浅谈电力行业SF6气体的检测和回收处理工作

房 超， 刘 伟

(1.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院， 安徽 合肥 230022； 2.安徽新力电业科技咨询有限责任公司， 安徽 合肥 230022)

0 引言

SF6是一种无色无味的惰性气体，具有良好的电气绝缘性能及优异的灭弧性能。其耐电强度为同一压力下氮气的2.5倍，击穿电压是空气的2.5倍，灭弧能力是空气的100倍，是一种优于空气和油之间的新一代超高压绝缘介质材料。因此SF6气体被广泛地应用于电气设备，起到绝缘和灭弧作用；SF6气体主要用于SF6断路器及GIS(SF6封闭式组合电器)、SF6负荷开关设备、SF6绝缘输电管线、SF6变压器及SF6绝缘变电站。据不完全统计，每年生产的SF6气体超过80%用于电力行业，截至2016年国网公司在役SF6气体超过一万多吨。随着我国电力行业的快速发展，电气设备电压等级不断提高，SF6气体的用量越来越大。苏通GIL综合管廊工程使用SF6气体60多吨，单个特高压变电站使用SF6气体超过120吨。目前，国网公司已建特高压变电站50多座，SF6气体用量巨大。

SF6气体虽然具有如此多的优点，被广泛应用于电气设备中，但是同样存在着很多缺点。SF6气体在高温高压的气室中含有少量的水蒸汽，遇设备正常动作而产生电弧或异常局部放电时SF6气体会分解，其分解产物(HF和SO2、SOF2、SOF4、SO2F4等)中有剧毒和强腐蚀性物质，这些物质会腐蚀设备内部金属元件，进而会造成设备的故障。从医学的角度来讲，SF6的各种分解物及生成物对人体同样具有危害，其影响程度不仅取决于其毒性的大小，还与吸入到人体内的量的大小和每个人的身体素质有关。

随着世界范围内对环境保护要求的提高，电力行业的碳排放量也受到了严格的限制。1997年，《京都议定书》将SF6气体列为限制排放的六种温室气体之一，并要求发达国家首先将温室气体的排放量冻结在20世纪90年代的水平，其中受影响较大的就包括在电力行业应用最为广泛的SF6气体。因此，在广泛应用SF6气体的同时，需要对其进行控制，禁止随意排放。目前在电力行业中SF6气体被纳入系统管理。当电气设备中SF6气体质量达不到设备使用要求时，需要专业人员对其进行回收再处理，使其变成合格的SF6气体，重新进行使用。这样不仅很大程度上节约了气体使用的成本，同时避免对人体、环境、设备等造成损坏。

国网安徽省电力有限公司电力科学研究院六氟化硫气体特性分析与净化处理技术实验室(以下简称安徽电科院六氟化硫实验室)作为国网公司唯一一个从事SF6气体特性分析与净化处理技术研究的重点实验室，SF6相关专业工作在全国处于领先水平，致力于采用新技术、新设备、新手段和新成果对SF6气体质量全过程监控，开展了大量的研究工作，本文从SF6气体检测、回收、净化处理三个方面对相关工作展开介绍。

1 SF6 气体检测技术

目前，SF6气体生产方法主要是采用单质硫磺与过量气态氟直接化合反应而成，即S+3F2→SF6+Q(放出热量)。在合成的粗品中含有多种杂质，其杂质的组成和含量因原材料的纯度、生产设备的材质、工艺条件等因素的影响而有很大差异，杂质总含量可达5%，其组成有硫氟化合物，如S2F2、SF2、SF4等，有硫氟氧化合物，如SOF2、SO2F2、SOF4、S2F10O等以及原料中带入的杂质如HF、OF2、CF4、N2、O2等。为了把SF6使用到高压电气设备中，需要净化粗品中的杂质，合成后的SF6气体还需要经过水洗、碱洗、热解(去除剧毒的十氟化物)、干燥、吸附、冷冻、蒸馏提纯等一系列净化处理过程才能得到纯度在99.9%以上的产品。然后再用压缩机加压，充入降温至-80 ℃左右的钢瓶中，以液态形式存在。

