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摘 要：为控制水分和SF6气体分解物的含量，以GIS为代表的SF6绝缘类电力设备内部必须加装吸附装置，利用吸附剂吸收GIS内部残留的水分和电弧分解物。本文详细分析了GIS设备水分超标的主要原因和水分对GIS设备的危害，介绍了GIS设备对吸附剂的基本要求、吸附剂的种类及特性、吸附剂合理用量等内容，同时针对GIS的典型故障，介绍了吸附装置的设计要点。
关键词：水分超标；吸附剂；吸附装置
中图分类号：TM50 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）05-0050-04
Reasonable Selection and Design of Adsorbent in GIS Equipment
LIU Jingyu LI Pei
（Pinggao Toshiba （Henan） Switch Parts Manufacturing Co.， Ltd，Pingdingshan Henan 467013）
Abstract： In order to control the content of moisture and SF6 gas decomposition products， the SF6 insulation type electric power equipment， which is represented by GIS， must be equipped with an adsorption device inside， and the adsorbent can absorb the residual moisture and arc decomposition products inside the GIS. This paper analyzed in detail the main causes of GIS equipment moisture and water hazards to GIS equipment， introduced the basic requirements of GIS equipment， adsorbent type and characteristics， the amount of adsorbent and other content， while for the typical GIS fault， the design of the adsorption device was introduced.
Keywords： moisture superscale；adsorbent； adsorption plant
SF6气体绝缘金属封闭开关设备简称GIS，是由断路器（GCB）、隔离开关（DS）和接地开关（ES）等开关电器以及电压互感器、电流互感器、避雷器和封闭母线等单元组成的开关装置。GIS设备具有结构紧凑、环境耐受能力强、抗震能力强、操作安全等优点。在GIS设备中，作为灭弧与绝缘介质的SF6气体中是不允许有水分存在的，但在实际装配和运行过程中，会不可避免地有极少量水分侵入到设备内部，当水分含量超过一定浓度时，会使GIS设备的绝缘能力降低。同时，被电弧分解的低氟化物受潮后会使设备绝缘水平下降，严重时会使沿绝缘件表面出现闪络放电，给设备的可靠运行带来不利影响，这就需要在开关设备内加装吸附装置，用吸附剂把残留的水分和SF6气体的分解物吸收掉[1-3]。
1 水分超标的主要原因及危害
1.1 SF6气体水分超标的主要原因
GIS设备内部的水分来源主要有以下几方面：GIS内部绝缘件及壳体内壁处理效果不佳，含水量较多；SF6新气体本身就含有水分；装配工艺无法避免在作业过程中进入水分；GIS设备密封结构不可靠，运行中水分渗入到设备内部等[4-5]。现在分别对其进行详细分析。
1.1.1 SF6新气中的水分超标。在《工业六氟化硫》（GB/T 12022—2014）标准中，对SF6气体中水分的含量作了明确规定，充气前必须确认SF6气体是否合格。造成新气不合格的原因：一是制气厂对新气检测不严格；二是运输过程和存放环境不符合要求；三是存储时间过长。
1.1.2 产品零部件（特别是绝缘件）带入的水分。在装配前对绝缘件没有进行干燥处理或干燥处理不充分。由于装配场地温度、湿度及表面状态的不同，吸附在GIS设备壳体内壁及内部零件表面的水分也不尽相同。根据测量数据可知，绝缘物表面吸附水分的平均值为5g/m2（内壁有涂料的壳体视为绝缘物），金属件及瓷套的表面按1g/m2来计算。组装前必须对部品进行干燥处理。
