SF6气体在线净化处理技术研究

何满棠，周 斌，吴树平

(广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞 523000)

0 引言

SF6(六氟化硫)气体是一种灭弧、绝缘性能较高的气体，主要应用于高压电器中[1]。SF6受电弧影响将产生一定具有强反应性能的有毒分解物质[2]，在受到与氧气并存的条件下，同电极材料、水分反应生成大量不同类型的化合物，这些化合物的组分较为复杂，将导致高压电器内部有机绝缘材料腐蚀受损[3]，对高压电器运行稳定性与安全性造成极大威胁。同时SF6也是一种温室气体，其温室效应与同量二氧化碳相比将加剧240 000倍左右，对生态自然环境的影响极为严重。近些年，SF6气体分解物及微水含量超标的现象也越来越频发，严重危及设备、电网和运行人员安全。因此,研究一种高效的SF6气体净化处理技术具有重要意义。

目前,常见的SF6气体净化处理技术可分为物理与化学2种主要形式，如多级高分子膜、深冷相变分离和低温精馏方法联合技术[4]、两级膜分离回收技术[5]。此外，还有包括对设备气体回收、开盖清洁及更换吸附剂、抽真空、高浓氮冲洗、抽真空、检漏和微水检测等步骤在内的处理技术，可利用这些技术去除SF6气体内的有毒分解物与杂质等。通常经这种处理形式处理后的SF6气体无法被直接使用，需返回SF6气体净化中心实施净化处理后才会循环应用。

本文以提升电气设备运行的稳定性与安全性为目的，研究SF6气体在线净化处理技术，实现SF6气体在线净化。

1 SF6气体的在线净化处理

1.1 状态判断及流程设计

如图1所示，SF6气体在线净化处理流程由状态监测、数据传输、后台显示和气体净化4个环节共同组成。

a.在状态监测换机中，利用CMOS图像传感器摄像头采集SF6气体仪表图像，并通过I/O口将图像传递至STM32 ARM Cortex-M内核单片机处理器内，利用 ARM处理器完成图像处理[6]，根据现场分析后基于SF6气体仪表图像状态判断当前时刻SF6气体压力状态。

b.在数据传输环节中，利用ZigBee无线通信技术中ZigBee自组网络，将当前时刻SF6气体压力状态的判断结果传输至ZigBee模块内，同时利用串口通信功能，将获取的当前时刻SF6气体压力状态判断结果打包发送至计算机内。

c.在后台显示环节中，由计算机的LabVIEW软件界面实时显示当前时刻各SF6气体仪表压力状态判断结果[7]，并依照历史数据曲线分析当前时刻SF6气体仪表状态趋势，便于实现实时预警。

d.当SF6气体仪表状态趋势进入预警状态，则触发SF6气体净化控制功能，完成对应仪表区域SF6气体的净化处理。

图1 SF6气体在线净化处理流程

1.2 净化处理过程设计

SF6气体净化处理功能由源气气化单元、净化处理单元、动力单元、深冷单元和钢瓶共同实现。

SF6气体钢瓶倒转装置与专业气化装置共同组成源气气化单元[8-9]。倒转装置可将SF6气体钢瓶加紧后提升至任意位置固定，使钢瓶内液化的SF6气体迅速流出，降低杂气混入概率。专业气化装置的主要功能是通过其内部加热结构使流入液态SF6气体迅速气化，流入处理单元。专业气化装置利用动力结构控制SF6气体流速与压力，利用过滤结构提升SF6气体净化处理的效率[10]。

净化处理单元包括气体净化缸、缓冲装置、吸附器、流量计、过滤器，以及各种阀门、仪表等组件。处理单元的主要功能是清除SF6气体内的一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫和固体颗粒等杂质[11]，同时检测SF6气体净化处理状态。利用氧化铝和分子筛多层过滤的气体净化缸实现气体净化，并在净化缸出口装设滤网，避免滤芯异物带入设备。

