变电站突发气体泄漏及其衍生物对环境影响与防护研究

国网北京电力科学研究院 石磊洪 元伸张 亚楠 孟颖 国网北京市电力公司 聂卫刚

0　引言

随着城市经济的不断发展，电力需求持续增长，市中心用电密度日益增高，变电站分布越来越密，并逐渐深入到市中心人口稠密区。

在稠密的市区选择变电站站址相当困难，城市绿化带或大厦的地下室等都已成为城中变电站站址的选择之一，将来还会有越来越多的城市建设地下变电站。

地下变电站不同于地面变电站，在设备安全与环境保护方面具有特殊性，本文从地下变电站发生突发气体泄漏情况时，探讨潜在的风险，以及可采取的防护对策。

1　突发性SF6气体泄漏及其衍生物分析

变电站发生突发气体泄漏时的气体主要为SF6气体，纯净的SF6气体基本无毒，但产品中如混杂低氟化硫、氟化氢，特别是十氟化硫时，则毒性增强。

在1997年防止全球变暖的京都议定书中，将包括SF6气体在内的6种气体列为温室效应气体，它们对温室效应的影响依次为CO2，CH4，N2O，PFC，HFC，SF6。其中CO2气体对温室效应的影响最大，占64%，而SF6气体的影响为最小，仅占0.07%。

长期以来，由于对SF6气体的使用、管理不善、而导致许多有毒的、具有腐蚀性的气体和固体分解物被排放到大气中，不但给我们赖以生存的环境造成了难以挽救的污染和破坏，同时还危及电器设备的正常运行和人们的身体健康。

1.1　SF6气体衍生物的来源

六氟化硫分解物的来源主要有以下几点：

（1）电器设备内的SF6气体在高温电弧发生作用时而产生的某些有毒产物。

例如：SF6气体在电弧中的分解和与氧的反应：

2SF6+O2→2SOF2+8F（氟化亚硫酰）

2SF6+O2→2SOF4+4F（四氟化硫酰）

SF6→SF4+2F（四氟化硫酰）

SF6→ S+6F（硫）

2SOF4+O2→2SO2F2+4F（氟化硫酰）

（2）电器设备内的SF6气体分解物与其内的水分发生化学反应而生成某些有毒产物。

SF4+H2O→SOF2+2HF（氢氟酸）

例如：SF6气体分解物与水的继发性反应：

SOF4+H2O→SO2F2+2HF（氢氟酸）

SOF2+H2O→SO2+2HF（二氧化硫）

SO2F2+2H2O→H2SO4+2HF（硫酸）

（3）电器设备内的SF6气体及分解物与电极（Cu－W合金）及金属材料（AL、Cu）反应而生成某些有毒产物。

例如：SF6气体及分解物与电极或其它材料反应：

3SF6+W→WF6（气态）+3SF4

3F+AL→ALF3（固态粉末）

3SOF2+AL2O3→2ALF3（固态粉末）+3SO2

SF6+Cu→CuF2(固态粉末)+SF6

4SF6+W+Cu→2S2F2（气态）+3WF6（气态）+CuF2（固态粉末）

表1　可测量的物质估算浓度

（4）电器设备内的SF6气体及分解物与绝缘材料反应而生成某些有毒产物，如与含有硅成分的环氧酚醛玻璃丝布板（棒、管）等绝缘件；或以石英砂、玻璃作填料的环氧树脂浇注件、模压件以及瓷瓶、硅橡胶、硅脂等起化学作用，生成SiF4、Si（CH3）2F2等产物。

1.2　空气中SF6衍生物浓度预估

如果GIS室或主变室一旦有闪络突发事故发生，SF6气体及其产生的有毒有害的分解产物会瞬间泄漏到空间中，其主要可以测量的物质估算浓度如表1。

1.3 六氟化硫衍生物的毒性及其在工作场所中的允许含量

氟化亚硫酰（SOF2）

无色剧毒气体，能侵袭肺部，引起肺组织急性水肿，影响气体交换，使肺部缺氧充血而导致窒息性死亡，它有强烈的恶心臭味，可作为警告信号之用。白鼠和兔子的致死浓度为10×10-6和50×10-6（V/V）。

