GIS产品中水分危害及水分处理工艺研究

2012-02-01吕均甫侯桂然

科技传播 2012年11期

吕均甫，侯桂然

平高集团有限公司，河南平顶山 467001

1 概述

GIS气室中充SF6气体作为绝缘和灭弧介质。气室中SF6气体水分含量应不大于表1中数值。如果气室中水分超标，不仅使设备绝缘强度大大降低，还严重腐蚀设备，导致机械动作失常。因此GIS的水分处理及测量就显得十分重要。本文主要分析了GIS气室中水分的危害和GIS水分处理方法两部分内容。

表1 （单位ppm）

2 气室内SF6气体中水分的危害

2.1 SF6气体的性质

SF6气体在常温常压下呈气态。在20℃时，一个大气压下密度为6.16g/L，约为空气的5倍。SF6气体作为绝缘介质有以下优点：

1）化学稳定性好：纯净的SF6气体无色、无味、无臭、无毒和不燃的惰性气体。纯SF6气体在温度升高到500℃时也不会分解。电弧高温会使SF6气体分解，但电弧熄灭后绝大部分分解物又重新结合成稳定的SF6分子，只有极少部分与游离的金属原子及水发生反应，产生金属氟化物和硫的低价氟化物。

在大气中的寿命达3 200年。它还是一种极其有效的温室气体，如果大量释放到大气中，能促使地球的气候变暖；

2）耐电强度高：SF6气体是强电负性气体，其分子具有很强的吸附自由电子而形成负离子的能力，因而其耐电强度很高，在较均匀的电场中约为空气耐电强度的2.5倍左右；

3）灭弧能力强：在交流电弧电流过零时，SF6气体从导体向绝缘体的转化速度非常快，即弧隙的介质强度恢复得很快。这是因为一方面SF6气体在高温下发生分解需要大量能量，因而对弧道产生强烈的冷却作用，另一方面SF6气体及其分解物均具有很高的绝缘强度的缘故；

4）通常无液化问题：GIS产品断路器气室压力在0.7MPa左右，其他气室压力在0.45 MPa左右。如在20℃时充气压力为0.75MPa，则液化温度为-25℃。如在20℃时充气压力为0.45MPa，则液化温度为-40℃。只有在高寒地区，才必须对断路器部分采取加热措施[1]。

2.2 运行中的纯净SF6气体

纯净的SF6气体，在运行中受到电弧放电或高温后，会分解成氟、硫和氟硫化合物。电弧消失后，会立即化合成稳定的SF6，其过程如下：

2SF6SF4+4F2+S

2.3 气室内SF6中水分的危害

如果气室内水分超标，对设备危害非常大。因为水在电弧作用下分解为氢和氧。氢和氧与SF6分解物在电弧的继续作用下发生反应，生成氢氟酸（HF）、亚硫酸酰氟（SOF2）、二氧化硫（SO2）等杂质。其化学反应式如下：

这些杂质中含有氢、氧、水和酸等，它们的化学性质非常活泼，严重影响GIS产品的运行的可靠性。1）氧气会对导电体和气室进行氧化；另外，水和酸能腐蚀电气设备。长时间的氧化和腐蚀会导致GIS机械动作失常，不能保证开关的电气参数；2）氢氟酸（HF）、亚硫酸酰氟（SOF2）和水（H2O）的存在大大降低SF6气体的绝缘强度，使SF6的灭弧能力变差，电弧的复燃机率增加。氢氟酸（HF）附着在绝缘体表面，易产生沿面放电；3）盘式绝缘子中含有二氧化硅（SiO2），氢氟酸对二氧化硅具有腐蚀作用，加速盘式绝缘子的老化，使其绝缘能力下降[2]。

另外，气体中的水分一般是以气态的水蒸气形式存在，当温度降低时，将凝结成液态的露水附着在零件的表面，可能造成绝缘件，如盆式绝缘子，绝缘拉杆的沿面闪络而引起事故。

3 GIS气室水分处理工艺

3.1 水分的控制

每一个GIS气室内总会有一定量的水分，这些水分的来源有：装配时带入设备的水分；内部固体绝缘物和金属表面含的有水分析出；充入的SF6气体中含有的水分和充气时管路中带入气室内部的水分；另外还有运行中从外界环境透过密封环节侵入的水分。针对不同的水分来源，GIS的装配过程中就应该采取相应的措施对水分进行控制[3]。

