摘要：SF6气体以其高绝缘强度和优良灭弧特性被广泛的应用于高电压、大容量、高参数电气设备中，然而SF6气体受压力、低温液化的物理性能使得其在极寒环境的应用过程中性能大打折扣。本文结合换流站内直流开关气室SF6气体液化的分析案例，论述了SF6气体的受温度及压力影响的物理特性，推断出SF6气体在具体环境下液化的临界点，最后对防止气室SF6液化提出运行建议。
关键词；换流站；SF6；液化
1 引言
SF6气体以其高绝缘强度和优良灭弧特性被广泛的应用于高电压、大容量、高参数电气设备中。在以SF6为绝缘介质的高压电气设备中，对电气强度、灭弧性能起决定作用的关键因素是SF6气体密度，气体密度增加，减小了电子平均自由行程，从而减少游离，提高了气体的击穿场强。因此在环境温度变化情况下（SF6气体尚未液化），一定容积的SF6气体压力变化，密度保持不变。鉴于此，国标要求SF6气体绝缘电气设备必须安装带有温度补偿的气体密度继电器，通过SF6压力表计压力示数的变化来监测SF6气体密度的变化。
然而在一定温度及压力下，SF6液化的物理特性使得其在电气设备应用过程中性能大打折扣。本文结合某某换流站直流场开关气室SF6液化，论述极端天气下SF6气体的受温度及压力影响的物理特性，推断出SF6气体在具体环境下液化的临界点，最后对防止气室SF6液化提出运行建议。
1.开关气室SF6液化后果分析
以SF6为绝缘介质的开关气室按照要求都配备有SF6密度表计，用于监测开关气室SF6密度变化情况。密度表计一般都设置有报警压力节点、闭锁压力节点。当SF6密度表计数值低于报警压力时，对应节点导通，提醒运维人员进行检查处理；当密度数值低于闭锁压力值时，开关分合闸控制回路断开，开关无法实现电气分合，对应的保护及所有的电气操作均失效，此时若出现故障停电范围会有所扩大。此外，低于闭锁压力的开关气室的绝缘性能是不一定满足绝缘要求的，设备运行存在相当大的风险。
SF6气体在低温条件下液化是开关气室压力降低的原因之一，常规手段如带电对SF6开关气室补气此种情况也不适用；如果液化导致SF6压力低于最低功能压力值，按照运行管理规定是需要将设备停运。因此，防止开关气室SF6气体液化将是运维工作考虑的重点。
2.SF6气室压力异常案例分析
2018.01.26，某某换流站站后台监盘发现”0600/NBGS断路器SF6压力低告警”、”P1.WN-Q1/SF6压力低告警”、”P2.WN-Q1/SF6压力低告警”、”WN-Q3（0300）.Q1/MRTB断路器SF6压力低告警”，报文产生后在1.5h-2h信号复归。对产生告警的各气室额定压力、报警值、闭锁值统计如下表1：
表1 直流开关气室SF6压力统计表
（备注：以上压力值为相对压力值）
对事件发生时环境温度变化曲线图及各气室压力变化曲线图统计如下（见图1-图5）：
图1.环境温度变化曲线图 图2.0100开关气室压力变化曲线图
图3.0200开关气室压力变化曲线图 图4.0300开关气室压力变化曲线图
图5.0600开关气室压力变化曲线图
从以上压力变化曲线图可以看出：在一定环境温度之下（从图中分析这个值在零下25℃左右，从SF6绝缘气体状态参数曲线该值应该在零下22.5℃左右），环境温度的变化对0100开关SF6压力变化基本上是同步（压力变化稍滞后于环境温度的变化），一体化平台SF6压力压线中未看到有压力低于或非常靠近额定报警值0.62MPa，查看对应报文的时间点所对应的一体化监测平台SF6压力值均在0.63MPa以上，现场人员检查数据大概在0.62MPa附近，部分现场数值低于0.62MPa，达到压力报警值。因此建议在环境温度低于零下20℃时，运行人员即加强监视，对照好后台数据与现场表计数据，做好对比分析，利用气象部分提供的气温预测，做好各种情况下的预案。
