SF6气体及其衍生物泄漏对变电站环境风险分析与防护技术研究

2017-03-10 03:47国网北京电力科学研究院任志刚王晓晨吴麟琳国网北京市电力公司王彦卿李洋

电力设备管理 2017年12期

国网北京电力科学研究院任志刚王晓晨吴麟琳国网北京市电力公司王彦卿李洋

1 引言

SF6常态下是一种无色、无味、无毒、不燃烧的气体。密度约为空气的5倍。它具有优良的绝缘性能和灭弧性能，广泛的应用于高压开关、变压器、互感器、组合电气（GIS）、高压电缆等电气设备[1]。随着社会的发展城市用电急剧增加，地下变电站由于其地上占地面积较小，得到越来越多的建设。地下变电站一般是建造在大中型城市人口密集区，变电站室内电气开关设备都充满着SF6气体。但是SF6气体是一种造成温室效应的气体，并在高能因子作用下产生的分解产物具有毒性，对人的生命安全造成影响。因此，本文将对在突发气体泄漏情况下，对变电站以及周边人员危害进行分析，提出相应的防护措施。

2 SF6气体的潜在危害

随着电力系统的发展，SF6使用量越来越大。SF6气体本身无毒但具有窒息性，还是一种造成温室效应的气体，并在高能因子作用下产生的分解产物具有毒性，对人的生命安全造成影响。

2.1 SF6气体的窒息性

在标准状况下SF6气体密度为空气的5倍，一旦发生泄漏，SF6气体将在空间底部沉积，例如电缆层（隧道）灯低洼处沉积，将空气中的氧气排出，人员在此环境中面临窒息危险。

2.2 SF6气体的温室效应

近百年来，地球气候正经历一次以全球变暖为主要特征的显著变化[2]。这种全球性的气候变暖是由自然的气候波动和人类活动所增强的温室效应共同引起的。在“京都议定书”以及“巴厘岛路线图”中特别讨论了温室气体及其控制问题，要求各国稳定对全球气候变化有重要意义的二氧化碳、六氟化硫等气体的排放，并将它们列入减排贸易中。SF6对环境的影响主要表现在3个方面：

（1）SF6是人工合成物，自然界中不存在天然的SF6，随着需求量的增加，大气中 SF6的以每年8%～9% 的速度增长；

（2）SF6的增温潜势值为CO2的23900倍，即就等量的SF6和CO2而言，SF6温室效应相当于CO2的23900倍；

（3）SF6的降解过程非常缓慢，在大气中的寿命为3200年。因此人类活动的大量排放具有不可逆转的累积效应，对全球气候和环境变化具有重要影响[2]。

3 SF6气体变故障下分解产物气体分析

3.1 SF6气体分解产物理论分析

SF6气体分解过程非常复杂，涉及复杂的物理化学过程，其影响因素有：放电能量、缺陷类型、水分含量、氧气含量、固体绝缘材料、电极材料、放电电压、放电电流等。

图1 SF6气体分解作用机理

根据IEC 60480-2004，不管是哪种分解原因，其基本过程如下：SF6气体在电弧放电、局部放电、火花放电或过热作用下首先分解为SF5、SF4、SF3、F等，这些活泼的分解产物进一步与气室中的氧气、水分或金属等结合并发生化学反应生成HF、SOF4、SOF2、SO2F2、SO2等。可能的反应过程如图1所示。

虽然在各种放电类型和故障类型下其分解基本过程相类似，但是其分解结果却不尽相同。具体表现在：在不同放电条件下，各分解气体产物的生成量、生成速率、成分构成呈现出不同特点。

在局部放电（包括电晕放电和小间隙火花放电）下，由于能量比较小，所以分解产物的量总是很少，但在长期放电的情况下，分解产物也会累积得比较多。

在电弧作用下，SF6气体发生分解，并以硫（S）和氟（F）的单原子状态存在，但在灭弧后的瞬间大部分又迅速恢复成SF6分子，高温还将导致金属蒸发，进而与F等反应产生大量的金属氟化物，如：CuF2、WF6、AlF3、FeF3等。由于电弧放电能量较高，因此，在电弧放电作用下将产生大量的分解气体，出现局部放电下很少出现的气体成分，如：SF4等。

