氟化硫斷路器西安交大高壓電器

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1、電力開關設備及應用（高壓電器部分） 六氟化硫斷路器 電力開關設備及應用（高壓電器部分） 一、六氟化硫氣體特性與滅弧原理 1.六氟化硫氣體的基本特性 SF6是目前高壓電器中使用的最優(yōu)良的 滅弧和絕緣介質(zhì)。它無色、無味、無毒， 不會燃燒，化學性能穩(wěn)定，常溫下與其它 材料不會產(chǎn)生化學反應 。 電力開關設備及應用（高壓電器部分） SF6由鹵族元素中最活潑的 氟原子與硫原子結合而成。 分子結構是個完全對稱的 八面體，硫原子居中，六 個角上是氟原子，氟與硫 原子間以共價鍵聯(lián)結， SF6 分子量為 146，約是空氣分 子量的 5.1倍，因此同樣體 積的 SF6氣體比空氣重得多。 迄今為止，工業(yè)上普遍采用的制

2、造方法是將單質(zhì) 硫和過量氣態(tài)氟直接化合。 263S F S F Q 放熱反應 電力開關設備及應用（高壓電器部分） （ 1）六氟化硫氣體的狀態(tài)參數(shù) 靜止氣體可以用三個參數(shù)來說明氣體所處的狀態(tài)， 稱為三個狀態(tài)參數(shù)，即壓力 P、密度 和溫度 T。 理想氣體的狀態(tài)參數(shù)間存在著簡單的關系，即理 想氣體的狀態(tài)方程 P= RT SF6氣體的分子質(zhì)量大，分子間的相互作用顯著。 當氣體壓力高于 0.3MPa時，分子間的吸引力隨氣 體密度的增大、分子間距離的減小而加強，氣體 的壓力變化特性不再符合式理想氣體的狀態(tài)方程。 要準確地計算 SF6氣體狀態(tài)參數(shù)間的關系，可采 用比較實用的 Beattie Bridgman

3、公式。 電力開關設備及應用（高壓電器部分） SF6氣體的臨界溫度高。 臨界溫度表示氣體可以 被液化的最高溫度，臨 界壓力則表示在臨界溫 度下使氣體液化所需的 壓力。 SF6氣體的臨界溫 度高達 45.6 C，說明常 溫下只要 SF6氣體壓力足 夠高就會液化。 SF6氣體能否液化決定 于其飽和蒸汽壓力。當 氣體壓力高于其飽和蒸 汽壓力時，氣體就液化。 電力開關設備及應用（高壓電器部分） （ 2）六氟化硫氣體的導熱率 SF6導熱性能不如空氣，其熱導率比空氣低，在常 溫下比空氣低 30。但由于其粘度較低和密度較高，且 分子量大，熱容量就大，再考慮到對流效應，總的熱傳 輸特性比空氣要好 2 5倍。 電

4、力開關設備及應用（高壓電器部分） （ 3）六氟化硫氣體的一般化學性能 電力開關設備及應用（高壓電器部分） 六氟化硫氣體及其分解物的毒性問題 純凈的 SF6氣體一般公認是無毒的。 SF6在生產(chǎn)過程中 會有少量伴隨的生成物，其中 S2F10是公認的劇毒氣體， 但經(jīng)過凈化處理可以完全將它除凈。 純凈的 SF6氣體雖然無毒，但在工作場所要防止 SF6氣 體的濃度上升到缺氧的水平。 SF6氣體的密度大約是空氣的五倍、 SF6氣體如有泄漏 必將沉積于低洼處，如電纜溝中。濃度過大會出現(xiàn)使 人窒息的危險，設計戶內(nèi)通風裝置時要考慮到這一情 況。 SF6氣體通過對流能與空氣混合，但速度很慢。氣體一 旦混合后就形成

