水分对SF6断路器性能的影响及其控制措施_电子论文发表

水分对SF6断路器性能的影响及其控制措施

赵冬冬

摘 要：本文分析了SF6绝缘气体中所含的水分对SF6断路器产生的各种危害性影响，同时分析了水分进入SF6断路器的途径，并结合SF6断路器在金陵分公司热电厂的实际应用，提出了控制水分含量的具体措施。

关键词：SF6断路器，水分，影响，控制措施

引言

SF6断路器以其维护方便、使用寿命长和安全可靠等优势,在电力系统中得到广泛使用。在中石化金陵分公司热电厂，SF6断路器以及SF6电流、电压互感器共计74台，主要应用于110kV高压输电线路中，对金陵分公司供配电网的稳定和安全运行起到了非常重要的作用。SF6断路器优异的性能源于它所使用的绝缘气体SF6。SF6气体的纯品在常温下是基本无毒、不易燃烧、不易老化变质、不溶于变压器油和水、不易与气体和金属发生反应的，是已知化学安定性最好的物质之一。SF6气体有许多特性使其适用于电力设备，比如具有卓越的电绝缘性和灭弧特性。在相同条件下，其绝缘强度为空气、氮气的2.5倍以上；其灭弧性能为空气的数十倍。它具有强电负性，其分子或原子可吸附电子形成负离子并和正离子复合，复合作用快，去游离作用强，尤其在电流过零前后，可使弧隙中带电粒子迅速减少，导电率下降，从而加速灭弧，并且可耐受很高的恢复电压，电弧在电流过零后不易复燃。电力行业标准《电力设备预防性试验规程》DL/T596-1996、国家标准《六氟化硫电气设备中气体管理和检验导则》GB/T8905-1996以及国际IEEE标准《IEE Guide for Moisture Measuremenand Control in SF6 Gas-Insulated Equipment》均对水分含量提出了明确规定。

1 水分对SF6断路器性能的影响

水分对断路器性能的影响主要表现在对产品绝缘性能、开断性能和对零部件的腐蚀作用三个方面。

1.1 水分对绝缘性能的影响

水分在SF6气体中共有三种存在形式：气态、液态和固态。大量研究证明，当这些水分以气态或固态形式存在时，设备的绝缘性能一般不受影响。固态形式表现为在0℃及以下水分达到饱和气压时，在绝缘件的表面会覆盖冰霜。但是，当SF6气体含水分较重产生凝露时，这些分解物会受潮而呈现半导体特征，使绝缘子表面电阻下降，并改变了绝缘件的电场。试验表明附着在绝缘件表面的水分可以使绝缘件的沿面放电电压降到无水时的60%～80%。

1.2 水分对开断性能的影响

SF6被电弧分解后，主要的分解物是SF4+,其次是SF2+、SF5+、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）复合成负电性的SF6,使开关断口间的介质强度迅速恢复。水分的存在，对SF6电弧分解物的复合和断口间介质强度的恢复起阻碍作用。

这是由于SF4被水解：

这种恶性循环的结果，一方面使SF6分解量增加而复合量减少，吸附电子的能力减弱，开断能力下降；另一方面气体中的腐蚀性物质量增大。

1.3 水分对断路器零部件的腐蚀作用

SF6水解生成的氢氟酸（HF)是具有极强腐蚀性的酸性气体，HF不仅能腐蚀大多数有机和无机材料，而且能腐蚀玻璃、瓷器及填充石英粉的环氧树脂铸件。同时，氢氟酸对人的皮肤有强烈的刺激性和腐蚀性，可经皮肤吸收引起中毒，吸入高浓度的氢氟酸酸雾可致人立即死亡。SF6水解生成的硫酸(H2SO4)、二氧化硫(SO2)同样具有强腐蚀性，对设备产生腐蚀作用。同时，二氧化硫(SO2)是具有刺激性气味的有毒气体，损害人体粘膜及呼吸系统。

2 水分进入SF6断路器的途径

水分进入SF6断路器的途径主要有以下五个方面：

1）SF6新气带入。GB/T 12022-2006规定，SF6新气中水分含量不得高于5×10-6（重量比）。符合IEC标准。

2）断路器零部件（尤其是绝缘件）中吸附的水分。

3）断路器安装或检修时从大气中带入的水分。SF6断路器安装完毕后，虽然进行了抽真空并用高纯度氮气干燥，但不可能把设备内壁所有的水分清除。

4）吸附剂带入的水分。

5）对于运行中的SF6断路器，水分可以通过密封圈渗透。SF6断路器密封圈面使用很多橡胶衬垫，运行多年后，密封垫老化，透过密封件和微孔渗入水分。

运行中的SF6断路器，虽然其内部气压要于外部大气压，但就水分而言，外部的水分压比内部的要大得多，如：环境温度为20℃，相对湿度为70%时，大气水分压为：

其中：(5+1)为设备的气体的绝对压力，0.123为体积比转化为重量比的常数。

内外水分压差为：

 

