关于变电站六氟化硫气体回收再利用的思考

朱智博（中国石油集团电能有限公司）

六氟化硫（SF6）气体具有卓越的电绝缘性和灭弧特性，从1940年开始作为绝缘介质被广泛应用于电器工业，如高压断路器、高压开关、高压变压器、互感器、气封闭组合电容器等。以X油田变电站为例，经统计，仅SF6断路器就有1 600余台，每年对断路器进行大修、补气，每年消耗量约700 kg。SF6气体是目前发现的温室效应极强的气体之一，对于环境污染严重；SF6气体在使用过程中会产生有毒气体，对人体健康有极大危害；同时，SF6气体价格昂贵，每瓶气体在近万元左右。如果对气体能够科学的回收再利用，不仅能减少对环境、人身的危害，而且可节约资源和降低经济成本，基于以上原因，对SF6气体的回收工作应得到高度重视。

1 SF6气体电器的应用

SF6气体电器有断路器、GIS、互感器、避雷器等。最常见的是SF6断路器，即采用SF6气体作为灭弧介质的断路器，适用于频繁操作及要求高速开断的场合，在国内35 kV及以上电压等级的变电站中得到了广泛使用。

SF6断路器的工作原理，主要是在系统正常运行时能切断和接通高压线路及各种空载和负荷电流，而且当系统发生故障时，通过继电保护装置的作用能自动、迅速、可靠地切除各种过负荷电流和短路电流，防止事故的发生和扩大。断路器内部的SF6气体，则是在分断过程中起到快速灭弧的作用和正常运行时起到相地、相间的绝缘作用。同时，为了保证断路器的正常工作，内部的SF6需要有一定的压力值，运行中是利用SF6密度继电器来监视气体压力变化。当SF6气体压力下降到第一报警值时，密度继电器动作，报出补气压力的信号。当SF6气体压力下降到第二报警值时，密度继电器动作，报出闭锁压力的信号，同时把开关的跳合闸回路断开，实现分、合闸闭锁。

SF6在150℃以下时，有良好的化学惰性，不与断路器中常用的金属、塑料及其他材料发生化学反应。在大功率电弧引起的高温下分解成各种不同成分时，电弧熄灭后的极短时间内又会重新合成。SF6的分子和自由电子有非常好的混合性，当电子和SF6分子接触时几乎100%的混合而组成新的负离子，这种性能对剩余弧柱的消电离及灭弧有极大的使用价值，即SF6具有很好的负电性，它的分子能迅速捕捉自由电子而形成负离子，这些负离子的导电作用十分迟缓，从而加速了电弧间隙介质强度的恢复率，因此有很好的灭弧性能。在101 kPa气压下，SF6的灭弧性能是空气的100倍，并且灭弧后不变质，可重复使用。SF6气体优良的绝缘和灭弧性能，使SF6断路器具有如下优点：开断能力强，断口电压便于做得较高，允许连续开断次数较多。因此，SF6断路器在电网得到了广泛应用。

2 SF6的特性及危害

SF6气体是一种具有优良灭弧性能和高绝缘的气体，用于输变电设备，具有性能稳定、维修周期及使用寿命长、维护方便等特点。由于SF6电器设备性能优越，得到了全面推广使用。但是SF6具有以下危害:

1）未使用的SF6气体是无味、无色、无毒的，但由于SF6气体自身比重比空气重好几倍，会在地面层漂浮。因此，对于密闭空间内存在SF6设备时，需安装含氧量及SF6含量测试装置，以免由于氧气不足，对检修人员造成危害。

2）SF6气体在设备运行时，由于开断，产生高压电弧时，SF6气体会裂解生成部分低氟化物等有毒物质。SF6电器设备运行到期报废拆除具有使用时间越长、开断次数越多、SF6气体中的毒性也就越大，所以SF6气体不能直接排入大气，需要进行回收处理。

3）SF6气体在电器设备运行中，由于水份超标或动静触头的消耗，易发生绝缘击穿或过热等问题，因此需要对SF6断路器进行定期的大修（包括更换SF6气体）。

4）同等体积下的SF6气体对温室效应的影响为CO2的25 000倍。据统计，全球每年排放到大气中的SF6气体相当于1.25×108t CO2气体。在国家电网公司发布的《2006年社会责任报告》中，明确提出“减少污染物和废弃物排放，回收再利用SF6气体”的节能和环保要求[1-4]。

3 回收装置工作原理

目前在用的SF6气体回收装置，主要由回收系统、充气系统、净化系统、抽真空系统、储气罐及控制系统等组成，具体包括压缩机、缓冲器、分离器、过滤器、热交换器、安全阀、逆止阀、气体压力表、真空泵、真空表、充气装置和面板控制等[5-6]，可以实现对储油罐及管路系统及SF6气体电器抽真空及真空度测量、回收SF6气体液态储存、净化SF6气体等功能。X供电公司SF6回收装置系统原理见图1。

图1 X供电公司SF6回收装置系统原理Fig.1 System schematic of SF6 recovery device of X power supply company

