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1、第七章 SF6断路器与GIS,本章要点：SF6气体的物理化学性质具有优良熄弧能力的原因SF6断路器介绍全封闭组合电器（GIS）,SF6断路器的优势,在特高压领域，SF6断路器更是独占鳌头。现有的SF6断路器已可做到单断口，发电机保护断路器已做到200kA的分断能力。,第一节 SF6的基本物理化学性质,一 SF6的物理化学性能 SF6是一种无色、无味、无毒、不可燃的气体,其化学性能稳定，500以下不分解，纯SF6气体对金属和绝缘材料均无腐蚀作用.是已知化学稳定性最好的物质之一，其惰性与氮气相似。它的临界温度为45.5，临界压力为3.68 MPa兆帕。在临界温度以上时，SF6始终为气体。SF6的分
2、子结构是一个正八面体，以硫原子S为中心，六个氟原子F对称布置在正八面体的各顶端。SF6分子的直径为4.56埃，S和F为共价键，键距为1.58埃。其基本物理参数如表7-1所示。,分子结构,临界温度、临界压力概念,通常。气体在一定温度和压力下都可以液化，温度越高，液化所需要的压力也越高。但是当温度超过某一数值时，即使再增加多大的压力也不能液化，这个温度叫临界温度，那么，在这个温度下使气体变为液体的最小压力就叫临界压力。在临界温度及临界压力下，气态与液态已无明显差别；超过临界压力时，温度降至临界温度以下就全部变为液体，没有相变阶段和相变潜热。反之的气化过程也相同。,表7-1 SF6与N2的基本物理参
3、数,气体的状态方程,SF6是重分子气体，容易液化，与理想气体模型差异较大。用理想气体的状态方程来计算，在低温或高压下会产生很大的误差。工程上可用经验公式来描述其三个状态参量之间的关系,（7-2）,式中P为压力（MPa）；t为温度（K）；为密度（kg/m3）；系数A、B分别为：,（7-3）,（7-4）,SF6状态参数曲线,图中FA段为液化曲线，FO段为固化（升华）曲线。由这条曲线可以方便地查出对应于不同压力的液化温度或固化温度。例如当p=0.55MPa，液化温度约为-25。因此SF6的使用压力不宜太高，当p0.55Mpa 时，在低温下使用就需有加热措施。,图7-1 SF6状态参数曲线。,卓越的电
4、绝缘特性,六氟化硫具有卓越的电绝缘性和灭弧特性.在相同条件下，其绝缘能力为空气、氮气的2.5倍以上，灭弧能力为空气的100倍。由于SF6的优良性能，从50年代末开始广泛用作高压断路器的灭弧介质和绝缘介质。SF6气体的有效电离系数随电场的增大而激增，因此SF6气体在不均匀电场中其优越性减弱，即使局部微小的电场畸变也会使其击穿强度大大降低。所以在设计SF6气体绝缘装置时，应使电极间电场尽量均匀，电极表面光洁度要高，在安装和运行中要设法去除各种导电微粒，以充分利用其优良的绝缘特性。,SF6气体的合成,目前化工行业制造SF6气体的方法主要是采用单质硫磺与过量气态氟直接化合反应而成。即 S+3F2SF6
5、+Q（放出热量）在合成的粗品中含有多种杂质，其组成有硫氟化合物，如：S2、F2、SF2、SF4、S2F10O等。,净化SF6中杂质,为了净化粗品中的杂质，合成后的SF6气体还需要经过水洗、碱洗、热解（去除剧毒的十氟化物）、干燥、吸附、冷冻、蒸馏提纯等一系列净化处理过程才能得到纯度在99.8%以上的产品。然后再用压缩机加压，充入降温至-80左右的钢瓶中，以液态形式存在。在使用时减压放出，呈气态充入电气设备中。六氟化硫带料气瓶不允许在高于45摄氏度下使用，保管和运输 另外，在气体的充装过程中还可能混入少 量的空气、水分、和矿物油等杂质,SF6气体热分解,纯净的SF6气体是无毒的，有很好的化学稳定性