动力单元中主要包括入口球阀、减压阀、缓冲罐、真空泵、安全阀及出口安全阀、冷凝器、空气分离装置、真空压力表和球阀等器件。通过动力单元可将处理单元传输过来的SF6气体传入冷阱单元，进一步净化SF6气体。

深冷主机、深冷容器、低温注液器和控制器等器件共同组成冷阱单元，可提供制冷与回温动力实现SF6气体固液分离[12]，清除SF6气体内的微量杂质，将净化完成后的SF6气体以液态形式注入干净钢瓶内。

SF6气体净化处理功能具体实现流程如图2所示。

图2 SF6气体净化处理流程

利用钢瓶倒转装置倒转钢瓶并提升至一定高度固定后，将手动球阀的压力软管与专业气化装置相连，再在将钢瓶内的高压液化的SF6液体转换为(0.60±0.05) MPa的低压气体后，传输至净化处理单元内的吸附器。通过吸附器吸附SF6气体内的杂质后，利用动力单元抽取深冷分离单元冷容器内的尾气，当尾气量达到设定阈值后，暂停进气并实施降温处理使其温度降至标准温度。利用动力单元抽取的深冷容器尾气存储于储气罐中。当深冷单元的尾气分离过程满足预设标准后，通过低温液泵将深冷容器中的低温液体转移到钢瓶中。

在储气罐压力达到相应值的条件下，利用净化处理单元再次向深冷容器内导入尾气，深冷处理后排除气态空气，同时实施抽真空处理，之后在低温低压条件下将固态SF6液化后灌入钢瓶。

1.3 SF6混合绝缘气体的分离净化

当SF6气体存在严重污染时，会产生大量六氟乙烷、全氟丙烷等分解物[13]，通过以上SF6气体净化流程无法完全滤除其中包含的杂质。因此，在完成上一节描述的SF6气体净化处理流程后，采用分离技术对其实施进一步净化处理。

以四氟化碳(CF4)气体为例，详细说明SF6混合绝缘气体的分离净化处理过程，其过程如图3所示。

图3 SF6/CF4混合气体分离净化流程

SF6气体和CF4气体在液化温度方面具有明显差异，如表1所示。

表1 各种气体的基本特性参数

通过机械方式将SF6/CF4混合气体压缩进入深冷分离塔，利用冷阱降温使SF6气体以较快的速度转换至固态形式，聚集在深冷分离塔低层。由于CF4气体沸点较低，因此冷阱降温过程中SF4始终保持气体状态[14]，聚集在深冷分离塔顶层。完成深冷分离后，将聚集在分离塔顶层的CF4气体快速压出，在回收通道内利用SF6采集器滤除CF4气体内的SF6气体，获取高纯度CF4气体。针对深冷分离塔底部聚集的固态SF6，通过加热升温的方式使其转化为液态形式利用液态灌装机压充至钢瓶内，完成SF6/CF4混合气体分离净化。

如图4所示为SF6/CF4混合气体深冷分离塔结构示意图。图4中，深冷分离塔中的虚线与折线分别代表冷凝介质管道与冷凝盘管。

图4 SF6 /CF4混合气体深冷分离塔结构

基于各种杂质气体与SF6气体沸点、燃点差距相距的特性[15]，在第1.2节分离流程的基础上采用第1.3节中描述的分离净化流程，在热能与相平衡的影响下，SF6气体中含有的部分易挥发组分持续由液相转换为气相，与之相对应的SF6气体则由气相转变为液相，通过循环气化与冷凝过程持续分离SF6气体与杂质气体，最终将获取高纯度的可循环利用的SF6气体，而此过程中分离出的各种杂质气体也能够循环再利用。

2 实例分析

为验证本文研究的SF6气体在线净化处理技术的实际应用性能，与某试验所合作，分别选取某500 kV变电站、某220 kV变电站和某电厂GIS为研究对象，将本文技术应用于研究对象开关维护中。