随着电力设备电压等级的提高，对SF6气体质量的要求也不断提高，SF6气体质量的标准见表1。最新版GB12022《工业六氟化硫》[1-3]的几次修订，对SF6气体的质量指标要求逐渐提高。

表1 标准GB12022《工业六氟化硫》对SF6 气体质量要求

从表1中可以看出，国家标准GB/T 12022-2014相较于之前的几个版本，各项指标逐渐严格，其中SF6气体纯度要求提高，增加了SF6气体中六氟乙烷、八氟丙烷最大含量的限制。目前电力行业已有标准DL/T 1366-2014《电力设备用六氟化硫气体》，用以规范电力设备用新SF6气体的技术要求、检验规则、运输和贮存等，对SF6质量要求与GB/T 12022-2014相同。对于SF6气体新气入网，需要抽样，开展SF6气体全项目分析检测，取得检测报告后，方可使用。

2 SF6 气体的检测

SF6气体质量决定其绝缘灭弧性能，因此SF6气体的质量检测非常重要。随着电力行业的迅速发展，SF6气体绝缘设备增多，对SF6气 体质量监督和管理提出了更高的要求。单靠SF6气体水分含量检测、泄漏检测较难实现SF6电气设备的故障排查。

气体绝缘设备正常运行情况下，SF6气体分解产物极少。但是在放电作用下或经过长期运行，小部分SF6会发生分解，生成SF4、SF3、SF2和S2F10等多种低氟硫化物。对于纯净的SF6气体，上述分解产物将复合成SF6；而运行中SF6气体不可避免地含有一定量的空气、水分，化学性质活泼的低氟硫化物与空气、水分发生反应生成SO2、SOF2、HF、SOF4和SO2F2等化合物。SF6气体在放电能量的作用下分解物的生成机理如图1所示。

图1 SF6气体分解原理图

通过对SF6气体中分解产物的检测，可以帮助判断设备运行状况，发现电气设备故障或潜伏性故障。针对SF6气体及其分解产物的特性，采用气质谱联用仪、动态离子测试仪、傅立叶变换红外光谱仪等高精尖仪器，对SF6气体及其分解产物进行检测分析研究。通过大量试验研究，建立了SF6气体气质联用仪、红外光谱仪、便携式分解产物仪、便携式气相色谱仪等多种检测方法联用的综合检测技术。

SF6气体现场检测项目包括纯度、湿度、泄漏等检测项目。采用电化学、色谱法均可实现SF6气体纯度检测，目前主要使用的是SF6分解检测仪通过色谱法进行检测。引进高精度低露点发生装置，建立SF6气体湿度仪的统一比对方法，完善SF6电气设备微水检测手段，目前使用的是SF6气体综合测定仪进行露点的检测。对SF6气体泄漏激光成像检测技术进行研究，建立了SF6气体泄漏带电检测方法，目前主要使用的是SF6定性检漏仪和SF6气体泄漏激光成像仪，能快速地发现泄露点。

3 SF6 气体的回收

目前，我国大量SF6电气设备的运行时间已超过十年，逐步进入检修期，SF6气体的运行监督和回收处理循环再利用工作就显得十分迫切。SFHS-III型SF6回收回充设备，是安徽电科院专门针对现场SF6气体回收回充中存在的问题，自行设计开发的新一代回收回充设备，并获得国家专利。设备原理图见图2。设备体积小、重量轻、功能齐全、操作简单，可为实现高效安全的SF6气体回收、回充提供保证。

图2 SF6 气体回收回充设备原理图

设备接口连接要进行回收的气室，钢瓶接口连接回收后SF6气体的储存钢瓶，依次打开相应阀门，通过压缩机提供动力，经过换热装置进行降温液化使SF6气体快速地充装进钢瓶里。

