电力设备中SF6混合绝缘气体的净化分离技术
2021-01-13张亮
张 亮
(国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院，哈尔滨 150030)
SF6混合绝缘气体是指利用SF6气体与其他缓冲气体进行混合，如CO2、N2及干燥空气等，具有低温易液化特点。以上混合绝缘气体在低温地区的断路器中有广泛应用。
1 试验材料
在开展SF6混合绝缘气体分离净化试验时，需要做好充足的准备，如试验使用的材料及设备等。试验材料为符合相关标准的气体，即纯度在99.99%及以上的SF6混合绝缘气体。N2和CF4是试验需要的气体，以上气体的纯度均要达到99.99%及以上。同时，动态配气仪的使用也不可缺少，以便试验过程中配备浓度不同的SF6气体。
2 试验仪器和设备
在净化分离试验中，试验仪器及设备必不可少，如气体检测仪表。在进行气体处理时，不同阶段的气体指标存在一定的差异，为了保证得到对气体的准确检测，气体监测仪表的使用具有重要的作用和意义。常用的气体检测仪表主要包括以下几类，即相色谱仪、SF6气体纯度仪、SF6气体湿度仪及SF6气体综合分析仪等。SF6混合绝缘气体经过处理后，在纯度、湿度及分解产物方面会发生不同程度的变化，需要利用合适的检测仪表对发生的变化进行监测，以实现对吸附单元吸附效应的分析，同时还能了解混合绝缘气体的质量。除了以上监测仪表外，还需要准备模拟试验台，主要应用于SF6/N2及SF6/CF4混合气体的分离净化过程中。试验还会涉及压缩机的使用，主要用途是增压。在对混合气体中的水分、粉尘、分解物及各种杂质进行去除时，需要利用回收灌装过滤装置。
3 SF6混合绝缘气体在线处理方式
SF6混合绝缘气体或SF6气体对应的分解现象，通常在长时间带电运行及放电情况下才会出现，也会与所处环境中的氧气和水分发生反应。以上过程中产生的分解物质带有一定程度的腐蚀性。SF6气体净化处理系统的主要原理是吸附单元将回收到的SF6气体中的杂质进行去除。杂质中主要包括粉尘、酸性分解产物及水分等。经过处理的气体如果不存在有害性，可以直接排放到大气中。但是在开展SF6混合绝缘气体处理工作的过程中，不能直接对以上系统进行使用，需要采取有效措施，做好升级和优化，即将此系统与SF6混合绝缘气体的控制单元进行充分结合，令气体处理工作得到良好的校正，直到处理后的气体符合相关标准和要求，达到循环利用的目的。
4 SF6混合绝缘气体种类及分离净化技术
与其他气体相比，SF6混合绝缘气体是受污染程度最高的气体，其中含有大量的分解产物，且碳氟化物无法通过在线处理系统完全去除，需要开展更进一步的分离净化处理。混合气体中的不同成分之间存在较大差异，需要做好相应的分析，结合实际情况，明确科学的处理方式。
4.1 SF6/CF4混合绝缘气体的分离净化方式
通过对不同混合绝缘气体的性能分析，发现存在巨大差异，传统的分离技术很难满足实际的分离净化工作需要，如SF6/ CF4混合绝缘气体与SF6混合绝缘气体之间存在很大的不同。要结合之前的技术，加强对SF6/ CF4混合绝缘气体分离净化技术的分析，制定合理的技术研究路线。在液化温度方面，SF6气体不同于CF4气体，可以利用机械方法将SF6/ CF4混合绝缘气体进行压缩，使其进入到深冷分离塔内部，进行冷却降温，SF6气体会很快从气态进入固态，并集中在分离塔的底部。CF4气体拥有相对较低的沸点，会始终保持气态形式不变，并在分离塔的顶部聚集。通过深冷分离，可以快速将聚集在分离塔顶部的CF4气体压出，并将SF6气体的捕获器设置在气体回收通道中，使CF4气体的纯度有所提高，实现两种气体的初步分离。
4.2 SF6/N2混合绝缘气体的分离净化方式
针对SF6/N2混合绝缘气体进行分析，其中N2是空气的构成部分，对外部环境不存在污染，在进行分离工作后可以直接向大气排放。SF6气体与N2气体在分子尺寸方面存在较大的差异，可以充分利用高分子膜，实现SF6/N2混合绝缘气体的有效分离。当具备一定压力的混合气体通过高分子膜分离装置时，N2分子在通过膜的高压侧过程中，会在膜表面溶解，且SF6分子的大部分会在膜的高压侧被截留，从而达到两种气体初步分离的目的。利用高分子膜开展混合气体的分离工作，当N2分子通过膜表面时，会有少量的SF6分子到膜的另一侧扩散，为了获得更好的分离效果，可采取多级高分子膜并联的方式，与其他分离方法进行配合，进而实现两种气体的高纯度分离。
4.3 多级高分子膜并联分离技术
混合气体在通过一级膜时，会有高达99%的N2分子进行溶解或扩散到膜的另一侧，直接排放到空气中。在高压侧，虽然有部分SF6气体会发生部分浓缩，但是依然存在很多杂质，应进一步进行分离。进行二级膜分离时，由于混合气体中的SF6气体浓度较高，会有更多的SF6分子通过二级膜，但是N2分子透过膜另一侧的数量大幅降低，需要进一步纯化才可以向空气中排放，此时在高压侧，SF6气体的浓度会大幅升高，达90%及以上，会在1号储存罐内进行储存，等待进一步处理。第二次分离的N2通过第三级分离膜时，纯度会提升至99%，可以直接排放到大气中，而SF6气体会继续进行浓缩，在2号储气罐完成回收，并等待下一步处理。将以上两个储存罐内的SF6气体，通过高压低温精馏的方法进行处理。
4.4 高压低温精馏过程
在混合气体中，C3F8及C2F6等气体具有较低的沸点，不会发生液化情况，聚集在精馏塔的顶部，在分离工作完成后，可以直接排出，而SF6气体会经过无数次的相变液化，在精馏塔的底部进行沉积，得到的SF6液体具备较高纯度。利用多级高分子膜与高压低温精馏等技术方式，可以使SF6/N2混合绝缘气体的分离效果得到有效保证，得到99%纯度的N2，可直接排放到大气中，并得到纯度较高的SF6气体，实现此种气体的循环利用。
5 结语
在很多低温地区，通常将SF6/CF4混合绝缘气体应用在气体断路器中，利用SF6/N2混合绝缘气体代替SF6气体应用在非灭弧气室中。通过对以上混合绝缘气体的有效净化分离，可以实现对SF6气体的循环再利用，不仅能够解决SF6气体的低温液化问题，还能减少对大气的污染，节约成本支出，确保电力设备的正常运行。