5、 SF6和空氣的混合氣體，不會再次分離。 問題嚴重的是，電弧作用下 SF6的分解物如 SF4， S2F2， SF2， SOF2， SO2F2， SOF4和 HF等，它們都有強烈的腐 蝕性和毒性。 電力開關設備及應用（高壓電器部分） 1)SF4(四氟化硫 ) 常溫下 SF4為無色的氣體，有類似 SO2的刺鼻氣味，在空 氣中能與水分生成煙霧，產(chǎn)生 SOF2和 HF。 SF4氣體可用堿 液或活性氧化鋁 (A12O3)吸收。 SF4氣體對肺有侵害 作用，影響呼吸系統(tǒng)，其毒性與光氣相當。 2)S2F2(氟化硫 ) 常溫下為無色氣體，有毒，有刺鼻氣味，遇水分能完全 水解形成 S， SO2和 HF。 S2F

6、2對呼吸系統(tǒng)有類似光氣的破壞 作用。 3)SF2(二氟化硫 ) SF2的化學性能極不穩(wěn)定，受熱后性能更加活潑，易水解 成 S， SO2和 HF 。 SF2氣體可用堿液或活性氧化鋁吸收。 4)SOF2(氟化亞硫酰 ) SOF2為無色氣體，有臭雞蛋味，化學性能穩(wěn)定。它與水 分反應緩促，并能快速地為活性氧化鋁或活性炭吸附。 SOF2為劇毒氣體可造成嚴重的肺水腫，使動物窒息死亡。 電力開關設備及應用（高壓電器部分） 5) SO2F2 (二氟化硫酰 ) SO2F2為無色無臭氣體，化學性能極為穩(wěn)定，加熱到 150 C時也不會與水和金屬反應。 SO2F2不易被活性氧 化鋁吸收，但可被 KOH和 NH4OH緩

7、慢吸收。 SO2F2是一 種能導致痙孿的有毒氣體。它的危險性在于無刺鼻性嗅 味且不會對服鼻粘膜造成刺激作用，故發(fā)現(xiàn)中毒后往往 會迅速死亡。 6)SOF4(四氟亞硫酰 ) SOF4為無色氣體，有刺鼻性氣味，能被堿液吸收， 與水反應會生成 SO2F2 。 SOF4是有害氣體，對肺部有侵 害作用。 7)HF(氫氟酸 ) HF是酸中腐蝕性最強的物質(zhì)。對皮膚、粘膜有強烈刺 激作用，并可引起肺水腫和肺炎等。 電力開關設備及應用（高壓電器部分） （ 4）六氟化硫氣體的電負性 氣體原子或分子能夠吸附自由電子而形成負離子 的性能稱為電負性。 SF6具有強電負性。 電力開關設備及應用（高壓電器部分） 2.六氟化硫

8、氣體的滅弧性能與滅弧原理 （ 1） SF6氣體的分解溫 度（ 2000K）比空氣 （主要是氮氣，分解溫 度約 7000K）低，而需 要的分解能 （ 22.4eV） 比空氣（ 9.7eV）高， 因此在分解時吸收的能 量多，對弧柱的冷卻作 用強。由于氣體分子的 分解，在相應的分解溫 度上就出現(xiàn)氣體導熱率 的高峰。 電力開關設備及應用（高壓電器部分） （ 2） SF6在高溫時分解出 S原子、 F原子和正負離子， 與其他滅弧介質(zhì)相比，有較大的游離度。在維持相同 游離度時，弧柱溫度就較低。因此， SF6氣體中電弧 電壓也較低，燃弧時的電弧能量較小，對滅弧有利。 幾種氣體中電弧的伏安特性 電力開關設備及應

9、用（高壓電器部分） （ 3）由于 SF6的強電負性，能吸附電子和正離子 復合，故復合作用快，去游離作用強。尤其在電 流過零前后，可使弧隙中帶電粒子減少，導電率 下降。 SF6氣體電弧的時間常數(shù)也很小，為微秒 級或更小，在電弧電流過零后，弧柱溫度將急劇 下降，分解物急劇復合。因此 SF6弧隙的介質(zhì)強 度及其恢復速度都很高，能耐受很高的恢復電壓 作用，電弧在電流過零后不易重燃。 電力開關設備及應用（高壓電器部分） 電力開關設備及應用（高壓電器部分） 六氟化硫氣體的滅弧原理 六 氟化硫氣體中電弧的熄滅原理與空 氣電弧和油中電弧是不同的，它并不僅依 靠氣流等的壓力梯度所形成的等熵冷卻作 用，而主要是利