设备除了可以进行回收外，还能对SF6气体进行回充使用，连接抽真空回充接口，打开相应阀门进行回充，可快速地把SF6气体回充至设备内，解决了回充时气体在钢瓶内汽化结霜、降低回充速度的问题。同时，该设备还可对气室进行抽真空，能快速地把真空抽到目标值[4]。

4 SF6 气体的净化处理

安徽电科院六氟化硫实验室研发的SFCL-III型SF6气体处理系统，可用于处理回收不合格的SF6气体，使其达到GB12022-2014的标准，使之能进行循环使用，达到节能减排、循环利用的目的。

SF6气体净化处理系统流程见图3[5]，具体如下：

(1) 钢瓶放倒在钢瓶推车上面，通过带手动球阀的压力软管连接到处理单元的进气口处；

(2) 钢瓶内的高压SF6经处理单元缓冲罐后经减压阀压到0.6 MPa，流向处理单元吸附塔内，将SF6气体中的分解产物及水分等杂质吸附后，通过动力单元流向深冷单元；

(3) 利用动力单元的压缩机间歇抽出深冷单元中的尾气，并存储在动力单元储气罐内；

(4) 当深冷单元的尾气分离过程达到设定值后，利用低温液泵将深冷容器内的低温液体SF6计重充至真空钢瓶内；

(5) 当动力单元储气罐的压力达到一定值后，再流入处理单元储气罐，由处理单元重新打入深冷分离单元分离容器中，经深冷后手动打开排空阀放掉气态空气并用真空泵抽真空，再将固态SF6液化后在低温低压下灌钢瓶。

图3 SF6 气体净化处理系统流程图

处理后的SF6气体满足GB/T 12022-2014《工业六氟化硫》中气体质量指标，可重新充入运行中的电气设备，实现SF6气体的循环使用。通过气体的回收、处理、再利用，为气体使用单位节约成本，并减少SF6直排入大气中的环境危害，这符合我国的循环经济发展政策的方向。

5 SF6 回收处理技术监督管理模式

安徽电科院六氟化硫实验室通过多年的SF6气体专业工作积累，提出了“分散回收、集中处理、统一检测、循环利用”的管理模式。同时，对省级气体回收净化处理中心的建设提出了一套标准配置方案，作为推广应用的依据。据此，建立SF6气体回收利用监督管理组织结构，成立安徽省六氟化硫气体回收处理中心，提出了《安徽省电力公司六氟化硫气体技术监督管理规定》。

安徽电科院的SF6专业工作得到了国网公司的认可，在国网公司全面推广应用。根据国网公司顶层设计，先后在宁夏、甘肃、湖北、四川、北京、河北等地建立省(市)级六氟化硫气体处理中心，形成了该地区SF6气体实行集中处理后统一分配的管理模式，通过气体的回收处理再利用为气体使用单位节约成本，同时，也使大量的SF6气体在设备检修时得到有效控制，不再直排入大气，为温室气体减排做出贡献。并编写了相关国家电网公司企业标准以及相关省级电力企业SF6气体监督管理规定，作为工作的指导。

6 结论

短期内，SF6气体在电力行业具有举足轻重的地位，加强SF6气体质量检测和回收净化处理工作，有助于提高SF6气体的循环利用率，降低环境影响。

目前，对于我国内蒙古、新疆等严寒地区，冬天环境温度较低，SF6气体在设备中会部分液化，影响绝缘性能，所以在SF6的使用中会使用混合气体(SF6/N2、SF6/CF4)进行替代，以防在低温下气体液化。这项措施也大大减少了SF6的使用量。随着SF6/N2混合气体技术的不断成熟，第二代GIL(即SF6/N2混合气体的GIL)获得了成功的商业应用。[6]国内外科研生产单位也在积极寻找SF6气体的替代介质。新型环保绝缘介质一直处于积极探索之中，Alstom公司和ABB公司推出的C4 FK和C5 FK引起了广泛关注。[6]我国业已集中国内顶尖科研院校开展技术攻关。