第7章sf6断路器simp.ppt

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1、第7章 SF6断路器与GIS,SF6断路器：利用SF6气体作绝缘和灭弧介质的断路器。 SF6断路器开断性能好，电气寿命长，单断口电压高(500kV)，结构简单，维护少，因此在各个电压等级尤其是在高电压领域内得到了越来越广泛的使用。,与液体相比，选用气体作为绝缘和灭弧介质的特点：,导电率极小，介质消耗少; 在电弧和电晕作用下产生的污秽物很少，不会发生明显的残留变化，自恢复性能好。 在均匀或稍不均匀电场中，气体绝缘的电气强度随气体压力的升高而增加，故可根据需要选用合适的气体压力。 选用哪一种气体作为绝缘和灭弧介质要综合考虑诸多因素。例如，绝缘性能要好，气体本身及其分解物应无毒，化学上呈中性且无腐蚀

2、作用，有较低的液化温度，有较好的导热能力，无爆炸和火灾危险，灭弧能力好，价格便宜，容易获得等等。 空气介质是使用得最早的一种气体介质，但SF6气体却是能综合满足上述要求的气体介质，有比较好的绝缘、灭弧和导热性能。,第一节 SF6的基本物理化学性能,一、六氟化硫(SF6)气体的基本特性,SF6无色、无味、无毒，不会燃烧。化学性能稳定(惰性气体)，常温下与其它材料不会产生化学反应。（无腐蚀性） 由卤族元素中最活泼的氟原子(F)与硫原子(S)结合而成。分子结构是个完全对称的八面体。硫原子居中，六个角上是氟原子，氟与硫原子间以共价键联结。,为便于运输和贮存，SF6气体通常以液态形式存在于钢瓶中。使用时

3、减压放出，呈气态充入电器设备内。,SF6气体的热导率是不高的，比空气低1/3。这个参数表示，由于分子间的碰撞传递动能而形成的传热能力，SF6不如空气。但是，实际气体的传热过程主要是对流传热，即由于分子的流动，携带热量转移，SF6分子量大，比热也大，对流传热能力要优于空气。 在高温条件下工作，SF6有更为优越的特性。高温条件下的气体的传热过程还多了一个反应能的传递，SF6分子在2000K附近高温下大部分被分解成S、F元素或低氟化硫，分解反应吸收能量；在6000K以上形成离解高峰，产生大量电子、离子，也吸收能量，对熄弧过程是十分有利的。,SF6是一种常温下十分稳定的化合物，不易分解、变质。在空气中

4、不燃烧，不助燃，与水、强碱、氨、盐酸、硫酸等不反应；在低于150时，SF6气体呈化学惰性，极少溶于水，微溶于醇。 至少在500以下保持高度的化学稳定性，与金属材料，绝缘材料反应极微； 只是在600以上才有较强烈的分解，产生低氟化合物，有强烈的腐蚀性。 在高温下，例如在电弧或电晕放电作用下，SF6将分解成S和F原子，这些原子在温度下降时大部分可以复合成SF6分子，但少部分SF6气体与触头材料如Cu、W等作用，产生金属氟化物和硫的低氟化物，主要反应有：,二、SF6气体的化学特性,4SF6+Cu+W4SF4+CuF2+WF6 2SF6+Cu+W2SF2+CuF2+WF6,在水分参与下，还会生成有严重

5、腐蚀性的HF：,2SF6+6H2O2SO2+O2+12HF（剧毒）,可见，水分起了很坏的作用，是产生腐蚀性、毒性的主要促成剂。控制SF6气体中的含水量是气体质量控制的主要指标，有关的标准都作了规定， 如国际电工协会（IEC）规定，SF6新气中水分含量不得高于15ppm（重量比）。常采用的措施有：加强断路器的密封；组装断路器时，先要对零部件进行彻底烘干；严格控制断路器充气前的含水量；在SF6断路器内部加装吸附剂。 纯净的SF6气体一般公认是无毒的。检验方法是用79%的SF6与21%的O2混合，即相当用SF6取代空气中的N2作动物试验,24小时暴露后应无中毒症状。 在工作场所要防止SF6气体的浓度

