SF6高压开关学习资料-第五章.

Copyright©2007Xi’anJiaotongUniversity西安交通大学高电压技术教研室丁卫东GIS装置及其绝缘技术《GIS装置及其绝缘技术》2007年10月1日Copyright©2007Xi’anJiaotongUniversity第五章混合气体绝缘Xi’anJiaotongUniversity-3-内容SF6与全球气候变暖混合气体的优点混合气体的绝缘性能：均匀电场混合气体的绝缘性能：不均匀电场混合气体的混合比和充气气压气体的混合特性Xi’anJiaotongUniversity-4-SF6与全球气候变暖SF6是强温室效应气体SF6气体不会破坏大气臭氧层，然而它是1997年京都议定书指定的六种温室气体(CO2,CH4,N2O,HFCs,PFCs,SF6)之一。SF6气体对温室效应的实际影响很小，目前只占0.07%左右。将SF6气体列为温室效应气体，主要是SF6气体对温室效应有着相当大的潜在危险。•高全球变暖系数：SF6气体的全球变暖系数为23900(以100年为期的计算值)•长寿命：约为3200年全球SF6气体的产量大气中SF6含量的增长Xi’anJiaotongUniversity-5-SF6与全球气候变暖减少排放的措施•推动SF6的回收利用在检修和退出运行时，采用回收装置回收SF6气体。关于SF6的回收利用，GIGRE的WG23.10在1997年发布了《SF6RecyclingGuide》。国外的电力、工业部门也采取了很多措施抑制SF6的排出•降低GIS的年漏气率目前GIS的年漏气率为不大于1%，随着技术水平的提高和人们对环境问题的日益重视，将来可望使年漏气率下降到0.5%以下。•开发小型化、高性能的GIS提高设计和制造技术，开发小型化、高性能的GIS。开发小型化、高性能GIS也有助于控制GIS的成本和占地面积。•开发替代气体或者是混合气体绝缘研究可用于替代SF6气体绝缘的技术Xi’anJiaotongUniversity-6-SF6与全球气候变暖不含SF6气体成分的代替气体：N2、空气、CO2、CH4、PFC、HFC目前不存在比SF6优越的替代气体，各种气体均多少存在缺点(毒性、稳定性、液化温度、绝缘性能、消弧性能、臭氧层破坏指数、地球温暖化系数、价格)。含SF6气体成分的混合气体：SF6/N2、SF6/CO2、SF6/N2/CO2研究比较充分，性能相对较为优越的是SF6/N2。SF6/N2目前也是唯一实际使用过的混合气体•用于高寒地区的断路器•第二代气体绝缘输电管道(GIL)Xi’anJiaotongUniversity-7-混合气体的优点混合气体在以下几个方面有可能优于纯SF6气体：(1)液化温度降低SF6含量可降低液化温度Xi’anJiaotongUniversity-8-混合气体的优点(2)绝缘性能两成分混合气体的耐电强度按相对耐电强度(RES)分为四类：1：在混合比为某些值时，混合气体的耐电强度高于高于两种单独气体的耐电强度。代表性气体：CF2Cl2-SF6、C3F6-SF62：向上凸代表性气体：N2-SF6、CO2-SF63:耐电强度随气体的混合比线性改变代表性气体：SF6-He4：向下凹代表性气体：C2F3Cl3-SF6Xi’anJiaotongUniversity-9-混合气体的优点•在SF6含量很低的情况下，也能达到很高的绝缘强度20%75%0)//()/(pEcKM※优异值反映了气体在不均匀场中绝缘能力的优越程度。•绝缘能力SF6-N2SF6-CO2；优异值SF6-N2SF6-CO2•混合气体的优异值要大于纯SF6气体SF6-N2-CO2可否？Xi’anJiaotongUniversity-10-混合气体的优点(3)经济性SF6价格昂贵:～90元/公斤如果使用含SF6为20%的SF6-N2混合气体，将气体压力提高为纯SF6的1.4倍，则可节约大约70%的SF6气体。Xi’anJiaotongUniversity-11-混合气体的绝缘性能：均匀电场混合气体的碰撞电离系数和电子附着系数•无协同效应的情况•正协同效应•负协同效应SF6气体绝缘强度高的秘密在于它是强电负性气体无协同效应的情况（SF6-N2）pkpkpm21)1(有效电离系数)(201))((pEBAeppEpEcp其中SF6-N2混合气体的有效电离系数Xi’anJiaotongUniversity-12-混合气体的绝缘性能：均匀电场SF6-N2混合气体的耐电强度估计混合气体耐电强度的方法：①宅间董公式)()1(212VVPCPPVVmP：成分1的分压比V1：成分1的耐电强度V2:成分2的耐电强度C:与气体成分有关的常数②指数拟合(当SF6含量大于5%时)18.01kVVmk：SF6的分压比V1：SF6的耐电强度Xi’anJiaotongUniversity-13-混合气体的绝缘性能：均匀电场正协同效应(CF2Cl2-SF6)混合的时候，电子附着截面积相互配合，有效电离系数比下式计算的要小：pkpkpm21)1(故在外加电场后可以有效产生负离子，提高了耐电强度。