SF6/N2混合气体断路器的检修问题处理

六氟化硫（SF6）气体是一种无色、无味、无毒、不可燃的惰性气体。由于这种气体的化学性能稳定。并具有优良的灭弧和绝缘性能，已被广泛应用于电力设备中。但是，SF6气体也有不足之处，如：价格昂贵，对电场均匀性比较敏感，以及低温下容易液化，不适用于严寒地区使用等问题。例如，在我国北方地区冬季户外气温会低于-25℃，六氟化硫断路器在这种温度下会因SF6气体液化而无法正常工作，如图1所示。一般单压式户外SF6断路器在20℃时的额定气体压力为0.7MPa（压力），SF6气体液化温度为-25℃左右。因此当SF6气体压力降到闭锁压力值时，断路器不得不退出运行。严重时会造成大面积停电。
为了解决六氟化硫断路器（尤其是瓷柱式SF6断路器）在北方严寒地区的使用问题，国内外开关制造厂家已经开始用SF6混合气体来取代SF6气体，一般均采用SF6/N2混合气体作为灭弧、绝缘介质。在总压力为0.7MPa（压力）时，60％SF6+40％N2混合气体的液化温度为-42℃，比同压力下纯SF6气体介质的液化温度低了许多。由于SF6/N2混合气体断路器中的SF6气体密度和灭弧室结构等与纯SF6气体断路器不同。所以在检修中会带来很多问题，本文中作者将这些问题作一些探讨。

2 检修中的问题
2.1　检漏浓度值问题
制造厂家在选择SF6/N2混合气体比例时，需要综合考虑三方面因素：气体液化温度、绝缘性能、灭弧性能。由于侧重点不同，是以防止气体低温液化为主，还是以保证断路器的绝缘性能和灭弧性能为主．所以生产出的断路器可能有两种SF6/N2混合气体比例：50％SF6+50％N2和60％SF6+40％N2的混合比例。
现场断路器若发生压力不正常下降，需要捡漏时．捡漏的方法仍然有定性和定量两种方法。

（1）泄漏的定性查找，与普通SF6断路器一样
测量前应将仪器调试到工作状态．灵敏度稍微调得高一些，然后拿起探头，仔细探测设备外部易泄漏部位如：各检测口、焊缝、充气嘴、法兰连接面、压力表连接管和滑动密封底座等处。虽然在泄漏的混合气体中SF6气体浓度只有普通SF6断路器的一半左右．但只要泄漏率较大时，还是能够根据检测仪所发出的声、光报警信号及仪器指针的偏转度来确定泄漏位置及粗略浓度。
捡漏仪虽多种多样，但通常都主要由探头、探测器和泵体三部分组成，它们对所探测到的卤素气体均能够发出警报。日本三菱公司生产的MC—SR—DB型捡漏仪的气体流程图，如图2所示。当大气中有SF6气体时，探头借助真空泵的抽力将SF6气体吸进并进入探测器二极管产生电晕放电，使得二极管电极的电流减小，电流减小的信号通过电子线路变换成一种可以听得到见得着的声、光报警信号，泄漏量越大，声光信号就越强烈
（2）泄漏的定量测试仍可以用挂瓶捡漏法、局部包扎法或者整机扣罩法