6、上升到缺氧的水平。 SF6气体的密度大约是空气的五倍, 如有泄漏必将沉积于低洼处，如电缆沟中。浓度过大会出现使人窒息的危险，设计户内通风装置时要考虑到这一情况。,问题严重的是，电弧作用下SF6的分解物如SF4, S2F2, SF2, SOF2, SO2F2, SOF4和HF等，它们都有强烈的腐蚀性和毒性。 检修SF6电器设备不可避免会接触到SF6分解物。另外，SF6电器设备损坏时，例如封闭组合电器由于内部电弧故障使压力释放装置动作或者外壳烧穿时，会有大量SF6气体及其分解物向外排放到大气中。为保证检修人员的安全以及减少对周围环境造成的影响，应该采取一些必要的防护措施。,SF6具有优良的绝缘性能

7、，这是它最早被用于电力设备的原因。例如，0.3MPa压力的SF6气体的绝缘强度就可能达到变压器油的水平，而压缩空气同样的绝缘强度要0.6 0.7 MPa。因此，早在四十年代SF6就开始用于电缆、高压静电发生器中，后来才用到 开关中，现在又在变压器和高压互感器中应用。SF6用在全封闭的组合电器中，取代 敞开式分立电器的空气绝缘，使传统的变电站设备构造发生了革命性的变化，这就是 SF6绝缘性能所显示出的优越性。,三、SF6气体的绝缘性能,第二节 SF6中的电弧特性,SF6气体受热后的分解特性,1)1000K以下，性能稳定，无分解 2)约2000K时，出现热分解高峰，产生不带电的S2,S,F; 3)

8、温度上升，出现游离电荷，4000 K以下，带电粒子成分：S+、电子及其被SF6分子及低氟化物俘获后形成的负离子。 4)大于4000K带电离子急剧上升,SF6的分解温度(2000K)比氮气(7000K)低,而需要的分解能(22.4eV)却比氮气(9.7eV)高。因此SF6分子在分解时吸收的能量多，对弧柱的冷却作用强。,SF6电弧与氮气（或空气）电弧的比较,隔热层现象：SF6的电导率高于4000K开始急剧上升，虽然比N2来得早，但它的热导率高峰与电导率剧升温度是错开的，形成3000K隔热层。而N2 电导率上升曲线正从其热导率的第一个高峰穿过。 弧柱特点：电弧电流几乎全部通过5000K以上的弧芯部分

9、。在SF6 气体中可以看到很细，亮度很高的电弧，而周围热区（弧焰）几乎看不到。,热导率,电导率,SF6,N2,SF6,N2,弧柱温度沿半径分布,因为SF6对自由电子具有吸引力，所以在热区空间实际上将只有很小的电导或没有电导，然而导热系数却是很高的。因此在SF6 气体中，当电弧电流接近零值时，仅在很细的弧芯上有很高温度，而其周围是非导电层。这样，在电流过零后，电弧间隙介质强度将很快恢复，并超过恢复电压的上升速度。 在SF6 气体中极细小的电弧弧芯一直存在到小电流范围的特点，在断路器开断中是非常好的特性，因为它满足了在电流过零时由良导体向绝缘体的急剧变化的要求。正是由于这些特点，即使在开断小电流时

10、，电弧弧芯一直持续到电流零值，仍能连续地收缩，这样就不会发生电流的强制开断亦即不发生电流截断，因此，也就很少发生操作过电压。,SF6气体的分子在分解时吸收的能量多，对弧柱的冷却作用强； SF6电弧具有高温的弧芯和低温的弧焰。电弧电压梯度小、电弧功率低； 电弧即使在电流很小时仍能维持弧芯的导电状态，因此电流过零时残余弧柱中的能量很小，温度能很快降低，有利于弧隙绝缘强度的恢复； SF6气体分子的负电性强。即SF6气体吸附自由电子形成负离子的能力强，加强了去游离，降低导电率。在电弧电流过零后，弧柱温度将急剧下降，分解物急速复合。因此，SF6气体弧隙的介质性能恢复速度很高，能耐受很高恢复电压，电弧在电