1.1.3 吸附剂带进的水分。吸附剂对SF6气体中水分和各种主要分解物都具有较好的吸附能力，假如吸附剂活化处理时间短，没有进行彻底干燥，安装时暴露在空气中时间过长而受潮，吸附剂可能带进部分水分。
1.1.4 设备充SF6氣体时带进的水分。GIS设备充气时，如果不按有关规程和工艺要求进行操作，如充气时SF6气瓶未倒立放置，管路、接口不干燥或装配时暴露在空气中的时间过长工等，都会导致水分带进。因此，必须按照国家相关技术标准及工艺规程充SF6气体。
1.1.5 运行中通过密封部位渗入的水分。尽管GIS设备内部的气体压力高于大气压力，但就水分而言，外部的水分压力比设备内部的要大得多。在内外水分压差的作用下，水分通过密封薄弱环节进入设备内部。
1.1.6 GIS设备的泄漏点渗透的水分。充气口、管路接头、法兰处渗漏和铝铸件砂孔等泄漏点，是水分渗透GIS设备内部的通道，空气中的水蒸气逐渐渗透到设备的内部。由于该过程是一个持续的过程，时间越长，渗透的水分就越多。
1.1.7 GIS设备在组装维修检查和补气过程中混入水分。设备安装和检修维护过程中也会将空气中的水分带入设备内部，如绝缘件在空气中暴露的时间过长而受潮，吸附剂活化处理时间不够，干燥不彻底，安装时暴露在空气中的时间过长等，可能带入数量可观的水分。
1.2 SF6气体水分超标的危害
SF6气体水分超标带来的危害主要体现在：造成GIS设备开断性能的下降、绝缘能力的降低、对零部件的化学腐蚀及毒性化合物对人身和环境的不利影响等[6]。
1.2.1 对开断性能的影响。试验结果表明，水分对SF6开关设备的开断性能有一定影响。分析认为：SF6被电弧分解后，主要分解物是SF4+，其次是SF2+、F2-等。当水分存在时，SF4与水发生化学反应生成SOF2和HF，使断口间重新复合的SF6分子数减少，即水分妨碍了SF6分解物的复合，影响了断口间介质强度的恢复速度。再加上部分硫酸在高温时分解，使水分增加，这种恶性循环的结果，使弧隙SF6分解物增加而复合量减少，吸附电子的能力下降，造成SF6开关设备开断能力降低。
1.2.2 对绝缘性能的影响。研究表明，当SF6气体中的水分超过一定浓度时，不仅会使固体绝缘件的性能下降，而且随着外部温度的变化，这些水分会在设备内部的绝缘件和金属部件表面产生凝结，降低絕缘件表面的电阻并改变其电场分布，从而大大降低绝缘件的性能。另外，运行中的SF6开关设备，当绝缘件表面覆盖有SF6电弧分解物时，受潮的固态分解物呈半导体特性，使绝缘件表面的绝缘电阻下降，可能导致高电压击穿。
1.2.3 对零部件的腐蚀。SF6气体及其分解物与水产生化学反应生成HF及H2SO4等腐蚀性物质。这些物质对SF6开关设备内的金属件或绝缘件产生严重的腐蚀作用而使绝缘劣化，降低GIS设备的使用寿命和性能。通过研究发现，短路开断试验后的产品，环氧树脂绝缘件表面有小米大小的腐蚀砂眼，铜件有明显的变色现象等。
1.2.4 毒性化合物对人身和环境的影响。SF6气体化学性质十分稳定、不易分解，但当设备内部出现绝缘缺陷引起局部放电（Partial Discharge，PD）时，会使SF6气体发生不同程度的分解，生成如SF2、SF3和SF4等低氟硫化物，与SF6气体中存在的水分等杂质发生反应生成更多稳定的化合物，如SOF2、SO2F2、SOF4、SO2、SF4、CO2、HF和H2S等。其中部分分解物分有一定毒性，如SOF2、SO2F2、SO2和SF4等，这些毒性气体极易泄漏，不仅威胁设备维修人员的生命安全，而且对周围生态和大气环境造成极其严重的污染。
2 GIS设备对吸附剂性能的要求
针对SF6开关设备中存在的水分和SF6气体分解物，现在普遍采用的方法是使用吸附剂进行吸附。吸附剂一般有以下特点：大的比表面、适宜的孔结构及表面结构；对吸附质有强烈的吸附能力；一般不与吸附质和介质发生化学反应；制造方便，容易再生；有良好的机械强度等。SF6开关设备中选用的吸附剂具有吸附水分和SF6气体分解产物的双重作用。从保证电气设备的可靠运行及保护环境的角度出发，对吸附剂提出了以下基本要求。
①因SF6气体在电气设备中主要作为绝缘或灭弧介质，因此，吸附剂不吸附或基本不吸附SF6气体。②吸附剂的成分中不能含有导电或低介电常数的物质，以防止其粉尘影响电气设备的绝缘性能。③在水分和多种SF6气体分解物共存的情况下，吸附剂都应具有较好的吸附能力。④吸附剂要有足够的机械强度，在强烈振动的使用环境中不开裂、不粉化。同时，在SF6开关设备开断过程中，在强大的气流、气压作用及强大的电弧能量和高温作用下，也必须不开裂、不粉化。⑤吸附剂在吸附水分后不潮解，不与SF6气体分解物发生反应。即使有反应，也不能产生二次有害气体。
3 吸附剂的吸附特性及合理用量
