六氟化硫绝缘气体应用之我见

摘要:阐述了六氟化硫的发展以及在电气设备（本文仅针对SF6断路器）上应用时应注意的事项、存在的问题、如何预防和维护要点进行了简要分析。

关键词:SF6断路器 检漏 微水 维护

中图分类号：TK228文献标识码： A

1.引言

六氟化硫是一种无毒、不燃烧、具有优异绝缘和灭弧性能的气体。这种绝缘介质在高压电器中的应用，使传统的输变电设备的面貌、技术性能大为改观，推动了电网技术的进步，加快了电力建设的发展速度。随着电力工业的迅速发展和技术装备水平的提高，六氟化硫电气设备大量投入运行，相应需要完善和加强对气体绝缘设备的技术监督。正如在电网行业中SF6断路器因其自身的优势，现在已经基本代替了有断路器。SF6断路器所使用的灭弧气体就是六氟化硫气体，具有强灭弧能力、高耐电强度等特点，它在重量、体积、开断性能、载流能力、绝缘性能、环境适应性等方面都超过了油断路器，因此在电力系统得到广泛的应用。下面谈谈SF6断路器在生产运行中应用时应注意的事项、存在的问题、如何预防以及维护要点。

2.六氟化硫断路器的发展历程

第一代SF6断路器为双压式结构，即在断路器内部设置高压区与低压区两种压力系统。低压区的压力一般为0.3~0.5MPa，主要用作内部绝缘。高压区的压力在1.5MPa左右，在分断过程中吹气阀打开时高压区气体流向低压区，，经触头喷口形成气吹使电弧熄灭。气吹过程停止，分断过程结束。高低压区之间有管道和气体压缩机连接，利用气体压缩机的气体压缩输送，使高低压区的气体压力维持在原设置的压力下。双压式SF6断路器结构复杂，且需管道和压缩机连接，加上高压区的SF6气体液化温度高（如在1.6MPa下，SF6的液化温度为5℃），还需设置电加热装置。

第二代SF6断路器为单压式结构，它只有一个压力不高的气体系统，结构简单，工作压力一般为0.6MPa，液化温度为-30℃。除一些高寒地区外，一般地区使用不加热也不会发生液化的情况。单压式SF6断路器开断时利用压气缸与活塞的相对运动把SF6气体压缩，产生气流在触头喷口高速喷出，使电弧熄灭。

旋弧式断路器较单压式更为发展，这种断路器摆脱了普通断路器靠吹弧气流带走在弧柱等离子区中产生的能量方式，而是靠电弧高速旋转，使SF6气体更有效地冷却电弧，把电弧能量带走。

自能膨胀式SF6断路器可称为第三代SF6断路器，它利用电弧能量加热膨胀室内的气体，气体温度的上升引起了气体压力的增加。这种具有压力的SF6气体，一方面用来在电流过零时吹弧，另一方面在电极间形成绝缘间隙。这种断路器不需要压气缸，断路器的总体结构简单紧凑，触头开距变小，且所需的机械操作功小。

3.六氟化硫的灭弧原理

（1）SF6气体的分解温度（2000K）比空气（主要是氮气，分解温度约7000K）低，而需要的分解能（22.4eV）比空气（9.7eV）高，因此在分解时吸收的能量多，对弧柱的冷却作用强。由于气体分子的分解，在相应的分解温度上就出现气体导热率的高峰。

（2）SF6在高温时分解出S原子、F原子和正负离子，与其他灭弧介质相比，有较大的游离度。在维持相同游离度时，弧柱温度就较低。因此，SF6气体中电弧电压也较低，燃弧时的电弧能量较小，对灭弧有利。

（3）由于SF6的强电负性，能吸附电子和正离子复合，故复合作用快，去游离作用强。尤其在电流过零前后，可使弧隙中带电粒子减少，导电率下降。SF6气体电弧的时间常数也很小，为微秒级或更小，在电弧电流过零后，弧柱温度将急剧下降，分解物急剧复合。因此SF6弧隙的介质强度及其恢复速度都很高，能耐受很高的恢复电压作用，电弧在电流过零后不易重燃。

SF6气体中电弧的熄灭原理与空气电弧和油中电弧是不同的，它并不仅依靠气流等的压力梯度所形成的等熵冷却作用，而主要是利用SF6气体特异的热化学性质和强电负性，使得SF6气体具有很强的灭弧能力。。对于灭弧来说，供给大量新鲜的SF6中性分子并使之与电弧接触是有效的方法。