如果制造SF6/N2混合气体断路器的厂家仍然将年漏气率定为不大于1％的话，则这个1％中应包含泄漏出的SF6和N2两种气体的量。而用上述三种收集泄漏气体的定量测试方法中，捡漏仪只能探测到SF6气体的体积浓度K。所以，在代人漏气率计算公式时，必须在K之前乘以系数2（混合气体比例为50％SF6+50％N2）或5/3（混合气体比例为60％SF6+40％N2）。
1）挂瓶捡漏法　某些厂家生产的断路器在各法兰接合面等处留有检测口，检测口与密封圈外侧槽沟相通，能够收集密封圈泄漏时的SF6气体，当定量检查泄漏口有SF6气体泄漏时，可在检测口进行挂瓶测量。
检漏瓶为1000mL塑料瓶，挂瓶前将检测口螺钉卸下，历时24h，使得检测口内积聚的SF6气体排掉，然后进行挂瓶。挂瓶时间为33min，再用捡漏仪检查瓶中的SF6气体浓度。
2）整机扣罩检漏法对于体积较小的40.5 kV和12 kV SF6断路器可在现场采用厂家配备的密封罩进行整机扣罩法测试。密封罩的上、中、下、前、后、左、右都开有适当小孔，用胶布密封作为测试孔。
3）局部包扎检漏法对于安装后的252 kV及以上电压等级的SF6断路器，由于体积很大，无法实施整体扣罩，可采用局部包扎法进行测量。在法兰、密度继电器、分合闸拉杆动密封等处分别用塑料布包被测点，24h后测量漏气量的公式为
将每个包扎点的漏气量加起来得到总的漏气量∑Q（动密封处的漏气量必须乘以平均每年的分合闸次数），通过检漏，确定了漏气点后，应分析漏气的原因，分别采取相应的措施。如：更换渗漏的压力表、破损的瓷套管和老化的密封圈等。

2.2　密度继电器动作值整定问题
密度继电器在SF6/N2混合气体断路器中同样也是承担着测量断路器因泄漏造成的压力下降，也应具有温度补偿功能。密度继电器的结构原理图，如图3所示。SF6/N2混合气体在密度不变的情况下，内部压力也是随温度变化而作线性变化，金属膨胀器收缩或胀开．此时双金属片温度补偿装置也随温度变化而自动起补偿作用。当断路器有泄漏而造成压力下降时，微动开关的接点闭合，发出信号或使断路器进行低气压闭锁。
在断路器交接或大修试验中，密度继电器必须进行动作值整定，SF6/N2混合气体断路器的密度继电器动作整定值校验和纯SF6气体断路器相比，只是动作值可能不同，这要根据具体厂家说明书而定，而校验方法是一样的。可以用一块高精度的压力表与密度继电器并联连接，在密度继电器动作接点的输出端接上万用表或对灯，当我们慢慢泄放断路器中的混合气体时，察看接点刚好动作时的压力值是否与说明书上要求值相符。若不相符，则可以调节继电器上的动作值调节螺栓，直到满意为止。