6、和耐热性有很好的化学稳定性和耐热性。在150下不与水、酸、碱、变压器油、金属及绝缘材料作用；SF6在500 以下不分解，超过600 后将产生热分解。SF6气体在电弧的高温（4000K以上）作用下将分解为硫、氟原子或低氟化物，大部分熄弧后可重新结合为SF6，但一小部分会与电弧金属蒸汽、电极或绝缘材料表面的氧分子作用，而生成低氟化物SOF2、SOF4、SOF4、SO2F2和金属氟化物。,SF6高温拉弧放电的分解物,氟化亚硫酰（SOF2）：无色，强烈恶心臭味，剧毒气体，引起肺组织急性水肿，影响肺部氧气交换，导致缺氧而窒息性死亡。白鼠和兔子的致死浓度分别为10PPM和50ppm。氟化硫酰（SO2F2）
7、：无色无臭痉挛性化合物，对肺组织有刺激作用，引起肺泡出血。白鼠和兔子的致死浓度分别为200ppm和400ppm。四氟化硫（SF4）：无色，有类似SO2的刺激性臭味的气体，毒性与光气相当，对肺有危害。二氟化硫（SF2）：易水解成S，O2，HF等，毒性与HF相当。氟化硫（S2F2）：常温下为无色气体，毒性很强，遇水后生成HF。氟化氢（HF）：无色，具有强烈刺激性臭味的气体或液体，极易溶解于水形成氢氟酸，氢氟酸是一种强腐蚀性物质。,在高温电弧作用下,SF6会产生硫的低氟化物和金属氟化物,续,SF6气体水解,在高温下，SF6气体和生成的低氟化物SOF2、SOF4、SOF4、SO2F2和水发生反应，生成
8、一些强腐蚀化学物，如：,（7-4）,HF、SF4、SO2对绝缘材料、金属材料都有很大的腐蚀性，如HF、SF4等，对含硅材料（如玻璃、电瓷等）有很强的腐蚀性，所以，SF6气体绝缘装置中要避免使用含硅材料，环氧树脂的填料也不得采用二氧化硅，应采用氧化铝。因此要严格控制SF6气体中的含水量。国际电工委员会曾推荐（IEC-376号出版物）SF6气体中的含水量应小于150ppm（1ppm为百万分之一）。,SF6中水分的吸附,SF6绝缘设备中通常都装有活性氧化铝、活性碳或分子筛等，它们都是应用效果较好的吸附剂，对吸收水份是很有效的。实践证明，只要有适当的气体质量监督与安全管理措施，SF6断路器在运行和检修
9、中的毒性问题是不难解决的，但也不可粗心大意，掉以轻心，使用中的安全问题要予以充分重视。,分子筛介绍(补充),分子筛是一种具有立方晶格的硅铝酸盐化合物，主要由硅铝通过氧桥连接组成空旷的骨架结构，在结构中有很多孔径均匀的孔道和排列整齐、内表面积很大的空穴。此外还含有电价较低而离子半径较大的金属离子和化合态的水。由于水分子在加热后连续地失去，但晶体骨架结构不变，形成了许多大小相同的空腔，空腔又有许多直径相同的微孔相连，这些微小的孔穴直径大小均匀，能把比孔道直径小的分子吸附到孔穴的内部中来，而把比孔道大得分子排斥在外,因而能把形状直径大小不同的分子，极性程度不同的分子，沸点不同的分子，饱和程度不同的分
10、子分离开来，即具有“筛分”分子的作用，故称为分子筛。目前分子筛在化工，电子，石油化工，天然气等工业中广泛使用。分子筛吸湿能力极强,用于气体的纯化处理,保存时应避免直接暴露在空气中。存放时间较长并已经吸湿的分子筛使用前应进行再生。分子筛忌油和液态水。使用时应尽量避免与油及液态水接触。工业生产中干燥处理的气体有,空气,氢气,氧气,氮气,氩气等.用两只吸附干燥器并联，一只工作，同时另一只可以进行再生处理。相互交替工作和再生，以保证设备连续运行。干燥器在常温下工作，在加温至350下冲气再生。,SF6气体泄漏,由于SF6气体比较重，泄漏时会积聚在地面附近，因此在检修时要注意防止因缺氧而窒息。泄漏应急处理