负协同效应(He-SF6)pkpkpm21)1(故耐电强度降低。混合的时候，出现彭宁(Penning)效应，加强了电离，有效电离系数比下式计算的要大：Xi’anJiaotongUniversity-14-混合气体的绝缘性能：不均匀电场(1)光滑电极形成的稍不均匀场fpdhpEU/)(00其中曲率系数其自持放电电压U00max)/(pEpEh42.0//79)/(0cKMPammkVpE其临界击穿场强比SF6小，然而曲率系数比SF6大，故在稍不均匀场中其相对耐电强度略高于均匀电场中的情况※SF6-CO2情况与SF6-N2类似对SF6-N2(50%-50%)同心球电极prprpEcKh103.01)(210prprpEcKh146.01)(210同轴圆柱电极Xi’anJiaotongUniversity-15-混合气体的绝缘性能：不均匀电场(2)电极表面有缺陷时的宏观稍不均匀场当电极表面存在缺陷，出现局部强电场时，有可能破坏混合气体绝缘，其机理与纯SF6气体中相同，但粗糙度系数存在差别。MpEcKBKphcr0)()(当ph小于优异值M时，粗糙度系数近似为1。故优异值越大，气体越能容忍电极表面粗糙度。Xi’anJiaotongUniversity-16-混合气体的绝缘性能：不均匀电场光滑电极：SF6SF6+N2SF6+CO2粗糙电极：SF6≈SF6+N2≈SF6+CO2混合气体对局部强电场的敏感性比纯SF6要小。Xi’anJiaotongUniversity-17-混合气体的绝缘性能：不均匀电场降低了起晕电压，提高了击穿电压(3)极不均匀场在SF6气体中添加某些气体，可明显提高其在极不均匀电场中的击穿电压。Xi’anJiaotongUniversity-18-混合气体的绝缘性能：不均匀电场起晕电压和击穿电压同时提高(氟利昂113)Xi’anJiaotongUniversity-19-混合气体的混合比和充气气压混合比：•因为混合气体的灭弧能力要弱于纯SF6气体，故在灭弧室中使用SF6-N2混合气体时，SF6的含量不能太低。一般采用60%-40%或50%-50%。•在灭弧室以外的气室，采用30%(SF6含量)以上的混合比意义不大。目前一般的看法在5%-30%之间，讨论比较多的是20%，在GIL中实际使用过的也是20%的混合比。研究表明，混合比低于20%时，UHF法测量局部放电的灵敏度将下降。SF6-N2混合气体的耐电强度Xi’anJiaotongUniversity-20-混合气体的混合比和充气气压对于纯SF6气体而言：GIS灭弧室的充气气压在0.7MPa左右，其他隔室的充气气压在0.45MPa以下。SF6含量降低导致击穿电压下降，故必须提高充气压力保证绝缘性能充气气压：SF6耐电强度与充气气压和SF6含量之间的关系Xi’anJiaotongUniversity-21-混合气体的混合比和充气气压fdpEUnb/)10(0稍不均匀场中SF6气体的击穿电压：18.01kVVmSF6混合气体的击穿电压：fdkpEUnb/)10(18.00故稍不均匀场中SF6混合气体的击穿电压：例：SF6从100%变到20%，充气气压必须为原来的1.4倍。0.4MPa0.56MPaXi’anJiaotongUniversity-22-气体的混合特性RTMRTpV(1)混合比的控制nkTTNRVNVRTp00理想气体的状态方程kTnnnRTVpmm)...()...(2121道尔顿分压定律通过控制充气压力控制混合比例：充80%-20%的N2-SF6至0.7MPa时，可先充SF6至0.7×0.2=0.14MPa，然后充N2至0.7MPaXi’anJiaotongUniversity-23-气体的混合特性)(222222zNyNxNDtN(2)扩散过程扩散方程两成分气体的扩散系数:DfDΩABnπBMAMBMAMπkTABD212163其中MA,MB=分子量n=混合气体的分子数密度k=玻尔兹曼常数T=绝对温度AB=碰撞分子的特性直径fD=补偿系数(MA≈MB1.0-1.02)(MA≫MB且B较小1.0-1.1)D与温度和气压有关，随着时间的变化，气体浓度越来越均匀。Xi’anJiaotongUniversity-24-气体的混合特性气体混合均匀需要一定的时间实验条件：罐高1m，先充0.1MPaN2，然后从上部充入SF6气体Xi’anJiaotongUniversity-25-气体的混合特性(3)混合比随落差的变化)h(hRTμgeNN00随着高度的上升，气体分子数密度减小，气压也随之减小。由于SF6分子的摩尔质量较大，其分子数密度变化比N2快，因此在混合气体中，随着高度的变化，混合比是改变的，下部SF6浓度大。在10m落差范围内，无太大的变化，而GIS在一般情况下，是分成很多段密封的，故一般情况下不用考虑落差造成的SF6充气气压和混合比的影响。Xi’anJiaotongUniversity-26-练习(1)采用混合气体绝缘有什么优缺点？