10、用六氟化硫氣體的特異的 熱化學性質(zhì)和強電負性，使得六氟化硫氣 體具有很強的滅弧能力。對于滅弧來說， 供給大量新鮮的六氟化硫中性分子并使之 與電弧接觸是有效地方法。 電力開關設備及應用（高壓電器部分） 3.六氟化硫氣體的絕緣特性 （ 1）六氟化硫氣體具有很強的電負性 （ 2）六氟化硫氣體分子直徑大，電子在六 氟化硫氣體中的平均自由行程短，不易 積累足夠的動能，碰撞電離的可能性減 小。 電力開關設備及應用（高壓電器部分） 二、 六氟化硫斷路器的滅弧裝置 六氟化硫斷路器的優(yōu)點： 可以提高單斷口的額定電壓和開斷電流 切小電感電流時較少發(fā)生截流現(xiàn)象；切 空載架空線時不會發(fā)生多次重擊穿；能 承受快速上升的

11、瞬態(tài)恢復電壓，尤適于 開斷近區(qū)故障 滿容量開斷次數(shù)多，檢修周期長 可集合成 GIS 電力開關設備及應用（高壓電器部分） 按所利用能源的不同，將 SF6滅弧裝置分為三類 ： 外能式滅弧裝置：利用運行貯存的高壓力 SF6氣體或開 斷過程中依靠操作力產(chǎn)生 SF6的壓力差，在開斷時將 SF6氣體吹向電弧而使之熄滅。 自能式滅弧裝置：利用電弧本身的能量使 SF6氣體受熱 膨脹而產(chǎn)生壓力差，在開斷時將 SF6氣體吹向電弧而使 之熄滅?；蛘呃瞄_斷電流本身依靠線圈形成垂直于 電弧的磁場，使電弧在 SF6氣體中旋轉運動而使之熄滅。 混合式滅弧裝置：既利用電?。ɑ蜷_斷電流）自身的 能量，也利用部分外界能量的綜合

12、式滅弧裝置 按開斷過程中，滅弧裝置工作特點的不同，將 SF6滅弧裝置分為：氣吹式，熱膨脹式，磁吹旋 轉電弧式，混合式 電力開關設備及應用（高壓電器部分） （ 1）雙壓力式 SF6斷路器 最早的 SF6斷路器是根據(jù)壓縮空氣斷路器的氣吹 滅弧原理設計的。通常設計采用全密封結構， 0.3MPa（表壓力）的低壓氣體作為斷路器內(nèi)部 的絕緣介質(zhì)， 1.5MPa （表壓力）的高壓氣體 用作滅弧。 由于這種斷路器內(nèi)部有兩種不同的壓力，故稱 為雙壓力式 SF6斷路器，又稱為第一代 SF6斷路 器。在 60年代，它被譽為開斷電流最大、工作 性能最好的斷路器，大有取代當時壓縮空氣斷 路器的趨勢。 1.氣吹式 SF6

13、斷路器滅弧裝置 電力開關設備及應用（高壓電器部分） 電力開關設備及應用（高壓電器部分） （ 2）單壓力式 SF6斷路器 雙壓力式 SF6斷路器工作性能雖然良好但必須配置一 臺在密封循環(huán)中工作的氣體壓縮機，結構復雜、價格 昂貴。另外， 1.5MPa（表壓力）高壓 SF6氣體的液化 溫度高，工作溫度必須保持在 8 C以上，低溫環(huán)境下 需要加熱才能工作，這也是一個致命的弱點。因此很 快被第二代 SF6斷路器，即單壓力（壓氣）式 SF6斷路 器所取代。 單壓力（壓氣）式 SF6斷路器，外形上與雙壓式無多大 差別。斷路器內(nèi)部只有一種壓力，一般為 0.6MPa(表壓 力 )，它是依靠壓氣作用實現(xiàn)氣吹來滅弧