11、：迅速撤离泄漏污染区人员至上风处，并进行隔离，严格限制出入。建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器，穿一般作业工作服。尽可能切断泄漏源。合理通风，加速扩散。漏气容器要妥善处理，修复、检验后再用。,六氟化硫电气设备的事故处理,防止六氟化硫气体漫延，必须将该系统所有通风机全部开启，进行强力排换。电气值班人员应做好处理的组织准备，穿好安全防护服併佩戴隔离式防毒面具、手套和护目眼镜，采取充分的措施准备后，才能进入事故设备装置室进行检查。设备防爆膜破裂，说明内部出现了严重的绝缘问题，电弧使设备部件损坏，引起内部压力超过标准。因此，必须停电进行处理，查明事故原因，保障工作人员人身安全的前提下进行处理。认真消除
12、故障所造成的设备外部污染，应使用六氟化硫的熔剂汽油或丙酮将其擦洗乾净。进行这项工作也应按现场运行规程的规定做好安全防护。,SF6对环境的危害,减少温室气体排放、减缓气候变化是联合国气候变化公约和京都议定书的主要目标。目前，发现人类活动排放的温室气体有六种，它们是二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳合物、全氟化碳、六氟化硫(CO2，CH4，N2O，PFC，HFC)，SF6。其中CO2 气体对温室效应的影响最大，占64，而SF6 气体的影响为最小，仅占0.07(每年排放SF6400600吨)。SF6气体分子对温室效应具有潜在的危害，这是因为SF6气体一个分子对温室效应的影响为CO2分子的25000倍，
13、同时，排放在大气中的SF6气体寿命特长，约3400年。现今，每年排放到大气中的CO2气体约210亿吨，而每年排放到大气中的SF6气体相当与0.15亿吨CO2气体。,SF6的使用情况,现在全球每年生产的大约8500吨 SF6气体中，约有一半以上用于电力工业。而在电力工业中，高压开关设备约占用气量的80%以上，中压开关的用气量约占1/10；主要是用在126252kV的高压、330800kV的超高压领域，特别是126kV252kV550kV的断路器（GCB 发电机出口断路器）、SF6封闭组合电器（GIS）、充气柜（C-GIS）、SF6气体 绝缘管道母线（GIL）中。因此，合理、正确的使用管理SF6气
14、体，减少排放量是非常必要的。,六氟化硫使用引用标准,GB89051996 六氟化硫电气设备中气体管理和检测导则 GB1165189 劳动保护用品选用规则GB1202289 工业六氟化硫 DL/T5951996六氟化硫电气设备气体监督细则DL/T5961996电力设备预防性试验规程SD31089 六氟化硫气体生物毒性试验方法IEC3761972 新六氟化硫的规范及验收IEC4801974 电气设备中六氟化硫气体检测导则,第二节 SF6中的电弧特性,SF6绝缘性能优良的原因SF6有很强的电负性，在温度不高的情况下（1000K），容易吸附电子而形成负离子。负离子的活泼性很差。抑制了放电的形成和发展。
15、其次，SF6分子的直径比空气中氮、氧的分子直径大得多，使电子平均自由程缩短，而不易在电场中积累能量，从而减小了其碰撞电离的概率。再次，SF6的分子量为空气的五倍，离子迁移率比氮、氧离子的迁移率小，更容易发生复合（消电离），使气体中的带电质点减少，绝缘强度增加。正是这些作用机理，使SF6成为高绝缘强度的气体介质。,一、SF6电弧的热化学特性,图7-2为SF6电弧中各等离子体组分的密度与温度的关系,图中可见，在电弧的作用下，弧柱中的物理化学过程十分复杂，既有分解又有电解，还有分解生成物对电子的吸附。这一动态过程使SF6、S2、S、SF2、SF4、F*、F-、S+等分子、等离子、以及原子、电子均同时