4.六氟化硫断路器在生产运行中存在的问题

4.1 水分的危害

SF6气体中水分的含量对开关设备的安全运行有一定的影响，水分含量过大，使气体中酸性腐蚀性的气体HF和SOF2的含量增加，开关绝缘容易受潮，绝缘性下降，存在着安全隐患。一般认为，SF6断路器在正常运行情况下，有害气体的分解量不应大于10-4量级。这些有毒气体对金属器件和绝缘器件会产生腐蚀作用，如果微量水的存在就会加重腐蚀了，某些分解产物，还具有毒性，如果发生泄漏对工作人员的健康和周围的环境都很构成威胁。

4.2压力的影响

在SF6断路器设备中所使用的SF6气体的额定压力在20℃时，气体的额定压力一般为0.6-0.7MPa。若SF6气体压力降低将会造成压缩的压力和排气的压力相比相差较小，这样不能在短时间内使电弧冷却。这样会带来很多问题，将会导致电弧的半径变大，将会可能出现喷嘴堵塞的危险而造成事故。

如果设备的气体压力偏低，需补充气体，在补气之前需要测量气体中的水分含量，其合格可直接补气，如若不合格应将气体回收，作相应处理后抽真空，再充入合格的气体，再充装气体的过程中会有杂质的介入，使其杂质含量升高。同时从气瓶中取SF6气体时，必须使用减压阀是瓶内的压力下降，充气前应先把充气管内的空气排除，防止充入断路器内，充气之后瓶阀门一定要拧紧，防止气体外泄。由于充气管路和电器设备材质中自身含有水分向气体中扩散;管路的连接处的渗透现象。

4.3固体杂质的影响

固体杂质的来源一般有以下几种情况：

（1）设备在出厂时没有处理干净；

（2）断路器在工作时，金属之间的磨损导致金属构件脱落而来的；

（3）在化学反应过程中分解的粉尘颗粒。

这些杂质对SF6气体的击穿电压有很大的影响，杂质的大小，形状，材料和位置对击穿电压影响的大小都是有关系的。

4.4温度和湿度的影响

SF6断路器在实际工作过程中，在不同的季节也就是在不同的温度下同一台设备所测得水分含量的数据是不同的，在低温的情况下微水的含量小，相反在高温时微水的含量就会高一些。环境的湿度对部件中水分的影响，主要是在存放和组装过程中，所以可以再组装之前先对部件进行烘干处理，组装环境的温度25℃左右，相对湿度要控制在60%以下。归根结底，温度和湿度的影响到微水和有毒气体的含量，使其对设备产生影响。

5.SF6断路器维护要点及注意事项

首先，SF6断路器到安装现场之后，注意观察部件是否受潮，在装卸断路器时应尽量轻移动，避免剧烈碰撞，不得随意打开阀门，在安装瓷套的过程中要特别小心，防止瓷绝缘子被打碎，切忌不能用硬物撞击到SF6气体管路和气体的阀门。在断路器充气时气体管路要保持干燥和干净。SF6断路器必须定期检漏、分解产物的含量以及微水的含量需要定期检测，检测场所周围的环境应该保持清洁。

5.1气体的检漏

SF6气体泄漏的原因主要是在焊缝、密封面和管路接头处的裂缝或密封不严的地方。对SF6气体进行检漏的过程一定要使用专用检漏仪。如果发生大量的SF6气体泄漏情况（虽然这种情况出现的几率极小），工作人员不得停留在现场，要远离泄漏点10m以外，直到泄漏停止后，才可以进入该区域。如果是电气设备内部发生问题，在电气设备内部一定会存在SF6电弧分解产物，在打开外壳清除之后，在检测工作过程中，很有可能会接触到污染的部件，一定要使用防毒面具，而且还要穿戴防护工作服。

为了保证工作人员可以SF6断路器室内的安全工作，按有关规定要求空气中氧气浓度含量不应低于18 %，正常的维护检漏必须对工作室进行换气通风15min以上。在对SF6断路器检漏的过程中，必须严格执行产品说明书中的要求，不可以让检漏仪的探头长时间处在高浓度SF6气体之中，这一点在工作过程中容易被忽略，当探头触及到高浓度SF6气体的时候，表针（指示灯）就会立满刻度，强烈报警，这时侯应马上将探枪（探头）离开，移到洁净区。