2.1 实验环境

利用本文技术净化处理SF6气体过程中主要器件技术参数如表2所示。

表2 SF6气体净化流程设备参数

该系统空气体积分数、净化速度和回收速度分别为≤0.005%、≥50 kg/h和≥50 kg/h，总功率与年处理量分别在30 kW和55 t左右。

利用本文技术完成SF6气体净化后，某试验所利用SF6分解产物仪、SF6露点仪以及泄漏报警系统等，分别进行SF6气体的分解产物检测、水分检测和环境监测。

SF6气体在线净化处理效果评估标准如表3所示。

表3 净化效果评估标准

2.2 结果分析

2.2.1 某500 kV变电站开关维护

该研究对象针对所需维护的变电站开关内旧SF6气体实施回收、净化与循环再利用处理。研究对象内部SF6气体共3 850 kg。SF6气体净化处理结果如表4所示。

表4 净化处理结果

分析表4可知，经由试验所分析，该研究对象内利用本文技术回收净化处理的SF6气体满足表3中3项标准，能够回充至变电站开关内循环使用。

2.2.2 某220 kV变电站开关维护

该研究对象采用本文技术对开关气体内的SF6气体实施回收、净化、回充利用，SF6气体总量为1 250 kg。SF6气体净化处理结果如表5所示。

表5 净化处理结果

分析表5可知，研究对象中回收的旧SF6气体经由本文技术进行净化后，经由试验所分析，满足SF6气体净化处理效果的3项评估标准，能够回充至变电站开关内循环使用。

2.2.3 某电厂GIS开关维护

采用本文技术对电厂GIS开关内的SF6气体进行回收净化与回充利用处理，SF6气体总量约为5 630 kg。采用本文技术在维修开关内的SF6气体回收、净化处理前后分别取样实施色谱分析，色谱分析达标后将回充至开关内循环应用。针对需维护母线内的SF6气体实施回收净化，对处理前后的气体分别进行色谱分析与微水检测。SF6提起净化处理结果如表6所示。

表6 净化处理结果

分析表6可知，经由试验所分析，该研究对象内利用本文技术回收净化处理的旧SF6气体满足相应标准，能够回充至变电站开关内循环使用。

2.3 应用性能对比

将传统的多级高分子膜、深冷相变分离和低温精馏方法联合技术(传统技术1)与两级膜分离回收技术(传统技术2)作为对比技术，对比本文技术与2种传统技术在实际应用过程中的应用性能。

2.3.1 能耗对比

为测试本文技术在实际应用过程中的实时能耗，对比本文技术与传统技术1、传统技术2在超高压500 kV变电站开关维护测试中实时能耗，能耗采集周期为5 min。对比不同技术1 h内的实时能耗，结果如图5所示。

图5 不同技术实时能耗曲线对比

由图5可知，传统技术1在净化处理SF6气体过程中的实时能耗波动范围为0.036～0.048 mJ；传统技术2在净化处理SF6气体过程中的实时能耗波动范围为0.035～0.052 mJ；本文技术在净化处理SF6气体过程中实时能耗波动范围为0.028～0.031 mJ。由此可知，本文技术在净化处理SF6气体过程中的实时能耗显著低于2种对比技术，且本文技术实时能耗波动趋势更为平稳，由此可验证本文技术具有显著的能耗优势。

2.3.2 检修次数与费用对比

在某500 kV变电站应用本文技术后，设备的检测次数与检测费用与采用本文技术之前对比情况如图6所示。采用本文技术前后维修次数与维修费用均取1年内数值。

分析图6可知，采用本文技术之后，电气设备维修次数与维修费用均呈现出显著的下降，说明本文技术能够实现提升电气设备运行的稳定性与安全性的目的。

图6 应用本文技术前后维修次数与费用对比结果

3 结束语

为了提升电气设备运行的稳定性与安全性，本文研究了SF6气体在线净化处理技术。研究发现，气化装置利用动力结构控制SF6气体流速与压力，再通过其内部加热结构使流入其中的液态SF6气体迅速气化，从而提升了气体净化处理的效率。且在分离净化过程中，根据气体燃点与沸点的差异能够提高气体净化效果。经实例应用可知，采用本文技术后，SF6气体回收净化结果均满足国家相关标准。