16、存在。从这些过程中我们可能归纳出对熄弧甚为重要的两点：,约2100K时，SF6气体有一个热分解高峰，生成大量S2、S、F等；在30004000K时，带电粒子只有S+、电子和电子被SF6分子及低氟化物俘获后形成的负离子。,SF6与N2的热导率和电导率与温度的关系曲线,图7-3 SF6与N2的热导率和电导率1SF6 2N2,图形分析,图7-3示出SF6与N2的热导率和电导率与温度的关系曲线。在2100K附近，由于SF6热分解而出现了热导率高峰，而N2则在6000K8000K时才分解为单原子，出现热导率高峰的温度比SF6高得多。SF6的导电率高于4000K才开始急剧上升，这一点虽然比N2来得早，但它
17、的热导率高峰与电导率剧升温度是错开的，后者正处于热导率的低谷。而 N2导电率上升曲线正从其热导率的第一个高峰穿过。这一差异，对二者的电弧时间常数起了关键性的作用。,稳定SF6电弧沿截面的温度分布,燃炽的电弧温度分布总是由内向外逐渐降低的,六氟化硫具有极强的灭弧能力,六氟化硫之所以具有极强的灭弧能力主要是因为：1六氟化硫气体在高温时形成硫、氟原子、正负离子和电子构成的等离子体，等离子体具有较高的温度，因而同样电流时，电弧电压较低，弧隙中产生的热量较少，较小的吹弧速度即可使电弧得到足够的冷却。2六氟化硫具有独特的电导率和热导率配合关系。它的热导率高峰与电导率高峰温度是错开的。这一特性，对灭弧非常有
18、利。由于弧柱电压低，产生热量少，因而弧隙的介质恢复速度上升较快，六氟化硫开关装置可承受很高的恢复电压上升速度。3六氟化硫分子具有很强的电负性。六氟化硫分子容易俘获自由电子而形成负离子，质量重的负离子迁移率低，使电子崩发展困难，从而削弱了放电发展过程，提高了介质恢复的上升速度。4.在六氟化硫中，电流过零前的截流小，且由此避免了过高的截流过电压。5.现代SF6断路器的结构对电弧均有强烈的气吹作用，利于电弧的过零熄灭与介质的快速恢复。,二、电弧对吹弧气流的阻塞作用,而现代自膨胀式SF6断路器的喷口却要利用喷口形状，在电流峰值时形成电弧阻塞，增加储气空间的气压，以在电流过零时进行有效的吹弧。,图7-5
19、 用于分析电弧阻塞效应的模型,电弧阻塞效应的模型,图7-5为用于分析单向纵吹灭弧室内电弧阻塞效应的模型。该模型做了以下假设：1）气体流动过程中，气源的静止压力P0、密度、温度T0不变；2）电弧沿弧柱长度均匀地、不间断地对气流输出热量；3）气体在流动时不考虑磨擦及涡流损失。,习惯上常将喷口外的压力称作出口背压pb,公式推倒,公式推导,联解式（7-9）（7-11）可以得到Q0/Sp0与b1的关系,（7-13）,公式推导,上式表示：当S和,确定之后，电弧完全阻塞喷口所允许的最,大电流值就大致确定了。,第三节 典型SF6断路器,SF6断路器在高电压等级应用中的优势和特点SF6断路器熄弧能力强介质强度高
20、小电流开断时，如切长线或空截变压器过电压低或不产生过电压。和传统断路器相比，其寿命长，维护周期长，体积小、噪声小,SF6断路器的结构,SF6断路器的结构和形式除灭弧室外与传统断路器相近。总体结构有瓷柱式和罐式的区别，有单断口结构和双断口结构。小容量时，断路器的操作机构可采用弹簧储能机构，大容量时则一般采用液压机构。灭弧室内的静态气体压力一般在0.3 0.6Mpa，熄弧时的工作压力一般需1.01.5Mpa。SF6断路器灭弧室的形式有较大的区别，目前较为流行的有压气式和自能式，也有压气加自能式。在中压领域的应用中还有磁旋弧式、旋弧、自能气吹或辅助小压气相结合的综合式灭弧原理的SF6断路器。这里主要
21、介绍在高压和超高压领域中应用的压气式和自能式SF6断路器。,一、压气式SF6断路器,图7-6为双向吹弧压气式SF6断路器灭弧室工作原理,压力变化,在开断过程中，由动触头带动气缸套与固定的压气活塞相对运动，产生吹弧压力，完成吹弧和熄弧功能。在动静触头分离之前（超行程结束时），气缸中产生一预压力P1，由气体定律：,（7-17）,式中P0为静态压力，V0、V1分别为预压缩前后的气缸容积，系数k=1.08,二、自能式SF6断路器,在近十几年里，自能式SF6断路器发展很快，大有取代压气式SF6断路器的趋势。自能式断路器又称自膨胀式断路器，其主要优点是在电流的零区，利用燃弧时耗散的能量来创造一个熄弧和介质
