SF6电气设备中气体水分的测试和干燥处理

[摘 要]本文阐述了六氟化硫（SF6）设备中水分的来源及危害，针对目前在SF6气体水分测试及设备干燥管理方面存在的问题，结合生产实际进行了分析讨论，指出在水分测试和设备干燥处理时应注意的一些问题，提出了我国现行水分标准存在的问题及修改意见。

[关键词]六氟化硫 水分测试 干燥处理 高压电气

中图分类号：Q948.112+.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）12-0060-02

随着六氟化硫（SF6）电气设备的广泛应用，对于SF6气体的维护监督工作提出了迫切的要求，由于SF6气体中水分的存在，在一定条件下会导致电气性能劣化，甚至造成严重设备事故。在电弧作用下，SF6分解产物与水分反应会生成许多有毒和强腐蚀性物质，这些物质对人和设备均有很大的危害。所以，对SF6电气设备中水分的分析和控制具有十分重要的意义。

1 电气设备中水分的来源及其危害

1.1 SF6电气设备中水分的来源

SF6电气设备中水分的主要来源可归纳成以下几个方面：

1.2 SF6电气设备中水分的危害

SF6气体中的杂质危害大致可分为三大类。一是毒性杂质如SF4和S2F10等低氟化物；二是腐蚀性杂质，如氧、酸等；三是降低SF6绝缘性能的杂质，如水、空气等。这三种危害无一不与水分有关：

a.参与产生的有毒物质

在电弧（高温）的作用下，加之微量氧气的存在，会破坏SF6的稳定性。甚至在低温

下就可发生水解反应，生成有毒的氟氧化物和金属氟化物。形成有害物质的主要化学反应如下：

如灭弧室内混有微量氧气，还会发生下列反应：

以上的反应产物SF4.SOF2、SOF4、HF和SO2等都是有毒气体。

b.引起设备腐蚀

以上反应产物中的HF、SO2和H2SO3都是腐蚀性很强的物质。尤其是HF的活泼性很强，除少数材料如聚四氟乙烯等可以防止腐蚀外，其它大多数材料都可与之反应。当水分较多甚至结露时，HF会生成氢氟酸，SO2生成亚硫酸。氢氟酸和亚硫酸的腐蚀性要比气态的HF和SO2强很多，破坏能力会成倍增长。

大多数的开关触头含有金属钨（W）和铜（Cu），在水分的参与下还会发生下列反应：

由以上反应式可见，由于水分的存在使反应（1）得以继续进行，从而加速了电极材料的腐蚀。反应产物WO3、CuF3为有毒的金属粉尘，WF6为气态。

c.降低SF6气体纯度和绝缘性能

通常SF6气体中的水分是以水蒸汽的形式存在的。如果水分超标，当温度降低时，水蒸汽便可能凝结并附着在瓷套、电极等部件表面上，从而使绝缘件表面产生沿面放电引起事故。另外，在电弧作用下，由于水分的参与，会产生许多气态杂质（见上述有关反应式），这些气态杂质会降低SF6气体的纯度而导致SF6的绝缘性能降低。

2.影响水分测试结果的因素

2.1 测定钢瓶中SF6水分时钢瓶放置的影响

原因分析：SF6气体极易液化，钢瓶内的多数以液态形式存在。瓶口向上测定时，测得的水分结果是气相SF6中的水分，而瓶口向下时测得的是液相SF6中水分。根据亨利定律，水分在气液两相中的浓度按一定分配系数分配，因而表现出钢瓶的位置不同，测得的水分结果也不相同。

2.2 设备（包括干燥剂）的干燥情况及气体充入时间与气体含量的关系

我们在干燥处理某厂SF6开关时，得到如表2的一组数据。

据调查，在安装以上开关时，开关内所放干燥剂未经严格处理便装入设备，使得在以后的设备抽真空干燥处理过程中出现表2所列的情形：新充入的干燥气体随时间的延长，气体水分含量显著增加。可见设备本身的水分（包括干燥剂内部的水分）会逐渐向充入的干燥剂的气体中缓慢扩散，使测试结果在不同时间内有所不同。水分的扩散在SF6气体处于静止状态下完全靠水分子的气固两相水分互相渗透，达到平衡需一定时间。这样，在SF6电气设备抽真空干燥处理时，注入干燥气体后应放置一定时间后再进行气体的水分含量测试，否则不能反应设备的真实干燥（或受潮）情况。

2.3 测试水分时取样系统气密性的影响

在测试气体水分时，连接取样容器（即设备、钢瓷等）与测试仪器之间所用的管路、阀门和接头等统称为取样系统。一是取样系统本身预先干燥问题，二是取样系统泄漏会明显影响试验结果，这是早有定论的。但一些试验人员对后一点往往产生误解，认为：在水分测试时，取样系统内的气体压力都要大于周围环境压力，取样系统有漏泄点时，只能出现被测气体向外漏泄，而不会出现外界气体包括水蒸汽进入系统。下面从气体分子运动学和道尔顿分压定律以及液体力学等方面对这一问题加以理解和讨论。