水分和氧气都对电弧反应有影响，法国Paul Sabatier 大学的A.Derdouri 从水对SF6局部放电分解产物的影响角度做了研究，提出：在水分存在时，只有SOF2和SO2F2是稳定的。美国Oak Ridge国家实验室的Isidor Sauers在八十年代末从氧气对局部放电分解产物的影响角度做了研究，提出：氧气的增加将使SOF4和SO2F2增加，但对SOF2影响很小。

中国电科院通过对开关设备内部气体进行进行研究后提出：SF6开关设备由于内部绝缘缺陷导致导电金属对地放电及气体中的导电颗粒杂质引起对地放电时，释放能量较大，表现为电晕、火花或电弧放电。故障区域的气体、金属触头和固体绝缘材料分解，产生大量的金属氟化物、SO2、SOF2、H2S、HF等。开关设备发生气体间隙局部放电故障的能量较小，放电量约为11500pC 左右，通常会使气体分解产生的SO2、HF 和H2S等组份。因导电杆的连接接触不良，使导体接触电阻增大，导致故障点温度过高，当温度超过500℃，设备内的气体发生分解，温度达到600℃时，金属导电杆开始熔化，并引起支撑绝缘子的材料分解。此类故障主要生成SO2、HF、H2S、氟化硫酰等分解产物，设备发生内部故障时，SF6气体分解产物还有CF4、SF4和SO2等物质, 由于气室中存在水分和氧气，这些物质会再次反应生成稳定的SO2和HF等。

图2 过热模拟仓接线图

图3 过热模拟仓实体照片

图4 放电模拟仓实体照片

图5 针-板电极电晕放电试验回路图

3.2 过热、局放缺陷SF6气体分解产物试验分析

为进一步分析泄漏气体中各种气体的成分比例，确定典型泄漏气体，我们搭建了放电和过热模拟试验平台，开展了68组相关实验放电、过热等模拟实验，并对SF6气体分解产物进行试验分析。

（1）放电和过热模拟试验平台搭建

模拟试验平台主要由电缆热循环试验系统、电流模拟仓、测温系统、分解组分检测单元四部分组成，该平台可模拟局部放电缺陷和过热缺陷，平台示意图和实物如图2至4所示。电缆热循环测试系统主要是为该装置提供大电流，其工作原理是利用原边的50Hz穿心变压器、由电缆试品形成变压器的次级线圈，使电缆试品产生短路大电流，在导体线芯上得到所需温度，利用该原理为过热模拟仓提供大电流，使其达到控制温度的目的，电流模拟仓内部采用与运行设备同样材质，可充入730L（0.7MPa）SF6气体；测温系统由红外测温窗体：用于连接电流过热故障模拟仓，可承受0.1-0.6MPa的压力，可耐100℃高温，中心镜面材料为硫化锌，不与SF6等相关产物发生反应；红外测温源：可测温范围0-1000℃；分解组分检测单元主体为5795C与7890A色质联用色谱仪。

图6 针-板悬浮电位火花放电试验回路图

图7 加热铜管模型缺陷

图8 加热铜片缺陷模型

（2）缺陷模型设置

建立了内部针-板电极电晕放电、火花放电，采用脉冲电流法配合PDcheck绝缘状态在线诊断系统检测放电能量及电荷量，采用气相色谱分析SF6分解气体，研究了SF6在电晕放电和火花放电下的分解情况，并对比分析不同放电能量、施加电压、SF6压强、吸附剂、含水量（250 mL/L- 2500 mL/L）下SF6分解特性。针-板电极电晕放电试验回路图如图5所示，针-板悬浮电位火花放电试验回路图如图6所示。

设计了加热铜管和加热铜片两种过热缺陷模型，加热铜管缺陷模型如图7所示。设计铜管固定在加热仓内，两端以弹簧固定其空心铜管，中间以实心铜线填充，最热点设计在填充部分。

经过再次思考及文献查阅，设计叉形铜片，如图8所示，其中最窄处设计为最热点，经过试验后现断裂点确为设计部位，缺陷设计非常成功。

（3）试验结果讨论

通过大量的试验模拟，以及分解产物检测，最终得到如下数据（图9），由图9分析得到分解产物稳定组份：SO2、SO2F2、H2S、CO、CO2等气体，但其含量与气体（99.97%）比较起来可以忽略不计。故泄漏气体的特征气体选取为宜，具备稳定性强、含量相对较高等特点。

