气体与高压开关设备.docx

气体与高压开关设备.docx

《气体与高压开关设备.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《气体与高压开关设备.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

气体与高压开关设备

SF6气体与高压开关设备

2006-4-714:

20:

39

SF6由法国两位化学家于1900年合成，为自然界没有的人造气体。

从20世纪60年代起，SF6被成功应用到高压开关设备作为绝缘和灭弧介质。

SF6除应用在SF6高压电气开关设备外，还应用在SF6变压器、SF6互感器、SF6避雷器、SF6充气电缆等高压电器设备。

SF6具有优异的灭弧与绝缘性能。

通过几十年的应用实践证明，没有任何一种其它介质可以与之相媲美，预计在今后几十年中也无可替代。

第一节   SF6气体的性能

1． 性能优异的SF6气体

SF6气体已有百年历史，它是法国两位化学家Moissan和Lebeau于1900年合成的，1947年提供商用。

当前SF6气体主要用于电力工业中。

SF6气体用于4种类型的电气设备作为绝缘和/或灭弧：

SF6断路器及GIS、SF6负荷开关设备、SF6绝缘输电管线、SF6变压器及SF6绝缘变电站。

从用气量讲，80%用于高中压电力设备。

SF6气体之所以适用于电力设备，主要有如下特性：

强电负性，具有优异的灭弧性能；

绝缘强度高，在大气压下为空气的3倍；

热传导性能好且易复合，特别是当SF6气体由于放电或电弧作用出现离解时；

可在小的气罐内储存，这是因为室温下加高压力易液化；

供气方便，价格不贵且稳定。

2． SF6气体的化学特性

SF6气体的主要化学性能见表1。

如上所述，SF6是一种非常稳定的且呈现惰性的气体，它无色、无味、无毒、不燃且不溶于水。

它是最不活泼的已知气体之一，而且在通常条件下，它不侵蚀与它接触的物质。

表1SF6的主要化学特性

分子式

SF6

摩尔质量

146.05g/mol

硫含量

21.95%①

氟含量

78.05%①

分子结构

在6个棱角上带有氟原子的八面体

键

共价键

碰撞截面

4.77A

分解温度

500℃

①均指质量分数

3． SF6气体的物理特性

SF6是最重要的已知气体之一。

在通常条件下，它大约比空气重5倍。

在同空气未充分混合的条件下，此气体有向低处积聚的倾向。

靠对流和扩散同空气混合缓慢，但一经混合，则不再分离。

虽然SF6气体的热导率低，但由于其粘度较低且密度较高，故总的热导率好于空气25倍。

在输配电设备中，SF6通常的压力范围在0.1MPa和0.9MPa（绝对压力）之间，此气体的压力温度/密度特性示于图1中。

表2给出SF6主要物理特性。

表2在压力0.1MPa和温度25℃下SF6的主要物理特性

密度

6.14㎏/m³

热导率

0.013W/（m·k）

临界点

温度

45.55℃

密度

730㎏/m³

压力

3.78MPa（绝缘气压）

声速

136m/s

折射率

1.000783

生成热

-1221.66J/mol

定压比热

96.60J/（mol·k）

状态平衡

见图1

4． SF6气体的电气特性

SF6气体具有优异的绝缘性能，是由于其分子的电负性。

SF6气体具有吸附自由电子而构成重离子的明显趋向。

重离子的迁移率低，使之电子崩的发展很困难。

SF6的击穿场强为空气的2.5~3倍。

在高压开关设备中，SF6气体的工作压力如为0.6MPa，此时击穿场强高出0.1MPa时空气的10倍。

因此，使用SF6气体的高压开关设备，能大幅度地减小占地面积和体积。

