高寒地区高压断路器用SF6/CF4混合气体液化试验分析

杨文良，刘 卓，王振中，王 琰，赵 磊

（1.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020；2.内蒙古自治区高电压与绝缘技术企业重点实验室，呼和浩特 010020）

0 引言

SF6/CF4混合气体作为解决SF6气体冬季低温液化问题的替代气体，近些年在内蒙古高寒地区得到了广泛使用[1-2]。文献[1]认为，在20℃时总充气压力为0.75 MPa的SF6/CF4混合气体断路器，只要其中的SF6气体充气压力不高于0.45 MPa，就能保证混合气体断路器在-40℃时安全运行。由此可见，混合气体中SF6和CF4的组分比例直接影响到混合气体的抗低温液化能力。

目前，内蒙古电力（集团）有限责任公司所执行的交接验收和状态评价等标准[3-4]，要求开展的气体绝缘设备试验项目均只针对纯SF6气体，无针对SF6/CF4混合气体的试验项目。因此，仅依据断路器机械特性、电气性能、密封性能和绝缘气体微水含量、分解物含量等测试结果，难以诊断分析混合气体断路器在低温条件下产生低气压缺陷的原因。本文针对内蒙古锡林郭勒地区气温骤降导致8台混合气体断路器发生低气压故障的问题，进行现场诊断性试验及混合气体组分测试，同时，根据断路器参数信息，利用混合气体断路器低温运行模拟试验平台，模拟了SF6/CF4混合气体断路器低温运行工况下低气压产生的过程，分析了造成冬季SF6/CF4混合气体断路器低气压故障的原因[5]。

1 缺陷断路器测试检查情况

8台缺陷断路器中，1号、2号断路器由苏州A公司生产，3号—8号断路器由江苏R公司生产；8台断路器配备4个不同厂家生产的混合气体密度表。混合气体组分测试结果和设备参数见表1。

表1 缺陷断路器设备信息和气体组分测试结果

由表1数据可知：

（1）8台缺陷断路器充装的SF6与CF4的实际比例均高于设备的额定气体比例，其中5号—8号断路器充装的SF6气体体积百分数均超过90%。

（2）8台缺陷断路器配装的混合气体密度表，所标示的SF6与CF4比例与断路器额定气体比例存在5%~20%的差异，与断路器内实际充装的混合气体比例相差15%~50%。

（3）1号、2号缺陷断路器的额定气体绝对压力高达1 MPa，高出其他混合气体断路器额定气体压力的40%。

鉴于混合气体断路器低温故障可导致开关设备发生绝缘击穿或开断失败等事故，对锡林郭勒地区54座变电站327台混合气体断路器开展了设备参数排查，发现有110台断路器存在混合气体密度表不匹配问题；充气压力大于1 MPa的断路器有45台。

2 混合气体断路器低温运行模拟试验

试验平台模拟了SF6/CF4混合气体断路器低温运行工况，试验平台示意图如图1所示。储气试验装置及管路作为断路器的气室和气道，经深冷恒温箱改变装置的环境温度后，使用高精度压力计和测温仪直接测取装置内气体参数。

图1 混合气体断路器低温运行模拟试验平台

根据混合气体断路器参数信息，在运混合气体密度表采用SF6与CF4体积比为53∶47的数量最多，所以模拟试验以该比例作为参照。模拟试验从低气温、密度表参数配置和高气压三个方面对装置内的混合气体参数进行测试。为保证储气试验装置内气体温度与深冷恒温箱一致，规定每个测试温度点装置需静置3 h再测取试验参数。

3 模拟试验结果分析

3.1 SF6/CF4混合气体低温表现特征

20℃时，分别向储气装置充入SF6与CF4体积比53∶47，压 力 为1.0 MPa、0.9 MPa、0.8 MPa、0.7 MPa、0.6 MPa、0.5 MPa、0.4 MPa的混合气体。将深冷恒温箱的温度依次从40℃调为-50℃，记录装置内混合气体的压力和温度变化情况，试验结果详见表2。

表2 比例为53∶47的SF6/CF4混合气体低温试验结果

试验过程中，混合气体的压力始终随着温度下降而降低，但r分为两种情况：一是r值基本恒定，说明混合气体未发生液化，即气体密度不变；二是r值突然降低，说明该温度下混合气体已发生液化。在分析表2试验数据的基础上，参照对比纯SF6气体状态参数，可发现：

（1）在20℃时充装压力为1 MPa的SF6/CF4混合气体（混合气体密度为51 kg/m3），在-40℃时r值突然降低，其液化温度点与30 kg/m3密度下的纯SF6气体液化温度点相似；