11、流过零后难重燃。,SF6气体灭弧性能特别强的原因主要是：,大电流燃弧期间的一个重要现象是电弧对气流的热堵塞。喷管中有电弧存在时的气流状况必然与无电弧时的冷态气流不同。从流量角度考虑，电弧的出现会使喉部的有效面积和流量减小，另外电弧对喉部上游气流的加热又会使上游气体温度和压力升高。极端情况下，电弧截面积会占据整个喉部的面积，喉部处的气体流量减小至零，这种状况称为喷管的完全堵塞。一般认为，出现喷管完全堵塞时，断路器已接近到达它的极限开断电流。再增大电流，喷管会严重烧伤，弧柱中的金属蒸气也会急剧增大，使交流电流过零后的弧隙绝缘性能的恢复变得非常困难，交流电弧就难以熄灭了。,二、喷管气流中的热堵塞,近

12、年来对喷管热堵塞现象又有了新的认识。电弧热堵塞对上游气体的加热能使气体压力升高,加强了压气式灭弧室的气吹作用。 试验表明，开断电流时压气室内的压力比无电流(空载)时高出很多。压气室(上游)压力升高可以加强交流零区附近的吹弧效果，这将有利于电弧的熄灭。只要大电流期间喷管热堵塞的时间不是太长，触头不会严重烧伤并产生大量的金属蒸气，上游气体的温度也不会过高，以致严重影响交流电流过零后弧隙绝缘强度的恢复。因而，在SF6压气式灭弧室中出现一定程度的热堵塞是有利的。这样在满足同一开断电流要求下，喷管喉部面积可以适当地减小，操动机构的操作能量也能因此而减少.,SF6断路器的外观图（1）,第三节 典型的SF6

13、断路器,六氟化硫断路器的外观图(2), SF6断路器的结构类型,SF6断路器结构按照对地绝缘方式不同分两种类型： （1）落地罐式 这种断路器的总体结构与多油断路器相似，它把触头和灭弧室装在充有SF6气体并接地的金属罐中，触头与罐壁间绝缘采用环氧支持绝缘子，引出线靠绝缘瓷套管出。该结构便于安装电流互感器，抗震性能好，但系列性能差。（图7-1） （2）瓷柱式 瓷柱式断路器灭弧室可布置成“T”形或“Y”形，220kVSF6断路器随开断电流增大，制成单断口断路器，布置成单柱式，灭弧室位于高电位，靠支柱绝缘瓷套对地绝缘。 （图7-2）, SF6断路器的结构类型,单压式固定开距灭弧室绝缘套支柱型断路器,图

14、7-1,图7-2, SF6断路器的结构类型,注意：本图形从中间分开，图形全貌可以参考上一页。,图7-3, SF6断路器灭弧室的结构与灭弧过程, SF6断路器灭弧室结构类型：, （1）双压式灭弧室 它有高压和低压两个气压系统。灭弧时，高压室控制阀 打开，高压SF6气体经过喷嘴吹向低压系统，再吹向电弧使其熄灭。灭弧室内正常时充有高压气体的称为常充高压式；仅在灭弧过程中才充有高压气体的称为瞬时充高压式。 双压式断路器工作性能虽然良好，但必须配置一台在密封循环中工作的气体压缩机，结构复杂、价格昂贵。另外，1. 5MPa(表压力)高压SF6气体的液化温度高，工作温度必须 保持在8C以上，低温环境下需要加

15、热才能工作，这也是一个致命的弱点。因此很快被第二代SF6断路器，即单压压气式SF6断路器所取代。,（2）单压式（压气式）灭弧室 单压式灭弧室 又称压气式灭弧室。只有一个气压系 统，即常态时只有单一的 SF6气体。灭弧室的可动部分带有 压气装置，分闸过程中，压气缸与触头同时运动，将压气室内的气体压缩。触头分离后，电弧即受到高速气流纵吹而将电弧熄灭。 图7-4所示为单压式灭弧室的工作原理。,图7-4, SF6断路器灭弧室的结构与灭弧过程, 压力活塞是固定不动的。图（a）所示触头在合闸位置。分闸时，操动机构通过拉杆使动触头、动弧触头、绝缘喷嘴和压气缸运动，在压力活塞与压气缸之间产生压力。（b）所示为

16、产生压力的情况。当动静触头分离后，触头间产生电弧，同时压气缸内SF6气体在压力作用下吹向电弧，使电弧熄灭，如图（c）所示。当电弧熄灭后，触头在分闸位置，如图（d）所示。, SF6全封闭组合电器（GIS）, SF6全封闭组合电器（GIS）,SF6全封闭组合电器是按发电厂变电站电气主接线的要求，将各电气设备依次连接组成一个整体，封装在以SF6气体为绝缘和灭弧介质的金属接地壳体内，以优质环氧树脂绝缘子作支撑的一种新型成套高压电器。,封闭母线, SF6全封闭组合电器（GIS）,组成SF6全封闭式组合电器的标准元件有：,母线； 隔离开关（负荷隔离开关）； 断路器； 接地开关（工作接地开关和快速接地开关）