14、的。 電力開關設備及應用（高壓電器部分） 電力開關設備及應用（高壓電器部分） 壓氣式滅弧室的開斷過程分為兩個階段： （ 1）預壓縮階段 為使觸頭分離產(chǎn)生電弧時就能實行有效的氣吹，壓氣滅 弧室應先進行一段預壓縮過程，使壓氣室中的氣體壓力 提高后再打開噴口產(chǎn)生吹弧作用。壓氣滅弧室要求有較 大的預壓縮行程 (超行程 )，達到全行程的 40。壓氣式 SF6斷路器的分閘時間比其它斷路器要長些 。 （ 2）氣吹階段 要保證電弧可靠熄滅，在氣吹階段中，要 壓氣室中的氣 體壓力 仍保持較高的比值。這就要求壓氣室體積的壓縮 率足夠高，足以補償噴口流出氣體引起的壓力下降。 電力開關設備及應用（高壓電器部分） 變熄

15、弧距滅弧方式： 觸頭開距在整個分閘過 程中是不斷改變的。 優(yōu)點是開距大，斷口電 壓可以做得較高，熄弧 后介質(zhì)強度恢復速度較 快，噴口形狀不受限制， 可以設計得比較合理， 有利于改善吹弧效果。 電力開關設備及應用（高壓電器部分） 定熄弧距滅弧方式： 兩個靜觸頭式中保持 固定的開距，氣流向 靜觸頭噴口處對電弧 進行雙向?qū)ΨQ縱吹。 優(yōu)點是觸頭開距小， 行程短，電弧能量小， 熄弧能力強，燃弧時 間短。 電力開關設備及應用（高壓電器部分） 2.自能式 SF6斷路器 自能式 SF6斷路器是在壓氣式基礎上發(fā)展 起來的，又稱第三代 SF6斷路器。用電弧 能量建立滅弧所需要的壓力差。 自能式 SF6斷路器的開斷

16、能力與電弧能量 有關。 可采用彈簧操動機構 電力開關設備及應用（高壓電器部分） 電力開關設備及應用（高壓電器部分） 電力開關設備及應用（高壓電器部分） 3.旋弧式 SF6斷路器 旋弧式 SF6斷路器 利用 SF6氣體中電 弧在磁場作用下快 速轉動而使電弧熄 滅。 電力開關設備及應用（高壓電器部分） 電力開關設備及應用（高壓電器部分） 三、 SF6斷路器的結構 瓷柱式 開斷元件放在絕緣支柱上，使處于高電位的觸 頭、導電部分及滅弧室與地電位絕緣，絕緣支 柱則安裝在接地的基座上。稱為外殼帶電斷路 器，也稱之為絕緣支柱式斷路器。 罐式 開斷元件放在接地的箱殼中，其間的絕緣依靠 氣體來承擔，導電部分經(jīng)套

17、管引入，結構比較 穩(wěn)定，常在額定電壓高的高壓和超高壓斷路器 中使用，抗地震性能好，稱為外殼接地斷路器 (又稱落地罐式 ) 電力開關設備及應用（高壓電器部分） 四、 六氟化硫氣體與溫室效應 1997年防止全球變暖的京都議定書中，將包括 SF6氣體的 6種氣體列為溫室效應氣體，它們對 溫室效應的影響依次為 C02， CH4， N2O， PFC， HFC， SF6。 將 SF6氣體列為溫室效應氣體的原因，主要是 SF6氣體對溫室效應有著相當大的潛在危險， 其原因有二： (1)SF6分子對溫室效應的潛在影 響大。若以 CO2氣體的全球變暖系數(shù)為 1，則 SF6氣體為 23900。這就是說，一個 SF6分子對 溫室效應的影響為 CO2的 23900倍。（ 2） SF6 氣體排放大氣后，它的壽命長，約為 3200年。