来源： 电联智造
推荐单位：辽宁清河发电有限责任公司
本文作者：武文圣、车禹嘉、吕春雨、明晓敏
摘要
六氟化硫作为GIS设备绝缘和灭弧介质，其含水量直接影响GIS设备的绝缘性，灭弧性能，本文浅谈六氟化硫水分检测，对于断路器中SF6气体水分超标的处理及一些控制断路器中SF6气体含水量的措施。
前言
随着大陆电力事业的不断发展，六氟化硫气体（SF6）作为当今应用于电力设备最理想的绝缘和灭弧介质，在高压开关设备应用中受到越来越多的重视。六氟化硫含水量的控制是六氟化硫气体应用中一项重要的测试项目，含水量的多少决定了高压开关设备的运行安全性。本文首先介绍了六氟化硫在高压设备中的应用，六氟化硫设备中气体水分来源。水分对高压开关设备的危害性，水分含量控制的重要性，综述了目前国内外测量仪器对SF6气体微水的监测方法，对于断路器中SF6气体水分超标的处理及一些控制断路器中SF6气体含水量的措施。
PART 1六氟化硫在高压设备中的应用及气体水分来源
SF6气体由于化学稳定性好在高压设备中得到广泛的应用。在温度180度以下，它与氮气的性质相似，都为惰性气体，都是无色、无毒、无味、不燃烧且没有腐蚀性。当温度到达500℃时，纯净的SF6气体也不会发生分解。只有在高温环境下，电弧放电，SF6气体才发生分解。而当电弧被熄灭后，温度也随之下降，SF6具有良好的恢复性，所以原本被分解的SF6气体会重新结合成SF6分子，循环利用，延长了断路器的寿命。
但是在每次灭弧过程中，SF6会分解出硫化物及其它的产物。若有频繁开断过程，电弧产生的持续高温，会使SF6气体分解物和金属蒸汽发生化学反应，结合生成具有强腐蚀性和绝缘性的氨氣酸盐和硫基酸盐等固态小颗粒，这些小颗粒会吸附在触头表面，严重腐蚀触头材料，导致触头表面接触电阻急剧增加，使SF6断路器的接触触头不能可靠工作。所以该气体适合作为不频繁动作的高压电器的绝缘、灭弧介质。此外SF6气体在电弧放电时的高温环境下分解产生的腐蚀性气体，对铝合金有严重的腐蚀作用，甚至对酚醛树脂层压材料和瓷绝缘也会造成损害。
SF6电气设备中水分主要来源于四个方面。一是SF6新气带入的水分。大陆规定SF6 新气中水分为8μg/g，相当于65μL/L。二，安装设备时混入的水分，大型设备在现场安装充气，安装完成后，虽然进行了抽真空及干燥工艺，但是不可能把设备内壁水分完全排除。三，固体绝缘（如环氧树脂）本身含有一定量水分，随运行时间的延长及温度变化缓慢释放。四，SF6 设备渗漏而进入水分。
在SF6断路器中，水分会与SF6气体分解物中的SF4。产生氢氟酸（H2O＋SF4→SOF2＋2HF）而腐蚀触头材料，因此必须严格控制SF6气体的含水量，使其不超过规定的标准值。
当水分含量较高时，SF6气体在温度高于200℃时就可能 产生水解反应，生成S02和HF。S02可进一步与H20生成亚硫酸。氢氟酸和亚硫酸都具有腐蚀性，可严重腐蚀断路器内部零部件。水分会加剧低氟化物的水解。SF6在5000℃ 以上高温电弧作用下可分解成原子态S和F。电弧熄灭后，S、F 原子虽然重新又结合成SF6，但其中仍有一部分结合不完全而生成低氟化物。在SF6被电弧分解成原子态的S、F的同时，断路器触头蒸发出大量的金属铜和钨蒸汽，该蒸汽与SF6在高温下会发生反应，生成金属氟化物CuF2、WO3和低氟化物SF4。由于水分的存在，金属氟化物水解,低氟化物可进一步水解生成剧毒氟化亚硫酸。
在严重情况下，SF6气体中的水分还会在绝缘层表面液化，如触头、绝缘子，使绝缘强度显著降低，甚至引起沿面放电。
PART 2目前国内外测量仪器对SF6气体微水的监测方法
目前，国内外对高压断路器设备中SF6气体微水含量的测量主要使用微水仪，在SF6断路器中抽取适量SF6气体，再离线进行标准测量。微水仪的原理较多，主要有、重量法、电解法、阻容法、露点法、红外光谱吸收法等。其中，电解法和露点法采用得比较多。
（1）重量法
重量法是电力行业SF6气体水分测量的仲裁方法。其用恒重的无水高氯酸镁吸收一定体积SF6气体，通过判断重量来得知SF6的微水量。优点是直接测量，结果直观。缺点是实验条件控制严格，操作要求高且操作繁琐，测试时间长，只适用于实验室测量。其测量装置见图1
