GIS组合电器技术

SF6气体绝缘全封闭组合电器（GIS）技术第一章概述气体绝缘全封闭组合电器(GIS)，英文全称GasInsulaterSwitchgear。GIS设备由断路器、母线、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、套管等七种电器元件组合而成。以SF6气体作为绝缘介质，电场结构采用同轴圆柱体间隙的稍不均匀电场。常规变电站电气设备采用空气绝缘、电场结构为棒-板组成的极不均匀电场GIS设备的所有带电部分被金属外壳所包围，其材料为铝合金、不锈钢或无磁铸钢。并采用铜母线接地，内部充有一定压力的SF6气体。GIS设备的特点与常规设备比，GIS设备占地面积少GIS设备的特点GIS设备不受环境影响运行安全可靠、维护工作量少、检修周期长由于SF6气体绝缘性能、灭弧性能均优于空气，断路器开断能力高，触头烧伤轻微，故维修周期长、故障率低。施工工期短GIS设备没有无线电干扰和噪声干扰第二章SF6气体的性质第一节SF6气体的基本性质SF6气体是世界上目前最优良的绝缘介质和灭弧介质。它无色、无味、无嗅、无毒、不燃烧；在常温常压下，化学性能稳定；与传统绝缘油相比，其绝缘性能和灭弧性能都要好得多。SF6分子量较大，为146，是氮气的5.2倍；在温度为20℃，气压为101.325kPa下密度为6.16kg/m3，空气的5.1倍。SF6气体在常温甚至较高温度下，一般不会发生化学反应，电气设备的最高允许温度在150℃时，SF6气态稳定。SF6气体本身的分解温度为500℃；在铜和铝中，温度达到200℃以上，才开始慢慢发生化学反应。但与其他金属不发生剧烈化学反应。SF6气体的热传导性较差，导热系数仅为空气的2/3。气体的传热效应并不单纯靠传导作用，还有对流。对流传热的能力与分子比热有关，而SF6分子的比热是空气的3.4倍。导体在SF6气体的表面散热效果，是在空气中的2.5倍。SF6气体是负电性气体。SF6气体在-40℃T80℃，P0.8MPa范围内气态占优势，如果20℃时的充气压力为0.75MPa（相当于断路器中常用的工作气压）,则对应的液化温度约为－25℃，如果20℃时的充气压力为0.45MPa，则对应的液化温度为一40℃，可见一般不存在液化问题，在高寒地区，需考虑采取措施，如加热、采用SF6-N2混合气体。气体理想状态方程：P=RrTP为气体压力、R为气体常数、r为密度、T为温度当SF6气体的密度保持不变。气体的温度增加，其压力升高；当SF6气体的温度保持温度：密度上升，压力随着上升；密度下降，压力也下降；当气体的压力保持不变，温度上升，则气体的密度下降。第二节气体状态参数第三节SF6气体分解物的毒性和其他性质SF6气体本身是无毒的，但由于它比空气重，所以会沉积在低洼地区（如电缆沟），使人缺氧窒息；在高温小电流电弧作用下，SF6会分解一些低氟化合物，这些分解物又和电极材料、水分、氧气等进一步反应生成有毒性的其他化合物。影响SF6分解过程的主要因素1.电弧能量的影响；2.电极材料的影响；3.水分的影响4.氧气的影响5.设备中绝缘材料的影响电弧作用下SF6分解物的性质电气设备开断时产生电弧，在其作用下，SF6气体主要有下列分解物，其性质如下：1.四氟化硫（SF4）•在常温下为无色气体。有类似氧化硫的刺激味；•有毒性：SF4对肺有侵害作用，影响呼吸系统；其毒性与光气（二氯化碳基）相当。2.氟化硫（S2F2）•常温下无色有嗅味的气体；•有毒性：为有毒的刺激性气体，对呼吸系统破坏作用较大。3.二氟化硫（SF2）•化学性能极不稳定，受热后更加活泼，易水解，生产S、SO和HF；•有毒。4.