回收装置按照SF6气体回收方式分为冷冻液态方式、高压液态方式、高压气态方式[7-8]，考虑到生产成本和SF6运输成本，目前常见的方式以冷冻液态方式为主。回收时，利用压缩机的抽吸性和压缩性把SF6电器设备内一定压力的SF6气体吸入压缩机，并压缩至某一较高的压力，利用制冷剂的低蒸发温度特性，将较高温度的SF6气体冷却至冷凝温度进行液化、贮存。充放时，首先利用本装置的真空泵对SF6电器设备（或钢瓶）和连接管路进行抽真空，然后直接利用压差或利用压缩机的抽吸性把产生的压差将装置贮存容器内的SF6充入SF6电器设备内，直至达到所需的工作压力为止。

4 存在问题

通过对检修现场的调查，由于使用、管理不当等原因，废气直接排放或经过简单的过滤吸附而排放到大气中。这不仅导致SF6气体在高温电弧作用下产生的有毒分解物排放到大气中，还给人类赖以生存的环境带来污染和破坏，同时还危及电器设备的正常运行和运行检修人员的身体健康。根据现场情况，回收工作落实不到位除了人员主观原因外，主要是基于目前的回收装置还具有一定的使用局限性。

由于该装置功能强大，元件较多，因此体积和重量都较大。目前X油田供电公司使用的装置体积约为1 800 mm（长）×1 600 mm（宽）×1 200 mm（高），重量约为400 kg，因此，对于时间有限的检修工作存在以下问题：一是重量大，体积大，不便运输，增加运输成本；二是部分变电站院内地面不平整，或者院内有电缆桥架，或者部分变电站高压设备在二楼，或者工作地点狭小等。以上两类情况均不便于将回收装置移动到相应位置进行回收工作，极大限制了该工作的局限性。此外，由于目前使用的回收设备是和GIS配套使用，充气压力值无法调整，因此需要重新编程，满足其他设备的回收需求；充气接口不兼容，应配备其他型号的SF6气体电器相应的接口。

图2 改装后的模块化系统原理Fig.2 Principle of modular system after modification

5 改造措施

根据现场应用，一体化SF6回收装置具有体积大、质量重的特点，如果能将SF6气体回收装置体积缩小，质量减轻，并且保持回收效率不变，就可以彻底解决SF6气体回收装置在户内变电站难以运输的问题。基于以上的要求，采用模块化设计方式，将—体化SF6回收装置进行模块化改装，改装后的模化块系统原理见图2，组成便携式的回收装置。

改装目标是将每部分的重量控制在50 kg以内，体积不超过1 000 mm（长）×1 000 mm（宽）×500 mm（高），符合现场的使用需求。因此将该装置分为模块1（充气装置、气体压力表、储气罐等）、模块2（真空泵、真空表等）、模块3（压缩机、缓冲器、分离器、过滤器等）、模块4（控制面板）[9]，每部分之间通过高压气管及控制电缆进行连接。为了满足现场使用需求，对模块2和模块3的底部进行了加固，保证模块的稳定；装置的底部安装了移动轮，方便现场移动；对外观进行了防锈处理；各管线的连接、拆装人性化处理，设计管线放置支架，方便拆装；各部件的安装空间紧凑，设计有电动机、阀门等维护位置，便于维护。对于控制程序问题，结合生产厂家，对PLC程序进行修改，并在控制面板加装旋钮进行压力设定，解决充气压力无法调整的问题。对于接口问题，通过统计X油田在用的SF6气体电器，主要有3种接口，查阅厂家资料并结合图纸，进行加工，配备三通减压阀，便于回收充气工作的开展。

组装完毕后，需要对该装置进行密封试验。进行抽真空及真空度保持试验、回收气体速度测试、充气速度测试等功能性试验、可靠性试验等[10]，均符合规范要求。一是回收气体速度，将设备容积为1 m3、气压为0.8 MPa（20℃）的SF6气体回收到容积为1 m3、初压为2 MPa的标准储气罐中，当设备残压达到5×10-3MPa时，回收气体时间不超过1 h；当设备残压达到1.33×10-3MPa时，回收气体时间不超过2 h。二是充气速度，对初压低于133 Pa的1 m3容器充入SF6气体至0.8 MPa（20℃）压力时，充气时间不超过0.25 h。三是抽真空速度，对容积为1 m3、初压为0.1 MPa的容器抽真空至终止压力小于133 Pa条件下，抽真空速度为1 m3/h、2 m3/h和5 m3/h三种。四是装置真空度保持真空度达到133 Pa压力下，保持5 h后，装置真空度的上升值应不超过67 Pa。

将该设备进行现场试验，分别选取户内和户外变电所各一座，各个模块最多需要两个人搬运，工作量不大，完全能够适应现场需求，且储气罐根据现场情况可进行灵活调整。通过现场进行操作，发现气体回收充气速度不能满足检修时间要求（有停电计划），为了提高回收气体的速度，通过采用提高真空泵功率、加大管路直径、缩短管路路径等措施，再次进行现场试验，SF6气体回收充气工作可以在2 h之内完成，完全满足现场需求。

6 结论

便携式SF6气体回收装置的设计改造，解决了运输、搬运不便、接口不兼容等问题，解决了部分区域不能回收SF6气体的问题，避免对操作人员造成人身危害，同时响应国家碳达峰碳中和号召，减少SF6温室气体的排放，提高了SF6气体的资源再利用率，降低了企业生产成本。根据统计，X油田变电站SF6气体每年可回收约500 kg，SF6气体价格约200元/kg，可实现每年节省费用7万元。