空气与SF6开关设备的占地面积之比为30：

1。

SF6是一种具有优异灭弧性能的气体，这是因为它的离解温度低，且离解能量大。

在SF6中，电流过零前的截流小，且由此避免了高的过电压，这是由于电弧在SF6内冷却时直至相当低的温度，它仍导电。

SF6的主要电气性能见表3。

表3SF6的主要电气特性

相对于压力的临界击穿场强

89V/m·Pa

在25℃和0.1MPa绝对气压下的相对介电常数

1.00204

在25℃和0.1MPa绝对气压下的损耗因数（tanδ

<2×10-7

有效电离系数

a=Ap（E/p-B）

a1/m

EV/m

PPa

A2.8*10ˉ²

5． SF6气体的纯度

由于制造过程的缘故，市场上提供的SF6气体不是很纯的。

IEC376标准规定出SF6中最大允许的杂质水平见表4。

表4新SF6中最大允许的杂质水平

杂质

最大允许值

CF4

500×10-6重量比

O2+N2

500×10-6重量比

水

15×10-6重量比

酸度（以HF表示）

0.3×10-6重量比

水解氟化物（以HF表示）

1.0×10-6重量比

纯SF6气体无毒，在生物学上不活泼。

用动物和人进行试验表明，当存在直至80%SF6和20%O2时，没有感受不良的影响。

因此，当大气中含有较高比例的SF6时，对于工作人员每天工作8小时，每周工作5天的场所，规定最大含量为1000×10-6。

对SF6气体而言，这个界限值要低于危险水平两个数量级以上。

新SF6气体对健康无生态中毒、致变和致癌（既无基因中毒，也无后天生成）的作用。

SF6在标准条件下无色、无味、无毒性，不会燃烧，化学性能稳定，不与其他材料产生化学反应。

SF6气体既不燃烧，又不助燃，且有良好的绝缘性能，是一种很理想的灭弧和绝缘介质。

SF6分子量较大，在标准大气压下，温度273K时，密度为6.14KG/m3，约为空气质量的5倍，分子量为146.05g/mal，其中含硫21.95%，含氟78.05%。

同样体积和压力的SF6比空气重得多，所以纯SF6气体本身虽无毒，但有窒息作用。

SF6气体本身是不导电的绝缘介质，它的一个重要特点是电场均匀性对击穿电压的影响远比大气压下的空气大，与高气压下空气的击穿特性相近。

用于断路器中的SF6气体应保证其纯度，严格控制水分和杂质含量。

我国标准GB12022规定SF6纯度为≥99.8%。

在我国，SF6气体必须满足GB12022标准要求，见表5。

表5SF6气体标准

指标名称

指标

六氟化硫（SF6）的质量分数/%≥

空气的质量分数/%≤

四氟化碳（CF4）的质量分数/%≤

水分（H2O）/×10-6≤

酸度（以HF计）/×10-6≤

可水解氟化物（以HF计）/×10-6≤

矿物油/×10-6≤

毒性≤

99.8

0.05

0.05

8

0.3

1

10

生物试验无毒

由表可见，国际规定的水分为8×10重量比。

比IEC规定的低。

纯净的SF6气体是无毒的。

检验方法是用79%SF6与21%O2混  合，即相当于以SF6取代空气中的N2，作动物试验暴露24h后应无中毒症状。

6． SF6气体的分解特性

SF6气体的分解主要有三种情况：

在电弧作用下的分解；在电晕、火花和局部放电下的分解；在高温下的催化分解。

纯SF6无腐蚀，但其分解物遇水后会变成腐蚀性电解质，会对设备内部某些材料造成损害及运行故障。

通常使用的材料如铝、钢、铜、黄铜几乎不受侵蚀，但玻璃、瓷、绝缘纸及类似材料易受损害，而且与腐蚀物质的含量有关。

其他绝缘材料如环氧树脂、聚酯、聚乙烯、氧化聚甲烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯等所受影响不大。