5.2 含水量检测

SF6断路器中对SF6气体的含水量及纯度都有极为严格的要求。在正常运行的过程中内部由于发生闪络，就会生成几种SF6分解物，大气中的水分也会渗入到气体的绝缘设备中，较高的气压下，过量的水分很容易使气体的绝缘强度下降，甚至在设备内部会发生闪络事故。有些活性杂质，例如SO2、HF等具有强烈的腐蚀作用，会对气体绝缘设备的构件产生腐蚀作用，一些分解物还具有毒性，如果泄漏出来将会影响工作人员的健康，污染环境。因此，必须保证充入到电气设备里的SF6气体是合格气体，在充气的过程中，一定要严防水分渗入。

根据我国有关规定，断路器采用新SF6气体时，其中水分含量是≤8×10-6。机械特性试验之后在测量气体的含水量不应该超过150×10-6。在设备中充有SF6气体单元，进行检修安装的时侯，一定保持SF6的气压是正压，避免潮气的进入。

对于气室的处理包括干燥和清理两种形式：

（1）气室清理主要包括对灭弧、绝缘、金属外壳和导体等部分进行清理；

（2）高压电器气室干燥工作主要是依靠抽真空以及注入高纯氮的形式进行干燥处理，在真空处理的过程中，最后一次是干燥处理，一定保证气室的干燥合格。

5.3其他注意事项

工作人员在定期检查巡视的时候，应及时发现漏气的现象，如发现漏气现象必须找出漏气点并采取一定的措施进行处理，能够定量计算出漏气的量，判断SF6气体对断路器运行的影响程度；应观察瓷套有无破损、结构是否变形、气体压力表是否损坏、SF6气体阀门和管路是否变形、有无发热异常现象、导线是否良好；是否有闪络现象、接头是否楹动。还可以根据曲线来观察压力表的情况。当闸合不上或跳不开的故障时，应先查看在合闸的操作时合闸铁芯是否正常，如动作就要检查合闸弹簧的储能、机构是否卡涩，动作电压过低（操作电压不能低于85%额定电压），若仍不动作，就要检查合闸回路得情况，其合闸线圈是否烧坏、是否接通、辅助开关到位否等其它方面，跳不开的动作电压可能是太低（不可低于65%额定电压）。

6.实例论述SF6断路器的气体泄漏检测

我公司的SF6断路器最常见缺陷为气体泄漏，然而在生产运行中，不可能随意停电检修，故我们选用紫外电离检测法、电子捕获法以及肥皂泡法进行检漏。

6.1紫外电离检测法

紫外电离检测是利用紫外线将检测气体中的氧气和六氟化硫气体离子化，根据它们的离子迁移速度和对电子吸收的能力的差异，迅速简便地测定出在检测的气体中所包含的微量六氟化硫的浓度。

6.1.1仪器结构

图6-1是紫外电离检测器原理图。仪器是由检测器（包括紫外灯、光电面、加速电极等）、气路系统（包括探头、气体净化管、抽气泵等）以及电子线路组成。

图6-1

6.1.2检测原理

紫外检测器中的紫外灯以2kHz振荡频率脉动，发射出1849×10-10m的紫外线。紫外线通过网状的加速电极，直接照射在光电面上，使光电面发出自由光电子。在光电面与加速电极之间通过被测气体，使被测气体中的氧气和六氟化硫气体吸附在这些光电子上。这些光电子在光电面和加速电极之间施加的电压作用下，被电离为离子状态，以各自的迁移速度向光电面移动。由于氧气和六氟化硫气体的负电性不同，对光电子俘获能力不同，则形成不同的迁移速度。利用这种速度差别形成的离子流的相位差，将相位改变的离子流检测出来，就可检出六氟化硫气体的存在及浓度。下式表示与上述迁移速度有关的离子电流：

e―离子的电荷；

Vk―离子迁移速度；

d―光电面和加速电极间的距离；

n―离子数；

i―离子电流。

由于d是固定的，离子电流i由离子电荷和离子迁移速度所决定，对六氟化硫气体来说则主要由离子数来决定，离子数则指示气体中的六氟化硫浓度。这样检测器就可以定量地检测出六氟化硫的浓度。由于气体中的水分及灰尘净化器。在检测器的出口通常也装有气体净化器，用于消除检测器中产生的臭氧。

