国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院 内蒙古 呼和浩特 010020
摘要：SF6气体因其优良的灭弧性能被广泛应用于断路器中，但任何物质在自然界中都存在不同形态，当温度达到一定值时，SF6将由气态转为液态，导致断路器中气体压力不足密度下降，影响断路器的开断能力。本文就2016年1月发生在蒙东地区的此类故障进行分析，首先从基础理论提出液化的原因，其次就SF6密度继电器误差原因进行剖析，最后对断路器存在以上问题提出应对策略。
关键词：断路器；液化；伴热带；密度继电器
2016年1月，受西伯利亚寒潮影响，我国大部分地区出现大幅度降温，蒙东部分地区出现-40℃以下的罕见低温天气。低温天气造成了呼伦贝尔、兴安盟、霍林河地区大量断路器SF6气体液化导致断路器告警、闭锁，严重危及电网安全运行。
在寒潮期间，72.5kV～550kV电压等级的多台断路器发生SF6气体液化告警/闭锁。断路器的大面积告警、闭锁，严重危及电网的安全运行。为了有效应对极端低温天气，保证电网安全稳定运行，对本次事件进行了分析。首先对SF6气体的液化过程进行了分析，介绍了SF6密度继电器的“假高”现象及其危害，然后对本次断路器SF6气体液化的原因进行了分析并提出了解决措施，最后还提出了其他需要注意的问题。
一、基本理论
（一）SF6气体在低温下的液化过程分析
Beattie－Bridgman 六氟化硫状态参数曲线如右图所示，图中，假定断路器内SF6气体额定充气压力位0.55MPa（20℃绝对压力），当环境温度为20℃时，SF6气体的密度为35kg/m3，这是产品技术条件规定的额定值。当环境温度下降时，在断路器未出现泄漏的条件下，也即灭弧室内气体密度保持不变的条件下，SF6气体的工作点将沿着等密度线由S点向下滑动。也就是说，当气体密度确定后，气体压力与温度按线性规律变化。当环境温度降到-35℃时，即SF6气体的工作点在T点位置，这时灭弧室内的SF6气体即将出现液化现象，如果环境温度继续下降到-40℃时，则气体的工作点沿着气体状态线（ATMB）下降，此时气室内部分气体由气态变为液态，剩余部分仍处于气态，但气体密度将减小[1]。由于断路器的绝缘性能和开断能力决定于气体密度，故断路器的绝缘性能和开断能力都将降低。
（二）SF6密度继电器的监控及误差分析
1.密度继电器的工作原理及特点
SF6密度的监控是通过监控SF6气压实现的，SF6密度大小对开断性能和绝缘性能有影响。因此，断路器间隔规定有报警压力p1及操作闭锁压力p2，通过SF6真空压力表监视开关的气压，由六氟化硫密度控制器控制SF6密度的变化。
目前在生产运行中，SF6密度继电器均置于环境温度中，SF6密度控制器中的补偿元件与环境同温，开关盒补偿元件的温度能同时等量地随环温而变化，因此，开关内的SF6气压虽随环境温度变化有波动趋势，却都被补偿元件的逆动趋势所平衡，密度继电器的指针示数不变，称为全补偿。[2]
2.密度继电器的“假高”现象及其影响
SF6密度控制器不能放在开关内部，因此感温补偿元件不能与开关内的SF6同温，当开关带电运行时，主回路发热使SF6具有一定的温升，而使开关内部SF6温度T1高于与环境同温的SF6密度控制器的补偿元件的温度T3，即ΔT3＜ΔT1，出现欠补偿现象，这种欠补偿使运行的密度继电器示数升高，这是一种开关密度示数出现“假高”的现象。[3]“假高”带来的后果是：当开关的SF6已泄露到报警点时，SF6密度控制器却不报警。
