在電力工業中,SF6是一種重要的介質,它用作封閉式、高壓開關的滅弧和絕緣氣體。SF6氣體的**性能實現了裝置經濟化、低維護化的操作。目前,作為絕緣和滅弧介質,還沒有其他技術能從技術、經濟和生態的角度超過SF6氣體。
SF6氣體已經被廣泛應用于電氣設備中。從應用來看,SF6斷路器和GIS是最主要的領域,已基本代替126kV及以上電壓等級的油斷路器。很明顯,SF6氣體替代絕緣油作為滅弧和絕緣介質是發展的必然趨勢。
隨著國內SF6電氣設備深入廣泛的應用,SF6氣體的用量越來越大。由于SF6氣體價格昂貴,而且當SF6氣體中含水分時會對電氣設備造成以下危害:
(1)在水分存在下,SF6分解產物發生水解反應,阻礙了SF6分解產物的復合,降低了SF6的介質恢復強度,從而降低設備的絕緣特性;
(2)加劇了低氟化物水解和金屬氟化物的分解。生成的氟化亞硫酸和氫氟酸有劇毒,對人體有很大的危害,還會腐蝕電極和絕緣材料;
(3)在設備內結露。由于氣體中的水分以水蒸氣的形式存在,當溫度降低時,可能在設備內部結露,附著在設備表面如電極、絕緣子表面等,容易產生沿面放電(閃絡)而引起事故。
(4)氟化亞硫酸和氫氟酸如被放入大氣后會污染環境。
所以SF6電氣設備在生產制造及檢修時應對SF6氣體進行回收及凈化,及時去除SF6氣體中的水分及分解產物。
SF6氣體回收充氣裝置因此應運而生,成為SF6電氣設備用戶及SF6電氣設備制造商生產、檢修及配套的必備設備。
目前,國內現有SF6氣體回收充氣裝置的種類規格繁多,按制造地可分為進口與國產兩種,按回收儲存原理可分為高壓液化法及冷凍液化法兩種,按回收系統是否有油可分為無泊回收及有油田收兩種,同時同一制造商又提供多種產品來滿足用戶需求,總的規格型號已達40多種。附表一列出各主要制造商在國內的代表產品的性能特點。
為了更好地理解SF6氣體回收充氣裝置的工作原理,這里先介紹一下SF6氣體的物理特性。
SF6在常溫常壓條件下為氣態,溫度降低后在一定的壓力作用下較易液化為液態。當環境溫度升高后,其對應的液化壓力相應升高,成為不易液化的氣體。當溫度超過SF6的臨界溫度45.55℃時,就元法使其液化。SF6氣體為惰性氣體,與油不相溶,所以可以比較容易地分離出所混入的油分。采用國際先進技術,濾油水平已達到與無油系統相娘美的程度,可以相當徹底地清除油分。
目前,在國際上SF6氣體回收充氣裝置的回收儲存原理主要有兩種,**種采用冷凍液化法原理:即在SF6氣體回收的過程中,在一定的SF6氣體壓力下,利用制冷機組使SF6氣體溫度降低至該壓力下的飽和蒸汽溫度,SF6氣體開始液化為液體,并以液體形式進行儲存,優點是回收速度快、液化速度快;第二種采用高壓液化法原理,即在SF6氣體回收的過程中,在當時的環境溫度下,利用壓縮機將SF6氣體壓力提高至該溫度下的飽和蒸汽壓力,SF6氣體開始轉化為液體,并以液體形式進行儲存。優點是系統簡單,缺點是系統工作壓力高,回收效率低,當SF6氣體溫度(SF6氣體經壓縮機壓縮后溫度可達到80℃以上)超過臨界溫度45.55℃時,就無法使 其液化,此時高溫高壓的SF6氣體只能經過一段時間后待其溫度降至臨界溫度以下時才能轉化為液體。
在回收系統上采用有油或無油系統,至于孰優孰劣,也存在著一定的爭議。
無油系統理論上可以做到SF6氣體達到100%不與油接觸,稱為全元油(Oil-free),如國內使用的膜式壓縮機。這種回收裝置的體積大,回收效率低,維修工作量大。這樣就出現了第二種無油系統,回收裝置的主機-SF6氣體壓縮機為油脂潤滑的活塞式壓縮機,如與SF6直接接觸的活塞環等采用自潤滑材料,只是曲軸箱中的曲軸、曲柄銷,活塞部位的活塞銷等轉動部件采用油脂潤滑(曲軸箱內無潤滑油),稱為無油(Oil-less),準確地應稱之為少油。長期使用,理論上有微量油脂蒸汽混入SF6,實踐中該微量油脂蒸汽對Sf6未造成多少影響。此類壓縮機制造工藝要求高,多為進口壓縮機。優點是體積小,重量輕,缺點是價格高,因為無油,使用壽命與有油壓 縮機相比大打折扣。
