浅析我国SF6气体回收充气装置的特点及前景

在电力工业中,SF6是一种重要的介质,它用作封闭式、高压开关的灭弧和绝缘气体。SF6气体的卓越性能实现了装置经济化、低维护化的操作。目前,作为绝缘和灭弧介质,还没有其他技术能从技术、经济和生态的角度超过SF6气体。
SF6气体已经被广泛应用于电气设备中。从应用来看,SF6断路器和GIS是最主要的领域,已基本代替126kV及以上电压等级的油断路器。很明显,SF6气体替代绝缘油作为灭弧和绝缘介质是发展的必然趋势。
随着国内SF6电气设备深入广泛的应用,SF6气体的用量越来越大。由于SF6气体价格昂贵,而且当SF6气体中含有水分时会对电气设备造成以下危害:
(1)在水分存在下,SF6分解产物发生水解反应,阻碍了SF6分解产物的复合,降低了SF6的介质恢复强度,从而降低设备的绝缘特性;
(2)加剧了低氟化物水解和金属氟化物的分解。生成的氟化亚硫酸和氢氟酸有剧毒,对人体有很大的危害,还会腐蚀电极和绝缘材料;
(3)在设备内结露。由于气体中的水分以水蒸气的形式存在,当温度降低时,可能在设备内部结露,附着在设备表面如电极、绝缘子表面等,容易产生沿面放电(闪络)而引起事故。

(4)氟化亚硫酸和氢氟酸如被放入大气后会污染环境。
所以SF6电气设备在生产制造及检修时应对SF6气体进行回收及净化,及时去除SF6气体中的水分及分解产物。
SF6气体回收充气装置因此应运而生,成为SF6电气设备用户及SF6电气设备制造商生产、检修及配套的必备设备。
目前,国内现有SF6气体回收充气装置的种类规格繁多,按制造地可分为进口与国产两种,按回收储存原理可分为高压液化法及冷冻液化法两种,按回收系统是否有油可分为无泊回收及有油田收两种,同时同一制造商又提供多种产品来满足用户需求,总的规格型号已达40多种。附表一列出各主要制造商在国内的代表产品的性能特点。
为了更好地理解SF6气体回收充气装置的工作原理,这里先介绍一下SF6气体的物

理特性。
SF6在常温常压条件下为气态,温度降低后在一定的压力作用下较易液化为液态。当环境温度升高后,其对应的液化压力相应升高,成为不易液化的气体。当温度超过SF6的临界温度45.55℃时,就元法使其液化。SF6气体为惰性气体,与油不相溶,所以可以比较容易地分离出所混入的油分。采用国际先进技术,滤油水平已达到与无油系统相娘美的程度,可以相当彻底地清除油分。

目前,在国际上SF6气体回收充气装置的回收储存原理主要有两种,第一种采用冷冻液化法原理:即在SF6气体回收的过程中,在一定的SF6气体压力下,利用制冷机组使SF6气体温度降低至该压力下的饱和蒸汽温度,SF6气体开始液化为液体,并以液体形式进行储存,优点是回收速度快、液化速度快;第二种采用高压液化法原理,即在SF6气体回收的过程中,在当时的环境温度下,利用压缩机将SF6气体压力提高至该温度下的饱和蒸汽压力,SF6气体开始转化为液体,并以液体形式进行储存。优点是系统简单,缺点是系统工作压力高,回收效率低,当SF6气体温度(SF6气体经压缩机压缩后温度可达到80℃以上)超过临界温度45.55℃时,就无法使其液化,此时高温高压的SF6气体只能经过一段时间后待其温度降至临界温度以下时才能转化为液体。

