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SF6气体是二十世纪初发现的,它应用于电工设备是在四十年代,第一次被用于断路器’断路器是在五十年代初。由于SF6气体同空气和变压器油相比有很多优异的电气尽缘和灭弧性能,近年来,SF6在电气设备’电气设备上的应用有了很大的发展,尤其是在高压’高压和超高压’高压断路器’断路器上,还有全封闭组合电器。武汉中试高测电气有限公司现在,新安装的110kV及以上电压等级的断路器,包括大部分的35kV断路器已经全部是SF6断路器了。1.SF6的物理和化学特性SF6分子由一个硫原子和六个氟原子构成,六个氟原子以共价键的形式和硫原子结合成一个中性分子,其原子量为146,大约是空气的五倍,也就是说它的密度也大约是空气的五倍。在常温下,SF6气体是无色、无味、无毒并且透明的惰性气体,它非常稳定,通常情况下很难分解;它既不溶于变压器油也不溶于水。我们都知道,对于理想气体有一个状态方程,即PV=GRT,其中P为气体压力;V为气体的体积;G为气体的重量;R为一个状态常量,对于SF6来说,R=97.2J/g*T;T为尽对温度。当SF6气体的状态发生变化时,它没有完全符公道想气体的状态方程,这主要由于它的分子量较大,当气体压力增大时,气体的密度相应增大,分子间的相互吸引作用开始显露,所以在实际工作中常用SF6的状态参数曲线来表示;SF6的状态参数曲线是一族曲线,每条线对应一个气体密度。在这里有几个重要的参数:SF6的熔点:温度T=-50.8℃,压力P=2.3kg/cm2,在这一点上,SF6三态共存,即气态、液态、固态三种状态同时存在;SF6沸点:温度T=-63.8℃,压力为一个大气压,在这一点上,SF6可以直接由固体变成气体。假如将饱和蒸汽曲线向上延伸,就得到了SF6气体的临界温度T=45.6℃,临界压力P=38.5kg/cm2,临界温度和临界压力表明了SF6气体可以被液化的最高温度和所需的最小压力。SF6的状态参数曲线在实际中有着非常广泛的的应用。假如一台SF6断路器,你知道了它的容积、正常工作时的气压和它的最低工作气压,你就可以计算出它所需要的SF6气量,它能够正常工作的最低环境温度和出现液化时的温度。例如:一台SF6断路器的容积时0.5m3,在环境温度为20℃时正常工作气压为4.5个大气压,最低工作气压的下限为3.5个大气压(表压),那么在SF6的状态参数曲线中可以找到对应的密度曲线,得到气体密度为35kg/m3,那么所需要的SF6气量就是17.5kg,密度曲线与饱和蒸汽曲线的交点就是其液化温度(-35℃),当温度下降时,气体压力也随之下降,当气体压力下降到3.5个大气压(表压)时,其温度为-30℃,这就是能工作的最低环境温度。当SF6气体的温度降低到液化温度后,SF6气体开始液化,但这个过程是一个渐进的过程,假如温度下降,它就沿饱和蒸汽曲线变化,压力和密度都同时下降,这将严重影响到SF6气体的灭弧性能,所以假如断路器工作在很低的环境温度下的时候,就要采取适当的措施,以保证气体的工作压力。SF6气体的稳定性比较好,在一般情况下不会分解,但是,SF6断路器内的情况比较复杂,假如没有电弧的话,SF6气体基本上不会与其他物质发生反应,但是由于断路器内不可能不发生电弧,而电弧又会产生高温、高压以及电晕,在这种情况下,SF6气体会发生分解,天生低氟化物、硫化物和硫、氟的单原子;请留意:这里有一个很重要的特性,就是这时天生的活性物质在电弧熄灭以后一般都能够重新结合成SF6分子,这对于断路器的下一次开断是很有利的,也大大减轻了检验的工作量;比如油断路器开断几次短路故障之后,变压器油的碳化就比较严重了,需要进行换油、检验触头等工作,而SF6断路器的题目就要好很多,它可以多次开断短路故障而不用检验。