6.2电子捕获检测法

电子捕获检测采用放射性同位素Ni63作为检测器的离子发射体。该类仪器只对具有电负性的气体（如卤素物质以及含有O、S、N分子的物质）产生信号，灵敏度随物质电负性的增强而增高。

6.2.1仪器结构

仪器由探头和控制器组成。探头包括有电子捕获检测器、检测管、信号放大器和指示器、浓度报警器。控制器包括载气钢瓶、气体控制部件、信号控制系统及电源。

6.2.2检测原理

当载气通过放射源时，β射线的高能电子使载气电离形成正离子与慢速电子，向极性相反的电极定向迁移形成基流。当电负性气体（如六氟化硫）从探头进入检测器时，捕获了检测器中的慢速电子生成负离子，其负离子在电场中的运行速度比自由电子的低。待检气体负离子与载气正离子复合成为中性化合物，被载气带出检测室外，而使原有的基流减少。该基流的减少量与被测气体的浓度成一定数量的比例关系。这样，通过信号放大器，将变化了的基流转为浓度指示信号输出，从而达到检测气体浓度的要求。

6.3肥皂泡检测法

肥皂泡法检漏此法对于泄漏较大时或运行中的设备可以采用。将肥皂水用刷子涂在可能泄漏的密封环节上，出现向外鼓泡的地方就是漏点。根据相关工作经验，用洗发香波或洗洁精效果会更好，用此法可检出泄漏速率约104ml•MPa/s的漏点。

SF6断路器本体的漏气部位有：支柱驱动杆和密封圈划伤处、充气阀密封不良处、支柱瓷套根部有裂纹处、法兰联接处、灭弧室顶盖有砂眼处、三联箱盖板、气体管路接头、密度继电器接口、二次压力表接头、焊缝和密封槽与密封圈（垫）尺寸不配合等处。

SF6断路器中的气体虽然泄漏到大气中的SF6浓度很低，但它在大气中有很长的残存期，并能吸收红外幅射而产生温室效应。此外，频繁补气和SF6气体的大量泄漏，不仅影响设备安全运行，也影响工作人员的身体健康。

从运行情况来看，不管是国产还是进口设备，都存在SF6气体泄漏的问题。泄漏的原因主要来自制造厂，如铸件有砂眼、焊接处有裂纹、密封槽和密封圈尺寸不配合、密封圈老化、密封圈材质与法兰材质不相容、组装中密封工艺处理不当以及密度继电器存在质量缺陷等。

6.4设备情况及压力数据

110kV银杏变电所1102断路器压力异常，我班组对该断路器进行补气和检漏工作，详细数据间表6-2

表6-2 110kV银杏变1102断路器

6.5设备现场检漏

到达现场后，我们对其补充SF6气体后，因现场设备未停电，根据工作经验，在安全距离范围内的断路器部分进行检漏。

对断路器的焊缝处、密封面处、管路接头处、气体压力表处和气体阀门处进行检漏，用电子捕获检漏仪以不超于25mm/s的移动速度来检测有无漏点，经过三次循环检测发现，仅检测仪移动到C相底座时，检测仪才有泄漏告警，因现场环境等客观原因，电子捕获检漏仪无法确定漏点存在位置。

继而采用紫外电离检测仪进行检测，经多次检查核实确定漏点存在于C相底座浇铸体处。因肉眼无法看到漏点，随后我们将肥皂水刷涂在浇铸体上的告警区域，发现如图6-3所示标注处有砂眼，经重复刷涂确定了气体泄漏点仅有一处。

图6-3 黑色记号笔标注漏点

经过多次检漏实践证明，至今发现的9台气体泄漏的SF6断路器均是采用此三种检测法配合查找出漏点。

综上所述，在实际应用中电子捕获检测仪虽携带方便，也能迅速检测出大致气体泄漏部位，但无法准确定位漏点，需配合紫外电离检测法测定具体部位，必要时采用用肥皂泡检测法定位气体泄漏点。

7.结论及建议

综合以上几点分析可以认为断路器泄漏是由于制造厂工艺和材质引起的。建议制造厂在改进制造工艺的同时，还应考虑带电检漏时的方便性、安全性、密封性加以改进。

参考文献：

[1] 孟玉婵、朱芳菲.电气设备用六氟化硫的检测与监督.中国电力出版社,2009

[2] GB/T8905.六氟化硫电气设备中气体管理和检测导则.中国电力出版社,1996

[3] 朱宝林.SF6断路器使用中应注意的问题.电力安全技术,2002