在这里,重要是设计时,一定要采取结构措施。

可以采用彻底排除潮气和采用合适的材料防止腐蚀。

清除运行中设备内的潮气和SF6分解物，可以用吸附剂将其减少到可接受的水平。

为此，可采用氧化铝、碱石灰、分子筛或它们的混合物。

处理从设备中取出的分解物，若是酸性成分可用碱性化合物生成硫化钙或氟化钙来降低。

大多数固态反应物不溶于水，或难溶解，但某些金属氟化物能同水反应成氢氟酸。

因此，必须用氢氧化钙（石灰）去处理固态分解物。

第二节SF6气体的替代和混合气体

7． SF6气体的替代气体

作为电力设备中SF6气体的替代气体，人们研究了许多气体，诸如空气、N2、CO2、H2、惰性气体（如He、Ar等）。

其中作为灭弧与绝缘的气体，主要是N2和CO2。

SF6气体、N2和CO2的物理特性见表6。

表6SF6气体、N2和CO2的基本物理特性比较

项目

SF6

N2

CO2

分子量

146.06

28.01

44.01

密度

5.9

1.1

1.8

地球温室效应系数

23900

——

1

破坏臭氧层效应系数

——

——

——

毒性

——

——

——

化学稳定性

稳定

稳定

稳定

燃性

无

无

无

沸点（℃）

-51

-198

-78

一个大气压下的绝缘强度（%）

100（-）

25（+）

34（-）

燃弧时间常数（µs）

0.8

220

15

由表6可见，负极性雷电冲击电压SF6和CO2承受作用电压的量纲，而N2为正极性雷电冲击电压。

若取同一量纲下SF6和CO2压力比率为因数KP，则对非均匀电场而言，KP≈3.5，对均匀电场而言，KP≈3。

这就是说，如果中压SF6断路器充气压力为2~3bar，而充CO2的压力则为6~10bar，才能达到同一性能。

由表6还可见，从温室效应看，若取CO2的全球变暖系数为1，则SF6为23900。

也就是说，SF6一个分子对温室效应的影响是CO2的23900倍。

但从宏观上看，CO2排放量对温室效应的影响占60%以上，而SF6的排放量较小，仅占0.1%。

SF6和CO2都是温室效应气体，而且CO2是造成温室效应的元凶。

从绝缘角度看，CO2气体明显比SF6气体差。

一个大气压下，CO2气体的绝缘强度约为SF6三分之一（34%）。

但CO2与N2相比，在0.9MPA下CO2的50%放电电压高出N235%。

从灭弧角度看，以燃弧时间常数来评价。

燃弧时间常数反映随电流变化的电弧电导瞬变速度。

燃弧时间越短，该气体的热开断性越好。

CO2的燃弧时间（15µs）比SF6（8µs）长得多，但却比N2（220µs）小得多。

从沸点角度看，CO2优于SF6，SF6为-51℃，而CO2为-78℃，即使在0.1MPa/-40℃下CO2仍然保持气体状态。

由以上分析可见，SF6气体从全面看，是一种难得的具有优异灭弧和绝缘气体。

迄今的研究表明，没有一种气体可与SF6相媲美，有它那样优异的绝缘和灭弧性能。

8． SF6混合气体

对于SF6混合气体研究最多的是N2/SF6混合气体。

这种混合气体适用于绝缘。

以下介绍国际大电网会议这方面的研究。

国际大电网会议（CIORE）组成特别工作组织（TASKFORCED1.03.10），研究了N2/SF6混合气体的绝缘性能及其使用方法，特别在气体绝缘输电管线（GIL）的使用。

研究的目的，一方面是减少对温室效应的影响；二是使用混合气体可降低费用，这特别对用气量大的GIL很重要。

研究成果汇编成技术小册子260号（theTechnicalBrochureNo.260）。

现将研究结果简述于下。

N2/SF6混合气体具有良好的绝缘性能，即使在SF6含量低的情况下。

用SF6气体含量10%~20%，就可以达到适当的绝缘性能，而10%~20%SF6气体含量从技术、生态和环境等方面考虑，用于GIL都是合适的。

为了达到纯SF6气体的绝缘强度，只需适当提高压力约45%~70%，而且SF6的用量及其漏气率将减少约70%~85%。

由于电极曲率和粗糙度而引起的场强增加也在设备设计中容易考虑。

这种混合气体中，在有杂质存在下的击穿电压略低于具有同等绝缘强度的纯SF6气体。

但现有的诊断装置可用于这种混合气体，它比在纯SF6气体具有同等或更高的检测灵敏度。

带电件处固定杂质的放电电流和信号发射与纯SF6气体类似。

活动杂质的信号发射与气体类型和混合比例无关。

这种混合气体的电流零点灭弧能力及电流开断性能均差，即使是隔离开关对母线小的充电电流的开断能力也会大大降级。

先导放电通道更为经常地改变方向。

在这种混合气体中比在纯SF6气体中，存在先导放电分支和触头间燃弧时对地闪络的