如果外界气温更高，相对湿度更大，则内外水分压差更大，水分通过密封薄弱环节进入断路器内部的可能性更大。

3 控制水分含量的措施

1）SF6断路器气室水分含量应定期由专业人员使用专业仪器进行检测。按照DL/T 596-1996《电力设备预防性试验规程》要求：断路器新装及大修后1年内复测1次，如湿度符合要求，则正常运行中1～3年1次；断路器灭弧气室SF6气体湿度（µL/L）为大修后不大于150，运行中不大于300，其它气室大修后不大于250，运行中不大于500。热电运行部2011年四月份利用Ⅱ发变组大修机会，对110kV702断路器进行了SF6气体微水分析试验，采用的试验仪器是MB-242P型SF6精密露点仪(微水仪），测量的结果为露点温度-45℃，水分含量71.15ppm,符合国家标准要求。

需要注意的是，微水分析试验时SF6气体温度很重要。当容器内SF6气体的温度低于其中水气的露点温度时，SF6气体中的部分水气就变成水或冰，这样SF6气体中的水气减少了，而水气的饱和气压和其温度相适应，并始终维持在饱和状态。因此，当测得的SF6气体中水分的含量达到SF6气体一定温度下的水气饱和蒸气压时，该测定结果无效。而只有测定的水气含量低于SF6气体在当时的温度下的水气饱和蒸气压时，测定结果才有效。

2）当SF6断路器气室压力下降到一定值时，要充入合格的SF6新气。充气前，应严格对新气进行检查测试。检测标准如表2所示。

3）所有的充气管道，接头在使用前务必进行清洗、烘干并用高纯度N2处理。为了避免补气时SF6气体暴露在空气当中，将空气的水分带入，可以在设备上设置单向密封阀或其它类型的阀门与SF6气瓶连接充气。SF6断路器的密封材料在质量上必须过关，务必严格遵守安装密封环的工艺流程。

4）SF6断路器本体寿命高,检修周期长,大修周期达15-20年之久。如果因设备状况差需要解体检修，则零部件在检修清理干净后都必须在烘箱内进行干燥处理(120℃、4h)，然后才能装于开关上。应避免在湿度大的天气检修断路器。

5）SF6气体中的水分，有毒气体可以用吸附剂来吸收。完成设备零部件装配后，烘干吸附剂，务必保证吸附剂在空气中暴露的时间尽可能的短。尽量减少吸附剂自身带入的水分

6）抽真空。在SF6断路器充气之前，应该对其进行抽真空到26～40Pa，持续1小时。抽真空的目的是将设备内含有的水分、杂质去除。之后用高纯度N2干燥24h，测量N2中的含水量，当数值≤4×10-3（体积比）即可。

4 SF6气体含水量的测量方法简介

SF6气体含水量的测量方法根据原理不同，通常可分为三种：电解法、露点法和阻容法。

1）电解法。采用库仑法测量气体中微量水分，其定量基础为法拉第电解定律。当被测气体以一定流量流经电解池时，气体中的微量水分将全部被五氧化二磷（P205）膜层吸收，并被全部电解。此方法属绝对测量法，稳定、不漂移，缺点是电解池寿命有限，需要再生，并且对气体流量要求较高。

2）露点法。所谓露点，是指空气或其他气体中水蒸气达到饱和而结霜时的温度。露点仪是最准确、最可靠、最基本的测量方法，被广泛地用于标准传递，但其缺点是价格比较昂贵，并需要有经验的人操作及保养。

3）阻容法。阻容法是利用湿敏元件的电阻值或电容值随气体湿度的变化而按一定规律变化的特性进行湿度测量的。由于其传感器电参量和气体湿度之间的关系曲线会随时间和仪器的使用而变化，因此此类仪器需要经常标定才能保证测量准确。

5 结论

SF6断路器是电力系统中重要的保护和控制元件,如果断路器发生故障,可能会造成很大的经济损失。我们在生产过程中要充分重视对运行中SF6断路器的微水含量检测，超标时及时处理，防止事故发生，保障供电安全。

参考文献

[1] DL/T 596-1996《电力设备预防性试验规程》

[2] DL/T 506-2007《六氟化硫电气设备中绝缘气体湿度测量方法》

[3] GB12022-2006《工业六氟化硫》

[4] IEEE标准《IEE Guide for Moisture Measuremenand Control in SF6 Gas-Insulated Equipment》

[5] 徐国政等编著.高压断路器原理和应用. 清华大学出版社, 2000

[6] 孟玉蝉等编著.电气设备用六氟化硫的检测与监督.中国电力出版社,2009