22、恢复的条件。,我们把燃弧过程分成几个阶段,1电弧起始阶段 当实心电极运动到图7-7所示的PTFE辅助喷口时电弧开始引燃，此时的电弧可看作自由燃炽电弧。2大电流燃弧阶段 电弧起始后最后一个电流零点前的这段时间我们称之大电流燃弧阶段3电流最后过零阶段,自能灭弧室的结构,最典型的结构示于图7-14。,图7-141 静弧触头 2 绝缘喷口 3 额定电流静触头 4 动弧触头 5 额定电流动触头 6 热膨胀室7 额定电流过度触头 8 热膨胀室阀片 9 辅助压气缸 10 压气活塞 11 辅助压气缸泄压阀,第四节 SF6全封闭组合电器GIS,SF6全封闭组合电器是把除变压器以外的各种电站电气元件组合在一起，封
23、闭在接地金属壳体内，并充以SF6气体作为主绝缘的电器。Gas Insulated Switchgear GIS中包括的组合电气元件有：断路器，隔离开关，接地开关，电流和电压互感器，避雷器，母线及电缆终端等。各元件间按电站主接线的要求边接并组装成一整体，在封闭连接母线和所有元件的金属壳内充以0.30.4MPa的SF6气体,我国第一台GIS的总体布置,GIS隔离开关的原理结构,GIS的突出特点,GIS占地面积小、运行可靠。就设备本身而言，对比分立元件，110kV GIS可减少到原面积的6.1%，220kV GIS可减少到原面积的2.1%。GIS的所有带电体均置于接地金属箱内，从而避免了外部环境的影
24、响，减少了设备事故的概率，对人身安全也大有好处。设计和安装良好的GIS可以连续运行十几年不用内部检修，这对电站的运行和管理来说是极有价值的。,二、GIS的特殊问题,1.绝缘与过电压问题 对比其他绝缘介质其冲击电压的耐受能力较差,图7-17 SF6与空气的伏秒特性,GIS的波阻抗小(GIS的波阻抗为60100,架空线波阻抗为500左右),容易受到操作过电压的影响.,2 局部放电与电弧接地,GIS对局放的要求相对严些。这是因为，SF6中长期的局部放电会使内部绝缘子表面改性，降低其沿面放电电压。短时存在的局放对绝缘能力影响不大，即在短时过电压或耐压试验时发生的局放是允许的。,3 内部故障检测问题,G
25、IS免维护，运行故障率比其他分立元件低一个数量级。可是一旦发生故障，波及面大，一个元件的故障可使这个GIS失效或损毁。GIS的检修比较困难，停电时间一般长达几个星期。因此，内部故障检测对GIS的可靠运行至关重要。目前，GIS的内部故障检测的中心目标是故障前兆的在线监测。人们正在从事的研究工作包括：绝缘在线监测，包括GIS内部局放测量，主要解决对地电容大使测量灵敏度降低的问题，分解气体分析等；内部短路与电弧接地定位，包括超声波波定位，X光探测，电磁暂态过程分析等；开关机械动作和温度监测，包括操动机构控制线路检测，机械振动与异常现象检测，动作次数与寿命检测等。,AIS和HGIS,AIS 空气绝缘的敞开式开关设备;以瓷套作为设备外壳及外绝缘,优化了投资成本。但占地面积大旦因设备外露部件多,易受气候环境条件的影响,不利于系统的安全及可靠运行。GIS 气体绝缘金属封闭开关设备.GIS是属于可靠性高、免(少)维护的开关设备,它占地面积最小,但由于配置大量的金属封闭母线,使得造价昂贵 HGIS 母线采用开敞式，其它均为六氟化硫气体绝缘开关装置；虽然GIS性能好于AIS，但由于成本和管理能力的差异，AIS在相当一段时间还不会完全退出。,全章结束！,