（2）在20℃时充装压力为0.7 MPa的SF6/CF4混合气体（混合气体密度为35 kg/m3），在-50℃时r值突然降低，其液化温度点与20 kg/m3密度下的纯SF6气体液化温度点相似。

综上可知，SF6/CF4混气断路器的液化温度取决于其内部的SF6气体含量，且混合气体的液化温度点可按照其内部相应密度的SF6气体状态参数判断。5号—8号缺陷断路器中实际充装的SF6气体含量远超设计值，导致了其抗液化能力降低，造成混合气体低温液化。

3.2 低温下混合气体密度表准确度分析

20℃时，向试验装置充入气压0.7 MPa（密度表额定气压）、气体比例53∶47的SF6/CF4混合气体，同时测试40℃、20℃、-30℃温度下SF6与CF4比例为36∶64、53∶47的混合气体密度表和纯SF6气体密度表的示数差异，测试结果见表3。

表3 不同气体比例密度表全温度测试误差结果 MPa

由表3试验数据可知：

（1）与储气装置内混合气体比例匹配（53∶47）的混合气体密度表，在-30~40℃温度范围内，测得的密度表指示最大偏差达0.7%，偏差度满足相关规程规定的2.5%要求；

（2）与储气装置内混合气体比例不匹配（36∶64和纯SF6气体）的混合气体密度表，在全温度测试中表针指示最大偏差分别为3.5%和5%，测试结果超出相关规程规定的2.5%要求。

由此确认，混合气体密度表与所测混合气体比例不匹配会造成密度表指示偏差，低温时会导致继电器发出错误的低压报警或闭锁信号。1号—8号缺陷断路器低温表现特征均与上述分析结果相印证。

3.3 高气压装置密封性分析

温度在20℃时,分别向储气试验装置充入气压为0.4 MPa和0.9 MPa、SF6与CF4密度比例53∶47的混合气体，在-30℃和-40℃温度下分别测试试验装置的气体泄漏情况。为确保模拟试验中所测的数据变化是由气体泄漏而非低温液化导致，要求低温试验结束后，温度回升至20℃，再次确认装置内气体减少量，试验结果见表4。被测装置的气体年泄漏率Fy按照公式（1）计算[6]。

式中：Δρ为SF6气体在两次计算时间间隔的密度变化量，kg/m3；ρ1为第一次计算出的气体密度，kg/m3；Δt为两次测量的时间间隔，h；t为以年计算的时间，每年取值8760 h。

根据表4数据可知：

表4 低气温条件下高气压试验装置的气体泄漏试验数据

（1）当试验装置中充入0.4 MPa（20℃）的SF6/CF4混合气体时，仅在-40℃温度下发生了气体密度微降情况，折算到气体年泄漏率为293.76%；当回温至20℃时，气体密度的变化停止。此过程中，试验装置的总气体年泄漏率为104.97%。由此推断，低气温会造成试验装置的密封性能下降。

（2）当试验装置中充入0.9 MPa（20℃）的SF6/CF4混合气体时，气温降至-30℃，装置内的气体密度微量下降，折算到气体年泄漏率为127.01%；气温降至-40℃，装置内的气体密度值大幅降低，折算到气体年泄漏率为3 932.42%。对照混合气体内相应密度的纯SF6气体状态参数曲线，判断-40℃时部分SF6气体发生了低温液化；当回温至20℃时，气体密度值升高。此过程中，试验装置的总气体年泄漏率为607.58%，远大于试验一的泄漏量。

综上推断，在低温条件下装置内部气压过高会导致其密封性能降低，加重内部气体的泄漏。1号、2号缺陷断路器低温表现特征与上述分析结果相印证。

4 结论和建议

综合SF6/CF4缺陷断路器现场检查和模拟试验结果，得出以下结论和建议。

（1）SF6/CF4混合气体断路器基建安装环节未按照额定比例充装SF6和CF4气体，不满足设备设计要求，是本次多台混合气体断路器发生低气压故障的主要原因。建议在相关试验规程中增加针对混合气体断路器的现场混合气体组分测试要求。

（2）生产制造过程中未充入参数合适的混合气体，投运后会造成密度表的指示偏差，低温时会导致继电器发出错误的低压报警或闭锁信号。建议在相关试验规程中增加核对混合气体密度表参数和测试全温度条件下密度表准确度要求。

（3）设计生产环节未对高气压断路器采用有效密封加固方法，投运后将导致高气压断路器在低气温条件下密封性能下降。建议高气压断路器出厂时开展低温条件下密封性能检测，以尽早发现设备缺陷。