SF6断路器里的SF6气体不可能是完全纯净的,会含有一些杂质,如水等,此外在断路器燃弧时也会产生一些触头材料的金属蒸汽,这些物质在电弧的作用下会同SF6气体发生化学反应,天生一些金属氟化物、硫的低氟化物、氢氟酸,还有很少量的剧毒物质,如SOF2,SO2F4等。天生的金属氟化物大都是一些白色的粉状物质,它们会覆盖在导体的表面,影响导电性能;而天生的HF、SF4、SO2会对断路器内的含有硅元素的尽缘体,如玻璃、陶瓷支持件和环氧浇注件等都有较强的腐蚀性,降低这些尽缘件表面的尽缘电阻,所以,在实际工作中,我们要严格控制SF6气体中的水分含量,同时,还要在断路器中尽可能多地采用耐腐蚀的高分子有机材料,如聚四氟乙烯、聚酯树脂和环氧树脂加Al2O3填料的制品;此外,对那些少量的剧毒物质由于它们能长时间的保存在SF6气体中,我们必须在SF6断路器中放置吸附剂,来进步SF6气体的纯度,同时确保人身的安全。2.SF6气体的电性能:关于SF6气体的电性能,我们将分别讨论它在常温下的电气尽缘性能和高温下的灭弧性能。在均匀电场中,工频电压的作用下,SF6气体、油和氮气相比,SF6气体的介质强度大约是氮气的五倍,而且当压力大于8个大气压时,其介质强度就能够超过变压器油。下面我们讨论影响SF6气体击穿电压的因素:SF6气体的击穿电压除了与压力有关以外,还与电极表面的光洁度和洁净度有关;电极表面越洁净、越光洁,其击穿电压就越高。在同一压力下,SF6气体的击穿电压随着触头开距的增大而增大,但不是一个线性的关系,而是有一点饱和的意思,而且压力越大饱和越严重;所以我们在实践中不能单靠增大触头开距来加强尽缘。此外,SF6气体的击穿电压还与电极的几何外形和触头面积有关;假如电极外形使得电场越均匀,其击穿电压就越高,这在这里要留意,和真空开关不同,电极材料对SF6气体的击穿电压没有比较明显的影响。SF6气体之所以有比较好的尽缘性能,是由于SF6气体具有负电性,就是说SF6分子能够吸附气体中的自由电子,而变成负离子,这种负离子的质量远远大于自由电子的质量,因此运动速度大大降低,此外,间隙中自由电子的数目减少了,就难以形成击穿通道。所以其尽缘性能比较好。另外,这种负电性在高温下,也就是在灭弧时也是十分有利的。SF6气体的熄弧性能也是非常好的,这有以下几个方面的原因:SF6气体在电弧的作用下会发生分解和游离,有多原子结构分子分解为单原子或带电粒子的气体,在2000℃左右开始分解为低氟化物,4000℃左右开始游离,6000℃左右时游离的最迅速,当温度高于10000℃时,SF6气体就全部游离了;这种内部的变化将影响气体的导热、导电性能,使它的导热、导电性能大大增强。气体导热性能增强,电弧的散热就加快了,这样就有利于电弧熄灭后间隙中的尽缘介质迅速降温,有利于低氟化物复合成SF6,同时有利于恢复尽缘,大大降低了电弧的复燃,有利于熄唬对于气体导电性能增强有利于熄弧的原因,可能有点不太好理解,导电性能增强了只会有利于燃弧,怎么会有利于熄弧呢?原因是这样的:导电性能增强了确实有利于燃弧,通过几种气体电弧的伏安特性曲线可以发现,SF6气体的伏安特性曲线最低,也就是说,在电流相同的情况下,SF6气体的电弧电压最低,而电弧能量就是Uh*I,也最低,电弧在电流很小的情况下也能维持,不会发生断裂,这样就不会发生截流现象,这也是SF6气体比较优越的地方;我们知道现在的SF6断路器都是在电弧电流过零时熄灭的,电弧在燃弧时电弧能量小,电弧的温度和分解的气体就相对也较少,这对于电流过零后间隙的尽缘强度的恢复非常有利,使得熄弧后很难发生重燃或复燃,所以SF6气体既有利于燃弧,又有利于熄唬此外,SF6气体的负电性(吸附自由电子的特性)和二次复合特性(在电弧中分解的低价氟化物在熄弧后迅速还原成SF6分子),这些特性也使得SF6气体无论是在起始介质强度、介质恢复速度还是终极的介质强度都是比较高的。