对于蒙东地区来讲，这种问题更加严重。冬季寒冷时，罐式断路器伴热带投入运行，使罐体内SF6气体的温度和环境温度存在较大温差，密度继电器示数严重偏高。根据近期平顶山高压开关有限公司用特高压蒙西站1100kV GIS在-40℃时的试验结果，密度继电器示数比实际高出25%。也就是说，在寒冷条件下，罐体内六氟化硫气体已达到闭锁压力时，密度继电器示数还未达到告警压力，一旦这时系统出现故障，断路器无法灭弧，将造成严重后果。
二、故障原因分析及处理
（一）断路器报警、闭锁原因分析
此次发生断路器报警、闭锁的原因大致分为以下七种：1.断路器所处环境温度低于额定最低运行温度，经统计发现：从地域分布看，环境温度低于最低运行温度的断路器绝大多数均分布在通辽霍林河地区、兴安盟、呼伦贝尔地区。这些报警、闭锁的断路器报警、闭锁时的环境温度绝大多数在-45℃以内，只有一个变电站环境温度达到了-46℃；2.断路器伴热带控制回路故障；3.伴热带自身故障；4.SF6密度继电器故障；5.SF6气体连接管路部位未安装加热设施；6.户内GIS进线套管裸露在户外，缺少保温措施，在低温时报警；7.伴热带启动温度不合理，报警断路器额定压力为0.6MPa，液化温度在-32℃，考虑到温控器的误差，将加热器启动温度设置在-30℃显得偏低。
（二）解决措施
1.对断路器额定最低温度不满足环境温度要求的解决措施
（1）对霍林河地区、兴安盟、呼伦贝尔地区的此类断路器进行改造，增加伴热带功率。对不同厂家的断路器，应与设备厂家进行沟通，确定合适的加热器功率。对额定最低运行温度为-30℃、-35℃的断路器优先进行改造。对于以上地区新采购的断路器，应要求其额定最低运行温度为-45℃，确保寒潮到来时可靠运行。
2.对于伴热带故障的解决措施
（1）对于伴热带控制回路故障的解决措施
每年冬季到来前对现有控制回路的温控器、加热空开进行全面检查，并对故障率高的温控器、加热空开进行更换。对伴热带控制回路进行改造，确保后台能够监视到每相断路器的投入/退出状态。
（2）对于伴热带烧毁故障的解决措施
冬季低温条件下，应加强对断路器伴热带的巡检，发现故障及时更换；准备充足的各型号伴热带备品备件，以满足故障伴热带更换的需求。
3.对于密度继电器相关故障的解决措施
（1）对于SF6密度继电器本身的故障，建议按照状态检修试验规程的要求，严格进行密度继电器的定期校验工作。
（2）对于SF6气体连接管路部位未安装加热设施的问题，建议对霍林河地区、兴安盟、呼伦贝尔地区的断路器气体连接管路全部安装加热措施。
（3）对于伴热带启动温度不合理的问题，建议根据断路器中SF6气体密度，合理设置伴热带启动温度，确保断路器达到液化温度前，伴热带已启动加热。
4.对于户内GIS设备进线套管压力低报警的措施
建议以后选择户内GIS设备时，针对此项问题要求厂家进行特殊设计，保证在低温下，套管内SF6气体不发生液化。
三、其它需要关注的问题
（一）目前有大量断路器的额定最低运行温度达不到环境温度的要求，在极寒天气下，当环境温度低于断路器最低运行温度时，断路器操动机构能否保证动作性能，需要进行验证。如果运行的可靠性。
参考文献
[1]张渺，何勇，戴巍.SF6断路器低气压报警闭锁事故原因分析[J]内蒙古电力技术，2010，2：114-116
[2]司慧琳.密度继电器的校验和修理[J]电气设备，2011，4：61-62
[3]黎斌.影响SF6密度控制器监控特性的因素分析[J]高压电器，2010，2：72-75
作者简介：张阳（1986-），男，工程师，主要从事断路器技术监督工作。
孟杰（1982-），女，中级工程师，主要从事混合气体绝缘断路器的研究工作。
论文作者:张阳,孟杰,石海鹏
论文发表刊物:《电力技术》2016年第8期
论文发表时间:2016/10/20
标签：断路器论文; 密度论文; 气体论文; 继电器论文; 热带论文; 温度论文; 环境温度论文; 《电力技术》2016年第8期论文;