2.3　微水量标准要求与测试问题
SF6/N2混合气体断路器中气体的含水量同样要受到控制。因为这些微水量在断路器中会产生两个方面的危害：
（1）在电弧高温之下，SF6气体与水产生化学反映
2SF6+6H2O→2SO2+12HF+O2
氢氟酸HF和SO2遇水后生成的H2SO3（亚硫酸）具有强烈的腐蚀性，为剧毒物。
（2）水分对绝缘性能的影响
水分在低温下。凝露在绝缘物表面。造成沿面放电。
SF6/N2混合气体断路器中气体的含水量的主要来源有：
（1）纯净的SF6/N2混合新气中仍有一定的水分
混合前，氮气中含水量较少。而SF6气体中含水量较多，所以要求纯净的SF6/N2：混合新气中的含水量应参照国家标准GB8905-88规定，不能大于64.88ppmv/v。充气前应对其含水量进行测定。
（2）SF6设备零部件在装配、存放期间干燥处理不够装配后使其中的水分向SF6/N2气体中扩散，导致SF6/N2气体中的含水量增加，甚至超标。
（3）设备安装后抽真空等处理不够
应当在抽真换上新的吸附剂，当抽到l Tort（133Pa）时，继续抽真空一小时以上，使绝缘材料零部件中的水分有足够时间充分汽化排出。
（4）密封结构不良（密封垫片一般只有6～8年的使用期）
SF6设备运行多年后，密封垫片老化，瓷套与法兰的胶合部位可能会有渗漏．使大气中的水分通过这些微孔向断路器内扩散，导致SE洲：气体中的含水量超标。
SF6/N2混合气体断路器中气体的含水量的标准为多少呢?能不能沿用原来纯SF6气体断路器的标准呢?根据道尔顿分压定律，处于扩散平衡的混合气体中，每一种气体成分均是按它单独存在时那样分布的。因此，气体中水蒸气在什么条件下凝结成露或冰．只取决于气体中水蒸气分压力和密度在什么温度下达到它的饱和值，而与同一空间中是否存在其他物质无关，具体数据如下表所示。
表中显示出在0℃时，只要断路器内部水蒸气压力大于饱和压力611Pa时．就开始凝露。由于气体压力是由分子平均热运动形成的。同一温度下电器设备中不同气体分压力之比就是不同气体分子或分子密度的比值，也就是不同气体占有的体积比。因此，对于SF6/N2混合气体和水蒸气来说
若要考虑得安全些，选－10℃作为考虑点，则只要断路器内部水蒸气压力大于259Pa就产生水蒸气凝结．此时有
此时只要断路器总压力P确定。则电器中水分与SF6/N2气体的体积比也就确定了。若断路器的压力为0.7MPa。则在0℃时
但实际运用中，在确定水分含量要求时，还要考虑电器内部是否出现高温的大功率电弧。所以，对于SF6/N2混合气体断路器的微水量还应当采用纯SF6气体断路器的国家标准：运行中为300ppm，而交接为其一半150ppm。这样只要运行温度高于-10℃，水分含量小于300ppm，电器内部的水分就不会产生凝露。
关于微水量的检测方法应与纯SF6气体断路器的一样。可采用电解法和露点法等测量。测量微水量应在适宜的温度下进行，因为断路器内部相当一部分水分吸附在零部件中，随着温度的变化，零部件就会从气体中吸附或排放一些水蒸气，如果测量微水量时温度选择不适宜，测定的结果会有较大的差别。应当每次都选择在同一温度下进行测量，所测量的含水量值才能进行比较。英国密析尔（MICHELL）仪表为zui大的湿度露点仪表生产厂家，开发了CERMAX,S4000,S8000等露点仪专门用于电力行业微水分析上，同时在欧洲湿度检测领域有过半的*，拥有超过35年的专业技术，开发一整套变送器、露点仪、校验系统等产品，欧盟/美国国家标准实验室全都是使用MICHELL产品作为标准仪器。我们英国密析尔（MICHELL）仪表在中国地区全程销售技术提供商，咨询产品。：   ：http://www.china-hz17.com
2　机械特性的调整
SF6/N2混合气体断路器的灭弧室结构与纯SF6气体断路器的一样，典型的压气式变开距灭弧室结构简图，如图4所示。它主要由瓷套、静弧触头座装配、喷管、压气缸、动弧触头等部件组成。但是由于在SF6/N2混合气体中的电弧直径要大于纯SF6气体中的电弧，SF6/N2混合气体介质的灭弧能力比纯SF6气体介质有所降低，所以，拉伐尔喷管的喉部直径、喷口上游区的长度、喷口下游扩张角以及压气室活塞的面积等都要有所改变。因此在断路器机械特性的测试、调整时应特别加以注意。一定要按照厂家说明书要求来调整好行程（1）超程和全行程的比例关系
SF6/N2混合气体断路器的灭弧室要在断路器分闸时对电弧形成吹弧作用，就要产生SF6/N2气体的预压缩，因此必须在断路器中设置超行程。触头分离前压缩压气室内的SF6/N2气体→喷口被动触杆堵住，只受压缩而无排出。经过超行程L1后，喷口打开前压力为
在喷口设计时通常取喷口内气流已达到临界状态。在临界吹弧时，上游电弧产生的能量与通过电弧等离子体流带走的能量达到动态平衡。此时
就要求预压缩行程L1（超行程）占总行程应不少于40％．所以SF6/N2混合气体介质的断路器的分闸时间也同样要比其它断路器长些。调整时，要按说明书要求调整好超行程。
（2）分闸速度与喷口面积St压气缸活塞面积Sp的关系
要保证使电弧可靠熄灭，就要求在气吹阶段中P1/P0仍保持较高的比值。当喷口面积和活塞承压面积不变时，要求压气室运动速度VP足够大，才能维持电弧气吹阶段中压气室中压力不变，即始终保持喷口处气流处于临界状态，此时喷口处气流速度为SF6气体的音速（134m/s）．压气室运动速度（即分闸速度）应保持在 这样要求操动机构提供的能量足够大，所以一般单压式SF6/N2混合气体介质的断路器常配备大功率的液压、气动等机构。调整时，一定要按照厂家说明书要求调整好分、合闸速度。