3.3 放弧故障下SF6气体分解产物试验分析

通过对多次GIS设备故障时SF6气体分解产物进行试验检测，SO2、SO2F2、H2S、CO、CO2等衍生气体含量较高，而CS2、HF等气体含量相对较少且不稳定。以某220kV变电站GIS开关仓故障为例，220kV纵联差动保护动作跳闸，重合不成功，初次最大短路电流达12.39A(二次值），折合一次值为30.98kA。再次故障时最大短路电流达11.76A，折合一次值为29.40kA。

经解体检查判断开关仓内刀闸动触头导向屏蔽罩因铆冲不实，造成脱落至动触头铜杆上，且在掉落过程中对筒壁圆筒与直筒相贯线处放电，电弧能量严重灼伤了绝缘盆子。气体分解产物试验检测结果如表1所示。

3.4 气体变故障下泄漏混合气体危害分析

由上述分析可知，气体变故障下泄露混合气体的毒性主要来自3个方面：

（1）SF6气体本身含有的杂质，主要有水分、空气、CF4、CO2；

（2）充装时带入的杂质，主要有水分、空气和CO2；

（3）设备在故障下产生的杂质有SF4、SOF2、SO2F2、SOF4、HF、SO2等。

图9 SF6气体故障下混合气体含量比例

而在SF6变压器中，促使SF6气体分解的放电形式根据放电过程中耗能的大小可分为三种类型：电弧放电、火花放电和电晕放电或局部放电。电弧放电主要是由于设备发生短路故障引起的；火花放电是一种气隙间极短时间的电容性放电，能量较低，产生的分解产物与电弧放电产生的分解产物有明显的差异；SF6变压器内部的另外一种放电形式是电晕放电或局部放电，长时间的电晕放电或局部放电会导致分解产物的积累。除了上述三种能够引起SF6气体分解的主要放电过程外，过热作用也会促使SF6气体分解的放电。SF6气体在电或者热的作用下会发生分解，其如图2-1所示，通过分析SF6气体的分解机理，可以了解不同性质的故障可能产生的特征杂质。SF6分解气体的毒性引起的临床病变与工作场所中SF6气体及毒性分解物的接触限值如表2和3所示。

表2几种SF6分解气体的毒性引起的临床病变

表3工作场所中SF6气体及毒性分解物的接触限值

表1 SF6气体分解产物试验检测

表2 几种SF6分解气体的毒性引起的临床病变

4 SF6气体的泄漏分析

如果GIS室或主变室一旦有闪络突发事故发生， SF6气体及其产生的有毒有害的分解产物会瞬间泄漏到空间中，其主要可以测量的物质估算浓度如表4所示。

下面的计算仅是按照最苛刻的条件考虑气体均布在计算的空间体积，利用分子的自然扩散的速率，并没有考虑到如风速、空间空气对其稀释等因素。我们根据概算，按泄漏最大量计算出其产生的危害：即所有开关发生闪络，内部气体发生质变瞬间释放到空间中。以下是计算过程与计算结果。

根据上述的描述和事故风险源项分析，以北京某个变电站为例，则需要下面的条件：

（1）开关室设备所在空间的体积：房间体积：21×9×6=1134m3，每个设备所占体积约：

3×3.5 ×0.8=8.4m3，则该房间有同样的设备共8个间隔，因此8个间隔所占的体积是：67.2 m3，8个间隔充装的气体：重量：1600kg，压力：0.5MPa；浓度：99%以上，则气体的体积：259.7m3（20℃,1013.25Pa时，SF6气体的密度：6.16kg/m3）；

（2）每个主变室设备所在空间的体积：房间体积：10.7×9.2×10=984.4m3，每个设备所占体积约：9×4×6=216m3，每个主变充装的气体：重量：390kg，压力：0.5MPa，浓度：99%以上；则气体的体积：63.3m3（20℃,1013.25Pa时，SF6气体的密度：6.16kg/m3）；