对比其它气室SF6压力变化情况，其变化趋势基本上是一致的：0200开关气、0300开关气室、0600开关气室，以上气室在环境温度高于-22.5℃，SF6压力密度表的温度补偿作用很为明显，基本上压力值都保持在0.72MPa左右；当环境温度低于此值时，压力随环境温度变化而变化，四个气室的压力曲线趋势上基本保持一致，也可以从侧面在一定程度上证明主断口气室压力的降低是由于环境温度太低引起的（四个断路器气室同时漏气的可能性不大）。
为验证在零下22.5℃额定压力为0.7MPa（相对压力）的条件下，开关气室SF6是否存在液化，我们查看了开关气室密度变化曲线，见图6：
图6.0100开关气室SF6密度变化曲线图
从以上密度变化曲线图可以看到：图中气室的密度曲线在01.26日00：00-12：00出现一条V型线，其余时间段的密度变化曲线基本上保持相对平直。基于密度曲线能够真实反映出一定容积SF6密度液化情况，那么该系列图能够证实在以上时间段的确产生了开关气室内SF6气体液化情况，液化起始温度大概为-22.5℃，低于该温度鉴于SF6压力密度表温度补偿及液化程度的不同，存在开关气室SF6压力低报警乃至闭锁的潜在可能性。
3．防止开关气室SF6液化策略分析
（1）方案一 充混合气体
采用对断路器内充SF6 气体和N2（CF4）混合气体，解决SF6 液化问题。此方案可以有效解决SF6液化问题，但是在混合气体保持原额定压力的条件下，断路器的额定开断电流将下降约20%，已投入运行的开关采用此方案时需要考虑断路器安装位置的开断容量是否满足，是否需要重新调整断路器的机械特性。此外开关灭弧元件的使用寿命可能会受到影响，断路器的分/ 合闸速度可能会因此降低，影响电网的可靠运行，从设备安全稳定运行的角度考虑，不建议采用。
（2）方案二 改动SF6 总闭锁二次线，在环境温度低的情况下临时解除闭锁
该方案原理是在低温环境引起的”SF6 压力低闭锁闭锁”报警时，运行人员就打开闭锁回路中的保护压板，临时解除”SF6 压力低闭锁”功能；等待温度回升，SF6 压力降低闭锁返回，投入保护压板。此方案的实施比较简单，但是风险较大：断路器的额定开断容量，断路器设计的安全裕度能否满足要求需要进行综合考虑，同时也加大了运维工作量，存在一定的安全隐患。
（3）方案三 为开关气室加装伴热带
此方案在我国北部有着比较广泛的应用，其原理是在开关气室外部加装伴热带，环境温度低于一定值时，伴热带起动对开关气室进行加热，防止SF6液化。此方案可以有效防止SF6液化，缺点是投资大。
综合考虑以上方案，结合换流站在电网中的作用，建议采用方案三。
4．分析结论及运维建议
SF6作为一种重要的绝缘介质广泛使用于电气设备中，其受环境低温而液化使得电气设备在运行过程存在一定的风险性。鉴于此运行分析主要针对某换流站直流场开关，我们建议如下：
（1）额定压力为0.7MPa的开关气室，当环境温度低于-22.5℃时SF6会液化，运行人员在环境温度接近此值时应加强监视，结合气象部分提供的数据进行分析，给调度部门提供有价值的参考意见；
（2）当气室压力低于报警值后台出现对应的报警信号后，立即汇报调度现场情况，并派人现场检查核实；做好停运相关开关的预案，并结合实际情况准备好可能操作。
（3）在即将进行的年度检修过程对直流场开关加装伴热带以保证直流场开关的可靠运行。
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作者简介：
朱鹏飞（1981-），男，硕士研究生，工程师，研究方向：特高压交直流系统设备运维。
王群锋（1986-），男，工程师，研究方向：特高压交直流系统设备检修。
论文作者:朱鹏飞1,王群锋1,武凯鹏2,王春阳2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第34期
论文发表时间:2019/5/20
标签：压力论文; 气体论文; 密度论文; 曲线图论文; 断路器论文; 环境温度论文; 方案论文; 《电力设备》2018年第34期论文;