3.SF6断路器:SF6断路器之所以在近年来得到了迅速的发展,其主要的原因就在于SF6气体同其他尽缘介质相比具有很多的优点:1.SF6气体的尽缘强度高,决定了SF6断路器单个断口所能承受的电压要比其他形式的断路器要高,据介绍已经有500kV的单断口断路器出现了;SF6气体的熄弧性能好,决定了SF6断路器的灭弧能力强,这样它的开断能力要大于其他形式的断路器,单断口已经能够达到100kA,这是其他形式的断路器无法达到的,尤其是在现在,电力系统的容量越来越大,很多变电站的短路容量已经达到了近五十千安,一些关键变电站甚至达到了60——70kA,假如没有SF6断路器,那么就无法满足短路容量的要求,在系统短路时,无法切除故障。2.SF6气体在燃弧时的导电性能比较好,电弧电压比较低,小电流的情况下也能够稳定的燃弧,所以,在切断小电流时很少发生截流现象,这样就不会造成过电压,给设备造成损坏。3.SF6气体在熄弧后介质强度的恢复速度比较快,能承受比较快的瞬时恢复电压,所以在切断空载线路是不会发生多次重击穿,在切断近区故障时特别有利,就是说它不仅开断短路电流的性能强,在一些特别的开断情况下,SF6断路器的开断性能也是很好的。4.由于SF6气体中不含氧的成分,而且燃弧时电弧能量小,所以,它对内部金属部件,包括触头、导电杆等的氧化作用就很小,触头在燃弧时的烧蚀也比较稍微,而SF6气体在电弧作用下分解后又能够很快的重新复合,所以整个SF6断路器能满容量开断的次数比其他形式的断路器要大大增加了,相应的检验周期就延长了。5.由于SF6断路器增大了中试高测单个断口的额定电压和开断电流,所以它的体积就相应的减小了,尤其是我们可以把整个变电站集成起来,做玉成封闭的气体尽缘变电站,就是现在在很多单位都安装了的GIS;它的结构特别紧凑,占地面积很小,只相当于常规变电站的百分之几到百分之十几,而且电压等级越高,效果越明显,这一点在山区和人口稠密的大城市十分有利;此外,它的噪音和污染小,防污染能力强,又没有爆炸和引起火灾的危险。从SF6断路器发展的过程来看,它主要经历了这么几个阶段:1.简单开断:就是说,开断时只通过动、静触头之间间隔的不断加长来开断,即没有气吹,也没有通过磁场力让电弧在SF6气体里运动来冷却电弧,这种办法比较简单,效果当然不太理想,现在早已不用了;2.双压式吹弧:就是在SF6断路器内有两种气压的SF6气体存在,低压的SF6气体只用于内部的尽缘,一般为3—5个大气压,高压的SF6气体一般有十几个大气压,只是在分断过程中,吹气阀才打开,高压的SF6气体从高压区流向低压区,经触头喷口吹向电弧,使电弧熄灭;分断过程结束后,吹气阀封闭,气吹过程结束。这种SF6断路器的优点是灭弧能力强,开断容量大,金属短接时间、固有分闸时间和全开断时间都比单压式的短;但是它的结构比较复杂,辅助设备多,在SF6气体的低压区和高压区之间要有压缩机和管道,此外,高压的SF6气体的压力比较大,很轻易液化(如在16个大气压下,SF6气体的液化温度是5℃),因此需要有加热装置。现在随着单压式SF6断路器的发展,双压式的SF6断路器也已经被淘汰了。3.单压式吹弧:就是在SF6断路器内只有一种气压的SF6气体存在,一般为5—6个大气压,但是在开断时动触头先要带动一个压气罩运动一段间隔,在压气室内集聚一部分较高压力的SF6气体后,才断开触头,电弧燃烧,这时喷口打开,这部分高压SF6气体进行吹唬单压式SF6断路器又叫做压气式SF6断路器,是现在应用最广的SF6断路器;它的结构比较简单,液化温度一般在-30℃左右,除特别严冷的地区外都不需要用加热装置,而且近年来,单压式SF6断路器的性能参数也已经遇上甚至超过了双压式SF6断路器。单压式SF6断路器又被分为定开距SF6断路器和变开距SF6断路器。
本文标题:SF6断路器应用分析
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