17、；,电流互感器； 电压互感器； 避雷器； 电缆终端（或出线套管）。, SF6全封闭组合电器（GIS）,图7-8为110kV单母线接线的SF6全封闭组合电器配电装置的断面图。为便于支撑和检修，母线布置在下部。母线采用三相共箱式结构。 配电装置按照电气主接线的连接顺序，布置成形，使结构更紧凑，以节省占地面积和空间。该封闭组合电器内部分为母线、断路器以及隔离开关与电压互感器等四个互相隔离的气室，各气室内SF6压力不完全相同。 封闭组合电器各气室相互隔离，这样可以防止事故范围的扩大，也便于各元件的分别检修与更换。, SF6全封闭组合电器（GIS）,图7-8, SF6全封闭组合电器（GIS）,封闭式组合

18、电器相比其他类型配电装置，具有以下特点： 大量节省配电装置占地面积与空间。 运行可靠性高。 土建和安装工作量小，建设速度快。 检修周期长，维护工作量小。 由于金属外壳接地的屏蔽作用，能消除对无线电的干扰，也无静电感应和噪声等。同时，也没有偶然触及带电体的危险，有利于工作人员的安全。,GIS由于其具有占地少、可靠性高、无污染、维护方便、使用周期长等众多传统敞开式变电站无可比拟的优势，为国内外电力用户所青睐，成为国内外输配电行业开关设备中最尖端和最有竞争力的设备。 结合大城市用地紧张的现实情况，各个国家及国内发达地区比以往任何时候都更重视全封闭式组合电站的建设和应用。国外在新建变电站中大量采用GI

19、S，如日本新建变电站中，GIS占50。2000年以后，GIS在国内也越来越走俏。 GIS设备具有成套性强、易于安装建设、抗严酷环境、可靠性高、维护量小等优点，在湿热、高海拔、高寒等严酷环境条件下建高压、超高压变电站，GIS设备将是首选产品。根据有关专家预计，2010年，363550KV GIS将占断路器的45，126252KV GIS将占断路器的35，因此这都将为GIS设备制造企业提供难得的发展契机和广阔的发展空间。,绝缘与过电压问题： 运行中，金属封闭开关设备的绝缘事故较多，特别在潮湿(出现凝露)、尘土较多的场所工作时，问题更为突出。为保证金属封闭开关设备具有良好的绝缘性能，电力部门要求对柜

20、内的绝缘距离和绝缘件外绝缘的爬电比距作出明确的规定。 GIS的波阻抗小，行波速度高，容易产生操作过电压。主要原因是母线与接地外壳之间的电容较大，使波阻抗降至60100，比架空线的波阻抗约低5倍。当GIS与架空线连接时，就会产生频率很高的过电压。, GIS的特殊问题,局部放电与电弧接地： 设备内部中的金属微粒、粉末和水分等导电性杂质是引发 GIS 等设备故障的原因。设备存在导电性杂质时，因局部放电而发出不正常声音、振动、产生放电电荷、发光、产生气体分解等异常现象。, GIS的特殊问题,带电操作隔离开关或漏气击穿都会产生内部电弧接地，尤其新投运的GIS概率较大（现场装配不合适或误操作）。,放电脉冲

21、电流及超声检测仪,内部故障检测问题 GIS故障率低，可免维护。但发生故障后的波及面大，后果严重，其中一个元件的故障即可使整个GIS失效或损毁，即所谓的“火烧连营” 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。 检测方法主要是故障前兆的在线监测：绝缘在线监测、分解气体检测、故障定位、温度检测、机械性能检测等, GIS的特殊问题,超高频（UHF）和金属表面电流放电定位仪,六氟化硫气体的理化特性 SF6中的电弧特性 SF6灭弧性能强的原因 SF6断路器的结构类型 全封闭组合电器（GIS）的特点,小 结,7.3.2 自能式SF6断路器 7.4.2 GIS的特殊问题,教材中下述内容为选学：,