氟化硫酰（SO2F2）

痉挛性化合物，无色无臭，在较高浓度下对肺组织有刺激作用，引起肺泡出血。白鼠和兔子的致死浓度为200×10-6和400×10-6（V/V）。

四氟化硫（SF4）

无色气体，有类似SO2的刺激性臭味，毒性与光气相当，对肺有侵害作用。

二氟化硫（SF2）

沸点35℃，化学性能极不稳定，受热后性能更加活泼，易水解成S，SO2和HF等，其毒性与HF相当（HF有强烈刺激性)。

氟化硫（S2F2）

常温下为无色气体，具有很强的毒性，遇水后生成HF，对呼吸系统有类似光气的破坏性作用。

氟化氢（HF）

无色气体或液体，具有强烈的刺激性臭味，极易溶解于水，形成氢氟酸，对一般材料具有较强的腐蚀性。HF对皮肤、粘膜有强烈的刺激作用，并能引起肺水肿、肺炎等。

十氟化二硫（S2F10）

常温常压下为无色易挥发液体，系剧毒物质，毒性约为SOF2的300倍。S2F10主要侵袭肺组织，引起肺出血和肺水肿。白鼠的致死浓度为1×10-6 （V/V）。

三氟化铝（AIF3）

白色粉末状，通常吸附了大量的有毒气态分解产物，故应被视为具有强烈腐蚀性和毒性的物质。ALF3粉尘可刺激皮肤引起皮疹，对呼吸系统及肺部均有侵袭作用。

十氟化二硫一氧（S2F10O）

剧毒物质，对肺组织强烈侵袭作用。白鼠的致死浓度为20×10-6（V/V）。

四位女性，四种截然不同的性格，四种风格各异的抗争之路，结合起来恰恰构成沃克“妇女主义思想”里完美的黑人妇女形象：独立、自信、勇敢、博爱。她们最终都平等而和谐地与男性相处，而这正是“妇女主义”与“女权主义”最大的不同之处。

2　电力工作人员防护措施

现场发生突发SF6气体泄漏时，变电站工作人员应立即穿戴SF6专用防护服及防毒面具，并迅速撤出SF6泄漏区域，工作人员应移动至上风口，严格管理人员出入，与泄漏区域隔离。

SF6专用防毒面具可以有效过滤二氧化硫、氟化氢和氟化硫酰等有毒气体，可以有效防护变电站工作人员的呼吸道、眼睛和面部皮肤，确保变电站工作人员不受毒气伤害。而对于应急处理人员应尽量配戴正压式空气呼吸器，穿戴SF6专用防护服及防护手套进入事故区。

抢修人员必须进行体格检查，尤其是要检查心脏和肺功能，功能不正常者禁止使用空气呼吸机及SF6专用防护面罩，禁止进入抢修现场。工作人员佩戴上述防护装备进行检修、抢修工作时，禁止单独一人，需要有专门监护在现场监护，以防出现意外事故。

工作过程中如出现防护设备意外破损、失效，抢修人员身体不适等不良情况，需尽快撤离，脱离现场至空气新鲜处，必要时采用氧气复苏仪或人工呼吸就地抢救。后续救治尽快将伤者送往专业医院进行救治，在送往医院的途中不得间断救治，在医疗救治时，应及时提供相关信息资料。

注意事项：救护过程中应注意保护自身的安全和伤者不受到二次伤害。工作结束后使用过的防护用具应清洗干净，检修人员需要洗澡。

3　泄漏气体处理方案

3.1　泄漏气体处理方案概述

目前没有查询到专用于地下变电站设备正常检修SF6气体的回收、储存。尤其是突发性大量的SF6泄漏后，用于空间空气中的SF6气体及其故障气体过滤、回收的装置。

六氟化硫室内变电站一般分布在大中城市内部，为周边的企业、商厂、学校、医院等单位进行供电，当六氟化硫室内变电站出现故障造成六氟化硫气体泄漏时，自动开启泄漏报警装置，利用风机进行强制排风，将六氟化硫气体大量排入室外及人流密集区，导致环境及行人的受到污染及伤害，故需要对目前的六氟化硫室内变电站强制排风口使用管路连接，将泄漏到室内的六氟化硫气体进行回收净化处理，使检修人员在室内安全的情况下以最快的时间到达故障六氟化硫电气设备进行检修处理。