总装前各种元件清洗后要经过烘干处理，烘干温度75±5℃，烘干时间不少于8小时。绝缘件应有单独的烘干间，进行烘干处理；

装配时应对装配环境的湿度进行控制，一般情况下断路器灭弧室的装配要求湿度不大于60%，其他装配要求湿度不大于70%。另外装配时尽量减少筒体的敞开时间，装配气室应尽快密封，如必须等待，要用塑料袋或临时盖板密封。尤其是电流互感器（CT）气室，若电流互感器线圈为内置式，电流互感器气室的敞开时间应控制在2小时之内；

新的SF6气体水分在气体制造厂都进行了检测，入厂时只进行抽样检测，水分一般在10PPm左右。需要控制的是在充气前要对充气管路进行干燥，如用氮气慢慢吹拂，充气时，应确保管路的密封，防止水分带入GIS气室内部。

3.2 GIS水分处理方法及工艺流程

根据GIS装配环节的不同，常用水分处理方法主要有4种。

1）更换分子筛法

分子筛是一种稳定的无机化合物吸附剂。奶油色，颗粒状，对水分、SF6分解物具有很强的吸附能力。分子筛通过吸附水分及SF6分解物，使得不会由于有害气体的产生，潮解而降低GIS的绝缘性能和机械性能。

我们常用的分子筛有4种：F-03-H型分子筛、KDHF-03、合成沸石、5A分子筛。F-03-H型吸附剂使用前需活化处理，在350℃～400℃烘箱内活化不小于2小时后方可使用；KDHF-03型吸附剂是外塑内布双层真空包装，若包前含水量≤1.5%，可以从包装箱中取出直接使用；合成沸石、5A分子筛在使用前也不需活化处理，但4种吸附剂在使用前经高温活化后使用效果会更好。

吸附剂的使用量原则上不应低于所充入SF6气体重量的10%。分子筛的安装部位一般应设在气体流动较顺畅，有利于吸收水分和其他杂质的地方。

在GIS产品装配分子筛时，将烘干的分子筛取出后应立即装入GIS内部并形成封闭气室并立即进行抽真空处理，此过程不能超过15分钟。烘干过的分子筛不能及时装入产品时，必须与大气系统隔绝，并及时放入烘箱里继续烘干。

分子筛吸附水分后，吸附能力会大大下降甚至完全丧失，采用活化处理可恢复其吸附能力。活化温度为250 ℃～300℃，活化时间不少于3小时。

2）烘干法

在GIS装配过程中，零部件会吸收水分，从而导致气室内部水分的残留。尤其是电流互感器（CT）气室内部线圈铁芯及绝缘纸板等零部件易吸收水分且不易释放；另外会频繁出现开断电弧的断路器气室也是水分控制的重点。所以对于这些气室可以在组件装配完整后但未形成封闭气室之前，单独对断路器装配、电流互感器（CT）装配或其它水分重点控制装配进行整体烘干。一般在70℃～80℃烘干不少于8小时即可。

3）抽真空静止法[4]

将GIS气室抽真空至一定数值后，使气室内部为负压，通过长时间静止存放，使气室内部零部件吸收的水分得到充分释放，然后再进行抽真空，将释放的水分排出，此过程是抽真空静止法的水分处理过程。一般抽真空需达到50Pa（真空泵静止后的读数）以下，气室静止时间不少于8小时。另外对于电流互感器等特殊气室需通过两次抽真空两次静止，才能基本保证水分合格。

4）高纯氮气清洗法

具体操作方法为将气室充入高纯氮（含氮99.999%）至额定压力，保持不小于2小时，然后放氮气。在氮气的充入和释放的过程中，将气室内部的水分带出气室内部。

在现阶段GIS产品装配过程中，烘干法是控制特殊装配水分普遍应用的方法。对于整个GIS间隔来说一般应用更换分子筛和抽真空静止相结合的方法。并且以抽真空静止法为主，更换分子筛为辅。而高纯氮气清洗法很少使用，一般在夏季环境湿度超过80%时使用。

分子筛的作用是保证GIS长期运行中吸收水分及SF6分解物，确保运行10年以上水分不超标。因此，分子筛不是厂内水分处理的控制手段，在厂内不要依赖于用分子筛把水分降下来。有时候水分处理合格了，但一段时间后，水分又慢慢升上来了，这是GIS内部元件在厂内没有彻底烘干的缘故，水分溢出就有可能超标，因此，充分说明装配过程控制对处理水分的重要性。

具体处理水分处理流程如图1。