图1 重量法水分测定装置示意图
1一氮气瓶；2-六氟化硫气瓶；3-减压阀；
4-干燥塔；5-四通阀；6-流量计；
7、8、9、10-吸收管；11-干燥箱；12-湿式气体流量计
（2）电解法
电解法亦称库伦法，早期电力行业普遍使用。是将SF6气体通过一个电解池，其中的水分会被池内涂覆五氧化二磷的吸湿薄膜吸收电解。含水量与电解电流成正比。这种方法优点是费用低，电流测量准确，适宜测量纯净气体。缺点是在进行测量前需要对电解池的气路进行长时间干燥处理，测量平衡慢，耗气量大。而且要求检测气体要清洁，否则会引起电解池短路。其测量装置见图2
图2电解法水分测量装置示意图
1-旁路流量计；2-连通管；3-电解池；
4-测量流量计；5-干燥器；6-控制阀
（3）阻容法
阻容法是利用电容器中吸湿性绝缘介质的介电系数（水分含量与介电系数成反比）大小来判定SF6中水分含量。优点是测量快速，缺点是氧化铝薄膜受气体中腐蚀性介质影响，精度较差，目前正被高分子薄膜传感器取代。其结构装置见图3
图3 电容器结构及原理图
（4）露点法
露点法是采用镜面冷却技术，镜面上水分所形成的凝露或霜时，仪器上指示温度为气体露点温度。识别气体是否结露（霜）分为两种方法，一是利用入射光与反射光偏移原理识别，但是镜面上灰尘、盐积物会产生误差。二是表面声波法识别，镜面上杂质对检测影响较小，检测精度大为提高。其优点是测量速度快、测得的数据稳定；但缺点是不太适合现场读数，因为运行设备中气体往往含有腐蚀性成分及灰尘等杂质，且在夏季高温环境下，空气冷却效果差，无法测试低含量气体中水分。两种测定原理见图4图5
图4光学法露点检测原理示意图
图5表面声波法露点检测原理示意图
（5）红外光谱吸收法
红外光谱吸收法根据气体分子的光谱理论，研究水分子的近红外光谱吸收特性，给出检测水分含量的理论依据。不同的光的波长是不一样的，而SF6气体也有特定的光谱，两者光波长相同时，就能够发生共振，通过测光的强度衰减的程度来判断SF6气体微水量。优点有应用范围广、特征性强、提供大量的信息。缺点是不适合现场在线检测，且仪器价格昂贵。
本厂目前对SF6断路器进行微水检测的方法，主要是定期在现场使用露点仪进行检测，主要存在缺陷有：
（1）测量受环境温度限制
露点仪器不能在低温环境下测量，存放和工作环境温度约为-10℃~+50℃。为保证环境温度对测试结果的影响较小，选取每年的4月及10月，环境温度在20℃左右时进行现场测试。
（2）费时、费事、费气
露点仪的测试时间较长，需长时间排放SF6气体供测试。由于通气管道含有湿气，测量之前需花至少10min对通气管道进行干燥处理。一个完整准确的测试过程大约需要25~35min，按标准取样气体的流速计算，即30~40L/h，一个气门测试需要抽取并排放SF6气体约15升，会对现场工作人员的身体健康造成影响且污染大气。
（3）离线检测
采用露点仪定期检测属于离线检测方法，不能实时反映设备运行状况和各项参数的动态变化。且露点仪不能实时准确地监测SF6断路器气室内SF6气体的密度、温度和湿度，并提前预知各个参数的变化趋势，不能做到实时监测，更不能实现对检测的数据进行通信传输和预警提示，无法实现变电站综合自动化的设计要求。
（4）测量受环境湿度限制：
表1为我厂近期一次钢瓶气体湿度分析。钢瓶位于GIS间，测量仪器为露点仪，测量时采用普通减压阀接仪器自带管路。其中，2021年5月28日#2瓶数据异常，#2钢瓶是当天测量的第一瓶气体，测量人员在下雨天气携带仪器及管路测量，原因怀疑为管路内壁在高湿度天气附着大量水分，虽然有长时间气体冲刷，但数据只勉强平衡在一个较大的数字。当日后测的几个钢瓶水分比#2瓶水分低，但是与良好天气的测量数据相比，水分含量依然较大。且数据平衡时间过长，浪费大量气体。由数据表明，环境湿度对露点仪测定影响较大，测量时应选择晴天且湿度不大于60%。
表1 近期一次钢瓶SF6气体湿度分析
PART 3测试SF6气体水分及水分超标时处理注意事项
测定SF6 气体应用吸湿率低的专用管路，保持清洁干燥，连接处应密闭不漏。
做SF6 设备内气体水分验收试验时，从SF6 气体充入到测试，时间间隔不低于24h，避免设备内气相—固相动态传质不平衡引起误差。