一般此類壓縮機的活塞環壽命為500小時。使用有油系統的回收裝置,優點是使用壽命長,耐用。缺點是,需增加一套油過濾系統,比較復雜,且油過濾系統需設計合理,確保干凈徹底地清除油分。
下面概述一下進口的各種回收裝置的性能特點:
日本KAJI
使用量不大,多在SF6電氣制造廠使用。采用冷凍液化法,有油系統。用戶反應,可靠性高,耐用。
美國LIMCO
電力系統使用,僅幾臺。采用冷凍液化法,有油系統。用戶反應回收速度快、液化速度快,效率高。
德國SIEMENS
電力系統使用,數量不多,有油系統,氣態儲存。
德國DILO
進口回收裝置中使用量**,SF6電氣制造廠及電力系統均使用。采用高壓液化法, 無油回收系統。
瑞士MICAFIL
SF6電氣制造廠及電力系統均使用,采用冷凍液化法,無油回收系統。產品為十年前老產品,近幾年該公司已停產回收裝置。
加拿大ENERVAC
GRU-4型僅在電力系統使用,僅適用于小型SF6斷路器。體積小重量輕,但回收速度慢。采用高壓液化法,少油回收系統。
美國CRYQUIPT
最近幾年進入國內市場。電力系統使用,適用于小型SF6斷路器。體積較小,重量較輕,但回收速度慢。采用高壓液化法,元油回收系統。
下面簡述一下國產回收裝置的性能特點:
SF6電氣制造廠及電力系統均有使用,采用高壓液化法,無油回收系統。主機與儲存容器為分體式。
優點:全無油,缺點:體積大,噪聲大,回收效率低,維修工作量大。
我公司的sf6回收裝置
SF6電氣制造廠及電力系統均使用,采用冷凍液化法,有油回收系統。系統配置真空壓縮機,到0表壓以下時自動串聯運行,SF6回收殘壓小于1000Pa,最低至300Pa,回收率高達99.95%。
下面著重介紹一下高壓液化法與冷凍液化法的優缺點。
采用高壓液化法原理的國外代表廠商德國DILO公司,產品結構簡潔,操作簡單。在環境溫度較低的季節,其設備性能可以得到較好的發揮,可以直接將SF6氣體打人鋼瓶后液化儲存。但到了環境溫度較高的夏季,其設備性能急劇下降,打人鋼瓶內的SF6氣體成為滾燙的氣體(SF6壓縮機排氣溫度可達到100℃)。當SF6氣體壓力達5.5Mpa時,其設備就無法工作。隨著使用時間的延長,一般在使用500小時后,也就是前面所講的第二種無油系統,壓縮機活塞環由于磨損等原因,整機性能下降,最高排氣壓力也隨之下降,SF6氣體液化會變得比較困難。
為了在炎熱的夏季能夠將SF6氣體快速液化,提高SF6氣體的回收速度,在國內以我公司為代表的廠商采用冷凍液化法,降低了SF6氣體在回收過程中的工作壓力,大大提高了工作效率。例如:在夏季,環境溫度為36℃的室外,此時SF6的液化壓力為3.OMpa(絕對壓力)。采用冷凍液化法,可將SF6的液化溫度降低為攝氏10℃,此時SF6對應的液化壓力為1.65Mpa,從而降低了系統工作壓力,提高了回收效率。
只是在將已液化的SF6液體充灌入鋼瓶過程中出現了難題。攝氏10℃的SF6液體(壓力為1.65Mpa)充灌入攝氏36℃的鋼瓶,遇高溫后部分SF6液體迅速汽化,鋼瓶內SF6壓力上升,當壓力平衡后SF6液體再也無法進入鋼瓶。
目前采用冷凍液化法原理的國外代表廠商美國LIMCO、瑞士MICAFIL、日本KAJI等均遇到這一難題,無法解決。
我公司在此方面對工作系統原理進行了改進,采用了獨到的雙容器系統,高背壓灌鋼瓶原理,準備工作完成后,甚至在5~8min內可將標準SF6鋼瓶灌裝至5Okg。簡單地說就是用高溫高壓的氣態SF6向低溫低壓的液態SF6加壓,強制液態SF6進入鋼瓶。另外,還可以使用增壓泵,直接將液態SF6打入鋼瓶。
SF6回收裝置的發展趨勢:
小型化發展
代表為加拿大ENERVAC公司的GRU-4。只是適用于小型斷路器。結構緊湊,移動方便。目前,我公司也將推出重量小于100kg的回收裝置。
多樣化發展
根據用戶不同需求,制造出的回收裝置強化某一專項功能,如除水分、除油分、除酸、除雜質、灌鋼瓶等。
積木式
代表為德國DILO公司。抽真空單元、過濾器單元、真空壓縮機單元、SF6壓縮機單元、儲存容器單元等,各自即可獨立使用,又可根據需要相互連接,以滿足不同的需求。
