不出现气体泄漏的情况下，-18℃时罐体内气体将液化，-21℃时将报警，-22℃时将出现闭锁现象。现场实际观察图如图3～图6所示，现场实测情况与状态参数曲线所得结果相符。

图2 3AP3 DT罐式断路器SF6气体状态参数曲线

图3 20℃充完SF6气体时表计读数

根据现场物资供货情况及设备安装进度，罐式断路器在11月底完成安装及抽真空注气工作，设备交接试验及调试工作集中在12月上旬，此时环境温度已达到-22℃以下，已安装断路器全部发生闭锁，断路器设备交接试验工作无法正常开展，影响全站工期节点。

图4 -18℃时表计读数

图5 -21℃时表计读数

图6 -22℃时表计读数

3 解决方案

针对现场出现的上述闭锁现象，提出以下几种解决措施。

3.1 减小充气量

根据SF6气体参数特性曲线可以看出，当罐体内充气量减小时，气体液化温度会下降，相应的闭锁温度也会随之下降。如将额定充气压力调整为0.56MPa时，液化温度为-28℃，闭锁温度为-32℃。此时液化温度将低于环境温度，不存在闭锁现象。但是充气量减小后，断路器灭弧性能和绝缘性能都将下降，这种涉及改变设备最终状态，且影响到设备性能的方法应由设计单位和厂家做深入研究论证后才能执行。

假如不改变设备最终状态，即在交接试验前将充气量减小到一定值（如0.6MPa），试验调试完成后再将充气量补足到额定值。此种方法看似可行，其实不然。首先，减小充气量后断路器绝缘性能下降，由于没有经过准确论证，耐压试验过程中有可能出现断口被击穿的现象。其次，即使试验顺利通过，试验结果也不具有参考价值，设备交接试验是对厂家生产质量和安装单位安装质量的检验，应在设备安装完全结束后进行，而充气过程显然是设备安装流程中的一个步骤。

3.2 混合气体

目前国内外都有通过在SF6气体中混入一定比例其他气体（如CF4、CO2和N2等气体）的方式来降低液化温度。但混合气体绝缘性能和灭弧性能都无法达到纯SF6气体的程度，相同充气压力下，充混合气体的断路器开断电流能力相比充纯SF6气体的将下降约20%。若想达到相同的绝缘性能，混合气体的充气压力必须高于纯SF6气体的充气压力。以SF6/N2混合气体为例，可用计算式：

P=P（x0/0）

式中，P为达到相同绝缘性能时混合气体的充气压力，P为纯SF6气体的充气压力，x%为混合气体中SF6气体的百分含量。

由上式可知，对于含有20%SF6气体的SF6/N2混合气体，所需充气压力约为纯SF6气体充气压力的1.4倍，对于现场断路器而言，充气压力需达到1.12MPa，这对整个断路器结构都将提出新的要求。

3.3 加热装置

SF6气体液化的主要外界因素是环境温度低于其液化温度，若在罐体周围安装伴热带给罐体进行加热，提高罐体温度，则可解决液化问题。

杭州西门子公司罐式断路器使用的是瑞士trafag密度继电器，带温度补偿功能，其指示反映的是气体的密度变化而不是压力变化。这种密度继电器的指示原理是，通过比较断路器罐体中的气体和密度继电器自带的标准气体之间的压力差，实现对气体密度的监测。如图7所示，当环境温度在液化温度以上范围变化时，两个气室内的气体压力同时发生变化，压力差为零，伸缩节不动作，表计指针也不动作；当罐体内气体发生液化或者泄漏时，标准气体压力相对增大，伸缩节动作，致使表计指针发生动作。

图7 密度继电器温度补偿示意图

当环境温度达到液化温度时，伴热带启动，罐体温度升高，这将导致罐体内气体温度与伸缩节内气体温度存在差异，使得表计的指示产生偏差，不能准确反映罐体内气体状况。

4 结论

本文简述了SF6气体的液化过程，并针对锡盟换流站交流滤波器场地的罐式断路器在安装过程中出现SF6气体液化问题，提出了三种解决方案并加以讨论。三种解决方案分别是减小充气量、改充混合气体和增设加热装置，分析比较之后发现，减小充气量和改充混合气体均会影响气体的绝缘性能和灭弧性能，不宜采用；使用伴热带加热罐体避免气体液化的方法，虽然会使表计的指示产生一定误差，但是设备交接试验依然能够顺利进行，宜采用。