从气体分子运动学角度看，气体分子是在远大于本身大小的空间中运行的，运动速度有的很大，有的很小，并且不断相互碰撞而改变着运动的微观状态在。气体的性质，就是这种分子运动的宏观表现。例如气体的压力就是由于气体分子对器壁的碰撞面引起的，是气体分子对器壁碰撞的统计平均结果。就是说，压力的大小只是众多气体分子运动的统计平均，尽管宏观上的压力较低，但个别气体分子仍可能有较强的能量向某一方向运动。从道尔顿分压定律（混合气体的总压等于各组分气体分压之和）可知，SF6水分测试系统的压力是由气体和水蒸汽等各种气体的分压之和构成的，但其中水蒸汽的分压（即水分含量）要远远小于测试环境中的水蒸汽分压，一般可差1―2个数量级。即P外水≥P内水（P外水、P内水分别表示测试系统外和测试系统内水蒸汽压力）；从流体力学可知，在漏泄点处会产生涡流现象，流体不仅有向外流动的趋势，同时有向系统内返回的可能，如图1所示。这样，在漏泄点附近即有足够大的水蒸汽压差，又有流体向系统内流动的趋势。因此，测试系统一旦漏泄，尽管系统内总压大于外界压力，而外界水蒸汽仍可能进到系统内。

某厂在进行SF6开关干燥处理时，将已接近合格标准的气体直接从设备中排向大气，至表压约0.1MPa，然后又向设备内充入干燥气体。操作人员认为，水分已接近合格标准的气体经如此”换气’后，水分一定会降低而达到合格标准。但结果不仅没有使水分降低，反而却增大了许多。“换气”前后气体水分试验结果见表3。之所以会出现表3所列的现象，很可能同样是由于忽视了大气中的水蒸汽分压大于设备内水蒸汽分压的事实，从设备向大气中排放气体的过程中，使大气中的水分通过排气门进入设备。

2.4 环境温度对运行中SF6气体中水分测试的影响

3 结论及建议

a.测定钢瓶中SF6气体水分时，测试结果与钢瓶的放置位置（瓶口向上或向下）有关，且相差很大。瓶口向下时，测得的是液相SF6中的水分，瓶口向上时测得的是气相SF6中的水分。考虑到钢瓶中的SF6绝大多数以液态形式存在，在实际水分测定时应将瓶口向下，测定液相中的水分。将钢瓶中的SF6向电气设备内充装时，瓶口也应向下，以减少水分的进入，同时以便使测试结果与实际应用相一致。当瓶内SF6气体压力降至较低时应停止使用，以避免残余的气体将高浓度的水分带入设备。

b.在设备进行干燥处理时，充入设备的干燥气体应放置足够长的时间（最好在48小时以上），使设备内水分扩散到气体中来并达到平衡，然后再进行水分的测试，这样才能真实地反映出设备的干燥（或受潮）情况。必要时，在一定的时间间隔（如24小时）内测定两次，以观察水分的变化情况。如两次测定无变化，说明水分扩散已达平衡，测得的水分值可代表设备的干燥情况。

c.进行水分测试时，取样系统和水分测试仪应预先干燥并严密不漏。也不能使用有较大渗透性的乳胶管或塑料管，应使用材质致密的金属管或聚四氟乙烯管。否则，即使测试系统内的压力大于外界压力，大气中的水分仍可进入到测试系统中，影响试验结果。

d.在进行设备干燥处理时，不可采取充气---放气，再充分再放气的方法进行置换以取代干燥，在放气过程中，特别是在放至设备内气体压力较低时，大气中的水蒸汽会进入设备而达不到干燥的目的。正确的干燥方法是：先对设备抽真空干燥，然后通过一预先连接好的三通将高纯氮气直接注入设备，如此反复直至氮气水分含量合格。

e.参照国外对SF6设备中气体水分的控制标准及我们的测试情况看，我国现行的水分标准不考虑温度因素，有很大的不合理性。因为同一台设备在某一温度下测得的水分是合格的，而在另一温度下测试可能会严重超标。因此建议：水分标准应规定标准温度，并给出温度曲线。根据我国一年四季的气温情况，建议标准温度选择为20℃较为合适，这样可尽量安排常规的水分监测工作在春秋两季进行，使运行及测试环境温度（20℃左右）与标准温度基本相同，避免由查温度校正曲线带来的误差和烦琐

参考文献

[1] 电力行业电厂化学标准化技术委员会.电力用油、气质量、试验方法及监督管理标准汇编.第452-459页.北京：中国电力出版社，2002.