（3）设备中气体的温度：假设38℃；

（4）假设开关的形状是圆柱体；

（5）一旦发生闪络，则首先从防爆膜处裂开：D=60mm，取泄漏面积的20%作为计算依据；则面积A=56.52×10-5m2

（6）由于泄漏点的高度小于15米，则按面源来计算，因此采用的扩散模型为高斯烟团模型；

（7）根据现场的布局，得知泄爆口通风管道的宽度：0.55米，高度0.9米；假设到达地面出风口的长度是100米；

（8）假设地面出风口共有10个，每个的长度：1.5米，高度是1米；则出风口的总面积是15m2

（9）由于开关闪络释放到空间中大量有毒有害的气体如：SO2、H2S、酰类、低氟化物等在释放到出风口前没有被处理，但其的含量小于SF6气体，因此此时计算仅考虑SF6气体的扩散为代表，而SF6气体根据环境要求空间中安全限为6000mg/m3，其为中性稳定气体。

（10）对于扩散到户外空间中，假设持续泄漏时间是60min，其扩散的速度还要考虑到当地的气象条件：

根据上面已知的泄漏，根据高斯烟团模型和环评技术方法的经验公式进行计算：

（1）气体的泄漏速率

当容器内气体压力与外界大气压力相等地，泄漏量显然为0。如果降低外界压力，泄漏流量似乎必然增加。但是当外界压力降至0，泄漏流量存在极大值，极值的存在实际是声速的限制，即泄漏气体的动力速度只能达到声速。从另一方面考虑，外界压力保持常压不变，随着容器内气体压力的增加，气体泄漏速度也只能增加至声速，这种情况也称气体流动是阻塞的[4]。

当气体流速在音速范围（临界流）：

当气体流速在亚音速范围（次临界流）：

式中：

表3 工作场所中SF6气体及毒性分解物的接触限值（表中Δ为GBZ2-2002的标准值；＊为GB8777-88的标准值；其余的选用美国AGGH(1978)和NIOSH(1982)公布的值）

P——容器内介质压力，Pa；

P0——环境压力，Pa；

κ——气体的绝热指数（热容比），即定压热容CP与定容热容CV之比。

假定气体的特性是理想气体，气体泄漏速度QG按下式计算：

式中：

QG——气

体泄漏速度，kg/s；

P——容器压力，Pa；

Cd——气体泄漏系数；

当裂口形状为圆形时取1.00，三角形时取0.95，长方形时取0.90[5]；A——裂口面积，m2；

M——分子量，kg/mol；

R——气体常数，8.314J/（mol·k）；

TG——气体温度，K；

Y ——流出系数，对于临界流

Y=1.0对于次临界流按下式计算：

则得出泄漏速率Q≈1.33 kg/s

（2）标准GBZ 2.1-2007《工作场所有害因素职业接触限值化学有害因素》中要求泄漏的SF6安全限制是6000 mg/m3；

（3）达到地面换风口（每个换风口尺寸：高1米，宽1.5米）

在满足以上条件下，我们假设以下两种气象条件（有风、无风），分别计算人员疏散的安全距离以及达到安全限值的时间。下面按照北京某变电站的两种气象情况计算：

第一种情况：取北京的气象条件：有风

图10

图11

风速2.3m/s，平均气温取12℃，主导风向西北风；计算得出预测结果。结果显示，经过1min后，泄漏距离1.6米处，落地点最大泄漏浓度为：108899.1mg/m3>6000 mg/m3。即大于安全限值。计算结果如图10所示。

图10经过1min，泄漏距离1.6米出，落地点最大泄漏浓度为：

108899.1mg/m3>6000 mg/m3（安全限值）

而在距离泄漏处123.5米处，经过61min后，落地点最大泄漏浓度为1632mg/m3，小于安全限值，如图11所示。

图11 经过61min，泄漏距离123.5米处，落地点最大泄漏浓度为：

1632mg/m3＜6000 mg/m3（安全限值）

同样的，在下风处距离泄漏源15m处以及65m处的六氟化硫浓度分别如图12、13所示。

图12

图13

表4 SF6泄漏时有毒有害物质估算量

图12下风向距离泄漏源：经过时间1min， 15米处，泄漏浓度：

106946.2mg/m3> 6000mg/m3（安全限值）

图13下风向距离泄漏源：经过时间1min，65米处，泄漏浓度：

5531.4mg/m3＜ 6000mg/m3（安全限值）

通过分析可以得出六氟化硫扩散浓度与面积随时间变化的关系图，如图14、15所示。并且可以看出，在泄漏开始61min时，储罐里的六氟化硫已经完全泄漏完毕，如图16所示。