在SF6开关设备中，最常用的吸附剂有5种：活性氧化铝、4A分子筛、5A分子筛、13X分子筛和F-03分子筛等[7-11]。针对上述5种吸附剂的特性，国内科研单位曾做过试验比较。试验结果表明：F-03分子筛的吸附性能优于活性氧化铝、4A分子筛及5A分子筛。其中，活性氧化铝吸附SO2效果差；5A分子筛吸附SOF2、SO2效果不佳；4A分子筛吸附SOF2、SO2效果最差，且吸附S2F10O和水分的能力也不如其他类型的吸附剂。KDHF-03分子筛是F-03分子筛的改进型产品，与F-03相比，KDHF-03分子筛吸附量提高了10%，抗压强度从50N/粒提高到100N/粒。
3.1 吸附剂对水分的吸附特性
试验结果表明，吸附剂对水分的吸附率会随着露点的增加而增加，水蒸气的分压力增加时，吸附剂对水分的吸附率也随之增加。不同种类的吸附剂对水分的吸附率也不相同，露点相同或水蒸气分压力相同时，分子筛对水分的吸附率要优于活性氧化铝。对同一种吸附剂，吸附剂量越大时，干燥速度越快，即达到相同露点或水蒸气分压力的时间越短。
3.2 吸附剂对SF6分解气体的吸附特性
SF6气体在高温电弧的作用下产生分解气体，分解气体的主要成分是SOF2。另外，由于水分的存在，还有HF、SO2等。试验表明：分子筛13X对SF6气体的吸附率达23.39%（质量比），因此分子筛13X不宜作为SF6电器设备用吸附剂。而5A型分子筛对SF6气体的吸附率为0.24%（质量比），4A型分子筛不吸附SF6气体。分析认为：若按气体分子运动理论计算，SF6的分子直径为6.4Å。SOF2的分子直径为4～5Å，对4A型分子筛SOF2只是挂在孔上，SOF2的分子可以进入到5A型分子筛的细孔径内部（如图1所示），分子筛上附着的水发生化学反应，生成SO2和HF（SOF2+H2O→SO2+2HF）。HF与分子筛产生化学反应而被吸附，SO2因分子直径小而不被吸附。
3.3 吸附剂的合理用量
在SF6开关设备中，吸附剂的加入量应满足以下基本要求：①要将SF6开关设备内的水分含量控制在设备运行时的允许值以内；②要能吸附开关设备在累计开断容量内所产生的气体分解物；③不要为了更换吸附剂而导致排放SF6气体。
4 吸附装置的设计要点
如果吸附装置设計不合理，会造成严重的质量事故。例如，某变电站220kV GIS设备曾发生B相接地故障。经调查发现，是由于吸附装置的材质选择不合理造成的[12-15]。事故调查情况简述如下。
2010年9月23日，220kV电范#1线发生B相接地故障，通过SF6气体分解物测试发现电范#1线线路刀闸气室SO2气体含量为2.45×10-4，可判定发生过放电故障，其他气室组分正常。拆解后发现B相线路刀闸气室上部吸附剂罩及吸附剂均已烧掉，B相吸附剂盖板有大量氟化物，C相吸附剂罩的网格也有4处断裂，如图2所示。
吸附装置若采用塑料材质，将存在下列问题：①GIS多安装在室外，随季节变化骤冷骤热易造成塑料材质老化，最终引起破损；②吸附剂自身有一定质量，对于在GIS顶部或侧面安装的吸附剂罩，长时间在吸附剂质量作用下易发生变形破裂；③塑料材质热膨胀系数为80～120μm/℃，不锈钢材质热膨胀系数为14～16μm/℃，两者差别较大，在温度变化时，GIS金属壳体热胀冷缩程度要小于塑料吸附剂罩，因此尺寸越大的吸附剂罩破损越严重。
图3是一种推荐的吸附装置，吸附剂装设在SF6开关设备的底部或侧面，通过可拆装的金属盖板实现对吸附剂的装入或更换。
设计吸附装置时应特别注意：①吸附剂应放置在不锈钢或等同强度材质的吸附装置内，并与罐体安装紧固，避免运行中因振动发生脱落；②考虑到开关操作时会发生振动，吸附剂会因振动而磨损并产生粉尘，所以为了不让粉尘进入设备内，应把吸附剂装在滤布做的袋子里再放进吸附装置内，这种滤布是用来挡尘的，其机械强度要强，不受分解气体侵蚀且具有不影响吸附能力的较强的透气性；③为防止金属异物进入设备内部，吸附装置优先装在下方，使其具有异物捕获功能；④当设备上有用于装配的手孔盖时，优先将吸附剂安装在手孔盖内侧，以降低成本；⑤为便于现场更换吸附剂，吸附装置不宜装在高处，同时吸附装置也不宜过重，必要时可改进吸附装置的结构或材质；⑥严禁将吸附剂安装在泄压通道内侧，影响泄压效果。
5 结语
为控制GIS设备中的水分和电弧分解物的含量，在SF6气室中必须加装吸附剂，利用吸附剂吸收内部残留的水分和电弧分解物。GIS设备中应优先选用KDHF-03分子筛等吸附性能优良的吸附剂，吸附剂的加入量应满足GIS设备内的水分含量控制在允许值以内，同时能吸附GIS设备在累计开断容量内所产生的气体分解物。吸附装置的设计必须科学合理，否则会造成严重的质量事故。
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