在回收系统上采用有油或无油系统,至于孰优孰劣,也存在着一定的争议。
无油系统理论上可以做到SF6气体达到100%不与油接触,称为全元油(Oil-free),如国内使用的膜式压缩机。这种回收装置的体积大,回收效率低,维修工作量大。这样就出现了第二种无油系统,回收装置的主机-SF6气体压缩机为油脂润滑的活塞式压缩机,如与SF6直接接触的活塞环等采用自润滑材料,只是曲轴箱中的曲轴、曲柄销,活塞部位的活塞销等转动部件采用油脂润滑(曲轴箱内无润滑油),称为无油(Oil-less),准确地应称之为少油。长期使用,理论上有微量油脂蒸汽混入SF6,实践中该微量油脂蒸汽对Sf6未造成多少影响。此类压缩机制造工艺要求高,多为进口压缩机。优点是体积小,重量轻,缺点是价格高,因为无油,使用寿命与有油压缩机相比大打折扣。
一般此类压缩机的活塞环寿命为500小时。使用有油系统的回收装置,优点是使用寿命长,耐用。缺点是,需增加一套油过滤系统,比较复杂,且油过滤系统需设计合理,确保干净彻底地清除油分。
下面概述一下进口的各种回收装置的性能特点:
日本KAJI
使用量不大,多在SF6电气制造厂使用。采用冷冻液化法,有油系统。用户反应,可靠性高,耐用。
美国LIMCO
电力系统使用,仅几台。采用冷冻液化法,有油系统。用户反应回收速度快、液化速度快,效率高。
德国SIEMENS
电力系统使用,数量不多,有油系统,气态储存。
德国DILO
进口回收装置中使用量最大,SF6电气制造厂及电力系统均使用。采用高压液化法, 无油回收系统。
瑞士MICAFIL
SF6电气制造厂及电力系统均使用,采用冷冻液化法,无油回收系统。产品为十年前老产品,近几年该公司已停产回收装置。
加拿大ENERVAC
GRU-4型仅在电力系统使用,仅适用于小型SF6断路器。体积小重量轻,但回收速度慢。采用高压液化法,少油回收系统。
美国CRYQUIPT
最近几年进入国内市场。电力系统使用,适用于小型SF6断路器。体积较小,重量较轻,但回收速度慢。采用高压液化法,元油回收系统。
下面简述一下国产回收装置的性能特点:
SF6电气制造厂及电力系统均有使用,采用高压液化法,无油回收系统。主机与储存容器为分体式。
优点:全无油,缺点:体积大,噪声大,回收效率低,维修工作量大。
我公司的sf6回收装置
SF6电气制造厂及电力系统均使用,采用冷冻液化法,有油回收系统。系统配置真空压缩机,到0表压以下时自动串联运行,SF6回收残压小于1000Pa,最低至300Pa,回收率高达99.95%。
下面着重介绍一下高压液化法与冷冻液化法的优缺点。
采用高压液化法原理的国外代表厂商德国DILO公司,产品结构简洁,操作简单。在环境温度较低的季节,其设备性能可以得到较好的发挥,可以直接将SF6气体打人钢瓶后液化储存。但到了环境温度较高的夏季,其设备性能急剧下降,打人钢瓶内的SF6气体成为滚烫的气体(SF6压缩机排气温度可达到100℃)。当SF6气体压力达5.5Mpa时,其设备就无法工作。随着使用时间的延长,一般在使用500小时后,也就是前面所讲的第二种无油系统,压缩机活塞环由于磨损等原因,整机性能下降,最高排气压力也随之下降,SF6气体液化会变得比较困难。
为了在炎热的夏季能够将SF6气体快速液化,提高SF6气体的回收速度,在国内以我公司为代表的厂商采用冷冻液化法,降低了SF6气体在回收过程中的工作压力,大大提高了工作效率。例如:在夏季,环境温度为36℃的室外,此时SF6的液化压力为3.OMpa(绝对压力)。采用冷冻液化法,可将SF6的液化温度降低为摄氏10℃,此时SF6对应的液化压力为1.65Mpa,从而降低了系统工作压力,提高了回收效率。
只是在将已液化的SF6液体充灌入钢瓶过程中出现了难题。摄氏10℃的SF6液体(压力为1.65Mpa)充灌入摄氏36℃的钢瓶,遇高温后部分SF6液体迅速汽化,钢瓶内SF6压力上升,当压力平衡后SF6液体再也无法进入钢瓶。
目前采用冷冻液化法原理的国外代表厂商美国LIMCO、瑞士MICAFIL、日本KAJI等均遇到这一难题,无法解决。
我公司在此方面对工作系统原理进行了改进,采用了独到的双容器系统,高背压灌钢瓶原理,准备工作完成后,甚至在5~8min内可将标准SF6钢瓶灌装至5Okg。简单地说就是用高温高压的气态SF6向低温低压的液态SF6加压,强制液态SF6进入钢瓶。另外,还可以使用增压泵,直接将液态SF6打入钢瓶。
SF6回收装置的发展趋势:
小型化发展
代表为加拿大ENERVAC公司的GRU-4。只是适用于小型断路器。结构紧凑,移动方便。目前,我公司也将推出重量小于100kg的回收装置。
多样化发展
根据用户不同需求,制造出的回收装置强化某一专项功能,如除水分、除油分、除酸、除杂质、灌钢瓶等。
积木式
代表为德国DILO公司。抽真空单元、过滤器单元、真空压缩机单元、SF6压缩机单元、储存容器单元等,各自即可独立使用,又可根据需要相互连接,以满足不同的需求