十氟化硫（S2F10）•常温常压下为无色易挥发的液体，化学性能极其稳定；•有毒：为剧毒物质，主要影响呼吸系统5.氟化亚硫酰（SOF2）•无色气体，有刺激性，化学性能稳定，在高温下仍不活泼；•有毒：可致肺水肿病，能使动物窒息而死。6.二氟化硫酰（SO2F2）•无嗅无色气体，化学上极其稳定；•有毒：能导致动物痉挛的有毒气体7.四氟化亚硫酰（SOF4）•无色气体，有刺激性；•有毒：对人的肺部有侵害作用。第四节GIS设备中的水分GIS设备中水分的来源•GIS设备在制造、运输、安装、检修过程中可能接触水分，将水分浸入到设备的各个元件里去；•GIS设备的绝缘件带有0.1%~0.5%ppmv的水分。在运行中，慢慢向外释放；•GIS设备中的吸附剂本身就含有水分；•SF6气体中含有水分，在新气一般都进行干燥处理，使其含水量在规程规定的范围内。水分对GIS设备的危害性1.水分引起设备化学腐蚀；2.水分对电气设备绝缘件的危害。GIS中水分的控制1.严格控制新气的含水量，使其满足国家标准；2.改善GIS设备密封材料的含水量，严格遵守安装密封环的工艺规程；3.在GIS设备中放置吸附剂，并具备下列条件：•吸附剂放置低温环境中，提高其吸水能力•吸附剂应有良好的戏份SF6分解物的能力•吸附剂与SF6气体分解物反应时，不得产生二次有害物质•吸附剂在工作时，不粉化、不潮解。4.GIS设备尽量使用室内式布置，可以控制室内的温度、湿度，减少产生水分的机会，避免灰尘和其他杂质侵入到设备里去。虽然GIS设备室要增加一些土建投资，但对减少故障，改善GIS设备的运行条件是大有好处的，其运行的经济效果远大于土建投资。第五节GIS设备中的吸附剂吸附剂的性能SF6气体中的水分、有毒气体都可以用吸附剂来吸收，在GIS气室里放置适量的吸附剂，可以减少水分和毒气，从而保证运行人员的安全。吸附剂的材料用作吸附剂的材料有活性炭、活性氧化铝、分子筛等。1.活性炭能吸收的分解物SOF2、SO2、SF5OCF3，对SOF4、SO2F2也有一定的吸附能力，吸附S2F10O的性能最强，对SO2F2的吸附效果差，对其总的评价是吸附能力最强，但选择性差。由于活性炭吸附SF6气体的能力也很强，所以不能用于GIS设备；2、活性氧化铝（Al2O3）能吸收的分解物SOF2、SO2F2、S2F10O、SO2、SOF4等分解物，但对S2F10O、SO2等不能定量吸附，有较好的选择性。对SO2F2的吸附能力差。它不吸收SF6气体，所以是GIS设备较理想的吸附剂；第六节SF6气体的绝缘特性SF6气体高电气强度的原因•F是卤族元素中负电性最强的，因此SF6分子具有很强的负电性，容易吸附电子成为负离子，阻碍放电的形成和发展；•SF6分子的直径比氧、氮分子的要大，使得电子在SF6气体中的平均自由行程缩短，不易积累能量；而SF6的电离电位又比氧、氮分子的大，因而减少了电子碰撞电离的可能性；•电子与SF6分子相遇时，还会因极化等过程增加能量损失，减弱其碰撞电离的能力。在不同电场下气体击穿特性在空气间隙中，由于电子碰撞产生的自由电子越来越多，当大量的正负离子的密度大致相当时，则在间隙中形成等离子体，它具有良好的导电性能，待等离子充斥整个间隙后，间隙则完全丧失绝缘性能，成为良导体，这一现象成为击穿。间隙一旦击穿，外界的游离因素可以取消，而由本身产生游离维持能量，这一过程叫做自持放电。OA段电流随电压升高而升高；AB段电流趋于稳定BC段出现碰撞电离C点出现自持放电。1.均压电场下气体击穿特性在均匀电场中，一旦电场间隙转入自持放电，间隙就被击穿。在均匀电场中，空气的击穿场强约为30kV/cm。2.极不均匀电场下气体击穿特性在电场中一极是平板，另一极是棒电极，则形成棒-板电极，构成极不均匀电场。