运行SF6 断路器内水分应选择环境温度为20℃左右时天气测定，在报告中注明环境温度。SF6 测定仪应定期校正。用露点仪测定时，若结果以体积比或质量比表示，应查找该露点下饱和蒸气压，按运行设备的实际压力进行换算。注意内部绝缘材料中挥发出的有机溶剂对检测结果的影响。当SF6断路器中水分超标时，即刻分析原因并及时检修，避免更大损失：
水分超标处理注意事项
（1）SF6水分处理过程，应在晴天且空气相对湿度< 80%的条件下进行。在回收气体时要注意通风和空气湿度，做好防护措施，以免人员中毒。
（2）充气过程中，务必根据现场环境温度和设备温度曲线确定充入SF6气体的压强值。当断路器本体压力接近额定值时，调节减压阀减慢充气速度:当压力指示到额定值时关闭充气阀门，观察5~ 10min，当压力无变化后，才结束充气。
（3）更新密封圈。更换密封圈时，需检查确认密封圈无硬化、变形、刮伤、裂纹和起毛等缺陷，并用无水酒精清洗密封圈并擦净。应核对“0”形密封圈尺寸、保证它们与密封槽配合良好。在与大气接触侧的密封圈与密封槽之间隙涂上密封硅脂(不要涂在接触SF6气体侧)。在外部空气侧的整个法兰面上薄薄地涂敷层密封硅脂，防止潮气渗入、防锈。
（4）在更换吸附剂时，吸附剂的烘干温度约为200C(不同型号吸附剂所用温度不同)，烘干时间约12h。烘干的吸附剂应放在密封干燥的容器内冷却到室温后，立即装入设备。尽量缩短吸附剂在大气暴露时间。安装吸附剂到设备抽真空的时间宜<10min，最大不超过30min。
PART 4控制断路器中SF6气体含水量的措施
当SF6 水分含量超过指标时会严重影响断路器的性能，应严格控制SF6 气体中的水分含量，具体有以下几个措施：
（1）SF6断路器的零部件在制造厂装配前，要逐件清洗后进行干燥处理。装配环境要保持一定的温度和湿度，现场安装调试时，环境温度不低于10℃，环境湿度也不要高于80％，充入SF6 气体前，通过抽真空、用高纯氮清洗，尽可能减少滞留在开关设备内部的水分。
（2）断路器每个气窒都应放置吸附剂，吸附剂不仅能吸附SF6 气体中的水分，还能有效地清除电弧分解物。断路器安装结束后，在抽真空前应更换新的吸附剂或将产品原来装的吸附剂按生产厂家要求的温度、时间等程序进行再生处理。
（3）在断路器充SF6 气体之前必须对断路器内部的水分进行处理。每一台SF6 断路器无论在生产过程中，还是在现场安 装调试或修理组装时，其内部的空气中含有的水分与当时大 气中的水蒸汽含量是相等的。若要使断路器充入SF6气体后的 含水量满足要求，则必须将安装后断路器内的含水量降低至原有的几十分之一。要达到这一目标，通常是对开关设备内部抽真空，充高纯氮(99．999％)清洗，放氮气，再抽真空进行处理，抽真空时真空度越低越好，一般要求真空度低于40Pa。只要按程序操作得当，断路器中的SF6气体含水量都能满足产品运行要求。
（4）保证充入断路器的SF6 气体都是合格的，这就要求待充入的SF6 气体含水量不大于65ppm，充气前要对SF6 气瓶中的气体进行检测，不合格的气体不能充入开关设备。
（5）开关设备要做到可靠密封，这样，一方面可减少SF6 气体的泄漏量，另一方面也可减少外部水分侵入断路器内部。断路器安装完毕后均应进行检漏。
（6）在充SF6 气体时，要保证充气管路具有良好的气密性， 最好采用PVC塑料管或不吸收水分的管路，充气前要对管路进行干燥处理或抽真空，尽量减少因充气体带入水分。
PART 5结论
水分监测对发现SF6断路器早期故障有重要意义，但是电气设备内水分增长原因多种多样，要正确判断故障，采取多种方法进行检测，结合历史数据分析。通过监测SF6 气体中水分含量，提早发现问题，保证设备安全稳定运行。
参考文献
[1] 彭佳. 500kV SF_6断路器的气体微水检测和研究[D].福州大学,2014.
[2] 李文琦. 六氟化硫断路器中SF6气体含水量分析和对策[J]. 能源与环境,2008(3):32-33. DOI:10.3969/j.issn.1672-9064.2008.03.012.
[3] 罗竹杰,刘吉堂.电力用油与六氟化硫. 中国电力出版社. 2007.