综上：在取北京全年平均气象条件下，假设持续释放60min：人员疏散的安全距离：距离泄漏源65米外，建议最好在上风口处；达到安全限值的时间：泄漏源经过61min的扩散，可以达到安全限值。

第二种情况：取北京的气象条件：无风

风速0.2m/s，平均气温取12℃，主导风向西北风；在无风状态下，六氟化硫会以储罐泄漏口为中心向四周扩散，具体扩散浓度随时间变化以及扩散面积随时间变化分别为：（1）经过1min，泄漏距离1.5落地点最大泄漏浓度为24130.6＞6000 mg/m3（安全限值）；（2）经过61min，泄漏距离12.4米处，落地点最大泄漏浓度为277.5mg/m3＜ 6000 mg/m3（安全限值）；（3）下风向距离泄漏源，经过时间1min， 0米处，泄漏浓度23603.8mg/m3> 6000mg/m3（安全限值）；（4）下风向距离泄漏源：经过时间1min， 15米处，泄漏浓度：5771.4mg/m3＜ 6000mg/m3（安全限值）。

综上：在取北京苛刻无风气象条件下，假设持续释放60min：人员疏散的安全距离：距离泄漏源15米外，建议最好在上风口处；达到安全限值的时间：0m处经过61min的扩散，可以达到安全限值。

5 SF6气体的防护研究

当六氟化硫室内变电站出现故障造成六氟化硫气体泄漏时，自动开启泄漏报警装置，利用风机进行强制排风，将六氟化硫气体大量排入室外及人流密集区，导致环境及行人的受到污染及伤害，故需要对目前的六氟化硫室内变电站强制排风口使用管路连接，将泄漏到室内的六氟化硫气体进行回收净化处理，使检修人员在室内安全的情况下以最快的时间到达故障六氟化硫电气设备进行检修处理。

我们经过现场实地调研之后，专门设计对设备正常检修时具有回收回充等功能和对设备出现爆炸大量泄漏时具有回收净化提纯回充等功能装置。主要组成：空间气体快速回收净化分离提纯模块，气体储存模块，自动控制模块，环境在线监测模块，远程传输模块等，如图17所示。

当六氟化硫室内变电站出现突发故障时，由六氟化硫泄漏检修装置（室内六氟化硫气体含量≥1000ppm）反馈信号启动自动收集模块；关闭通风系统、门禁系统；装置执行快速回收首先进入有毒有害气体预处理回收模块；回收处理后的六氟化硫气体统一进入六氟化硫气体储存模块进行储存[6]；当六氟化硫室内变电站的六氟化硫气体＜1000ppm时六氟化硫气体泄漏预警回收装置关闭自动收集装置，启动通风系统及门禁系统；直至六氟化硫室内变电站内氧气含量达到18%。达到人员进入指标，开展事故抢修工作。待设备事故抢修结束后，运输移动回收装置至现场，对回收气体进行提纯处理灌装工作，使整个气体泄漏预警回收装置恢复工作状态，如图18所示。

本系统核心回收处理储存设施采用有饱和度提示和加温再生功能的高性能分子筛对有毒低氟化物和水分进行过滤吸附，快速高效回收处理SF6气体；并配备在线监测模块根据GB/T 3095-2012 《环境空气质量标准》，进行联动控制系统的开启和停车，确保其符合国标规定的环境要求；同时将传感技术、快速过滤回收处理储存技术和自动控制技术应用到系统中，开发出上位机监控系统软件和智能过程控制软件，可实现SF6气体过滤回收、处理、储存、远距离输送工作流程的信息化与自动化，并对过滤回收处理储存、远距离输送全过程进行监督管理，实现SF6气体过滤回收处理储存、远距离输送流程的闭环反馈与循环再生[7]。