经过现场实地调研之后，专门设计对设备正常检修时具有回收回充等功能和对设备出现故障大量泄漏时具有回收净化提纯回充等功能装置。主要组成：气体环境监测模块；气体收集预处理模块；气体分离模块；动力及检修模块；SF6气体储存模块等。如图1：

图1　回收装置组成

地下变电站内部的气体是通过通风系统排到地面的，大部分是集中排放。地下变电站的地面部分一般用作广场或其他建筑使用，群众比较集中。SF6是温室气体之一，火灾也会产生大量有毒气体。如变电站发生火灾或设备发生SF6气体泄漏，而SF6气体及其分解物回收、再生处理不当时，排出外部的气体会给大气环境造成一定的破坏，产生不良的社会影响，造成公共事件。

当六氟化硫室内变电站出现突发故障时，由六氟化硫泄漏报警装置（室内六氟化硫气体含量≥1000PPM）反馈信号启动气体收集预处理模块；关闭通风系统、门禁系统；装置执行快速回收并将有毒有害气体预处理；然后通过气体分离装置提高SF6气体浓度；最后经动力检修模块将气体储存至SF6气体储罐中。

当变电站SF6泄漏区域内的六氟化硫气体＜1000PPM时六氟化硫气体泄漏预警回收装置关闭，启动通风系统及门禁系统；通风换气15或30min，达到人员进入指标，开展事故抢修工作。

设备事故抢修结束后，运输移动回收装置至现场，对回收的气体进行提纯处理灌装工作，使整个气体泄漏预警回收装置恢复工作状态。

3.2　泄漏气体处理方案试验

3.2.1　实验目的

（1）通入试验气体，模拟泄漏回收，对地下变电站试验舱内不同位置高度的六氟化硫泄漏报警变送器进行测试，并对不同位置的变送器进行数据采集、变化时间采集（主要针对高浓度传感器分层显示数据检测、记录及低浓度传感器泄漏回收数据监测、记录）。

（2）分别记录并计算1 0000PPm以上及10000PPm以下时各监测点SF6浓度变化

3.2.2　模拟泄漏回收试验

利用此系统进行地下变电站模拟泄漏回收试验：通入250Kg六氟化硫试验气体，其浓度大于1000PPM时启动六氟化硫泄漏预警回收系统应急处理流程，对空间中泄漏的SF6气体及其衍生物进行回收、过滤、分离、储存；当各个SF6泄漏监测点的六氟化硫气体浓度均小于1000PPM时，关闭应急处理流程，经空气分离装置，并记录两次使用的时间。

（1）10000ppm以上时各监测点数据分析

由表2、图2可以看出，快速回收过程中，各测点出六氟化硫浓度迅速降低，氧气含量增加。

（2）10000ppm以下时各监测点数据分析

3.2.3　泄漏处理试验分析

由所列图表可以看出，此装置方案可以满足空间泄漏SF6浓度快速降至1000PPM以下。该实验方案初始经压缩机回收泄漏SF6至10000ppm以下花费时间88min；由10000ppm到1000ppm以下，花费时间139min；从泄漏到开始回收共耗时227min，即3h47min。

经试验验证，当发生泄漏事故时，该方案能迅速启动回收系统将泄漏到空间中的气体回收储存符合发生事故应急预案的法律法规要求。

图2　10000ppm以上时各监测点SF6浓度时间关系

图3　10000ppm以下时各监测点SF6浓度与时间关系

表2　10000ppm以上时各监测点数据

表3　10000ppm以下时各监测点数据

表4　10000ppm以下时各监测点数据