2.5　喷口的互换性问题
在断路器灭弧室中zui容易被电弧烧损的部件是喷口，所以在断路器解体大修时，就要更换喷口。而每一种断路器灭弧室喷口都是依据该断路器的极限开断电流大小、灭弧介质等因素设计的。喷管部位的局部放大图．如图5所示。图中D1为喷口喉部直径；Lu为喷口上游区长度，即动触头到喷口喉颈处的距离；以为压气缸的直径；θ为喷口下游扩张角；Ln为喷口总长，这些参数均是影响灭弧室气流特性的主要结构参数。
（1）喷口喉部直径的确定
在喷口设计时通常取喷口内气流已达到临界状态，根据国内外学者研究得出，喷口喉部直径D1为
D1=（0.4～0.8）Im
式中Im—断路器极限开断电流值。
但是由于在SF6/N2混合气体中的电弧直径要大于纯SF6气体中的电弧，既要合理利用电弧的热阻塞效应以获得高气压，又要使得喷管和触头不至于严重烧伤，所以一般SF6/N2混合气体介质断路器的喷口直径要比同容量的纯SF6气体断路器喷口的直径要大一些。
（2）喷口上游区长度的确定
试验结果表明，上游区电弧长度对SF6/N2混合气体的开断能力有一定的影响。SF6/N2混合气体取得zui大介质强度恢复速度所对应的上游电弧长度，比纯SF6气体所对应的上游电弧长度短。因此，一般SF6/N2混合气体介质断路器喷口的上游区长度要比同容量的纯SF6气体断路器喷口的要短一些。
（3）喷口下游扩张角的确定
压气式灭弧室使用的喷管，一般采用拉伐尔缩放形喷管。在SF6/N2混合气体的灭弧机理中，SF6和N2起着不同的作用。由于SF6气体具有导热、导电性好和强负电性等特点，在电弧过零之前以大量新鲜冷气流包围炽热的电弧弧柱，使得SF6气体分子与电弧接触。进行充分的热传导，传输并耗散能量，降低温度．并加强吸附电子以形成负离子，使电弧熄灭。SF6气体的电特性和热特性的良好配合，使触头间的介质强度得以迅速恢复。N2气体则主要是通过等熵冷却来熄灭电弧的。要充分发挥SF6/N2混合气体的灭弧机理作用．就要适当地加大喷口下游扩张角，所以SF6/N2混合气体介质断路器喷口的下游扩张角要比同容量的纯SF6气体断路器喷口的要大一些。
从以上分析可知，同容量的SF6/N2混合气体断路器和纯SF6气体断路器之间的喷口是不能互换使用的。在大修前的备品、备件中一定要引起注意。

2.6　气体的回收与充气
（1）混合与充气
关于SF6/N2混合气体的混合问题，根据道尔顿分压定律，没有必要先将两种灭弧介质成分混合后再充入开关设备中。可以先充人SF6气体至其分压力的规定值，然后再充人N2气体至混合气体的zui终压力值。例如某60％SF6+40％N2混合气体断路器的额定压力为0.7MPa，则可先向断路器充人SF6气体至0.42MPa．然后再充入N2气体至0.7MPa。由于气体的扩散和对流作用，甚至在设备长期投运的情况下，气体的混合仍保持得很均匀。
（2）补气
补气时可以在的充气设备中，事先将两种气体按比例混合好，再用充气装置对开关设备进行补气。
（3）回收
SF6/N2混合气体介质断路器中的气体在检修时一般不回收SF6/N2混合气体，除非其混合比在控制范围内（可用能显示SF6百分比的仪表检查）。

3　结束语
采用SF6/N2混合气体作为断路器的灭弧、绝缘介质，在．ABB、西门子等国外电气公司中已经获得应用．并取得了多年的运行经验.