当电压加于棒-板电极时，棒电极附近的电场很强，距棒一定距离后，电场急剧下降。这时，棒电极及其周围的气体已到达自持放电，而在其周围发生电晕，称为电晕放电，此时的电压称为电晕起始电压；随着间隙电压升高，电晕不断发展，直到间隙被击穿。•极性效应棒-板电极的击穿电压与施加电压的极性有关。当棒电极为正时，电晕的起始电压较高，而击穿电压较低；棒电极为负时，电晕起始电压较低而击穿电压较高，因此负棒正板的击穿电压要比正棒负板的击穿电压高。3.稍不均匀电场下气体击穿特性•在稍不均匀电场中，气体击穿前，也将在电场最大的电极上先产生电晕，但不能形成稳定的电晕放电。因为电场强度随距离的增加降低不多。故一旦发生电晕放电，很快会导致间隙击穿，电晕的起始电压就是击穿电压。•稍不均匀电场也有极性效应，正极性击穿电压高于负极性。•稍不均匀电场的击穿场强介于均匀电场和不均匀电场之间，其值与电场的均匀程度有很大关系。因此在安装GIS设备时不能破坏电场的均匀性，如所有的均压罩都应装好，位置正确。均压罩稍有歪斜就会影响电场的均匀性，击穿电压就会降低许多。SF6气体的击穿特性•SF6气体的击穿过程与空气相似，所不同的是SF6气体是卤族元素，具有较强的负电性，易吸收自由电子形成负离子。•由于离子在SF6气体中的平均自由行程比电子短。因而获得的能量也小。另一方面它和分子碰撞时，又容易将原来积累起来的能量损失掉。因此离子要积累足够的能量的可能性也很小。故此离子的游离能力远不如电子。因此在气体放电中，负离子起阻碍放电形成的作用。•在均匀电场中，SF6气体在0.1MPa下的击穿场强约为88.5kV/cm，几乎是空气的三倍。•在极不均匀电场中，SF6气体的击穿：1.工频击穿电压随气压的变化曲线存在“驼峰”现象；2.驼峰区段内的雷电击穿电压明显低于静态击穿电压。•原因：与空间电荷的运动有关。由于空间电荷对棒极的屏蔽作用会使击穿电压提高，但在雷电冲击电压作用下，空间电荷来不及移动到有利位置，故其击穿电压低于静态击穿电压。又气压提高时，空间电荷扩散得慢，因此在气压超过0.1~0.2MPa时，屏蔽作用减弱，工频击穿电压也会下降。第七节SF6气体击穿电压的影响因素电场均匀性对击穿电压的影响•电子数量增加速度的影响在极不均匀电场中，当电场强度不断增大时，SF6气体中的带电质点的增长速度较空气大得多，因此电晕起始电压提高不多。•SF6气体的自屏蔽效应的影响与空气相比，SF6气体分子的空间电荷热运动速度低，使得棒极周围的空间电荷密集，而不易向往扩散，未形成有效的均匀电荷层，因此其自屏蔽效应不如空气好。从而使得SF6气体的击穿电压与起晕电压比较接近。•SF6气体在不均匀电场中的击穿电压，要比均匀电场低得多，比空气击穿电压的降低速度还要大，甚至接近。电极间隙对击穿电压的影响•在均匀电场中，空气和SF6气体的击穿电压都随间隙的增大而升高。不过SF6气体的击穿电压比空气要大3倍。•在稍不均匀的电场中SF6气体的击穿电压和电极间的间隙呈明显饱和现象。•在极不均匀电场中，SF6气体的击穿电压随间隙距离的增大而出现饱和现象，其数值和空气接近。SF6气体击穿电压与电极间隙的关系SF6气体压力对击穿电压的影响•提高SF6气体的压力，可以提高间隙的绝缘强度。因为压力升高后，减少了电子的平均自由行程，使得电子在二次碰撞之间所积累的动能减少，从而减少电离。因此气体的压力增加后，间隙中的击穿电压也随之升高，到压力增高到一定程度后，击穿电压出现饱和现象。•曲线未达到饱和时，间隙距离一定，压力越高，击穿电压越高；击穿电压一定时，压力越大，间隙距离就可以越小。电极表面状态对SF6气体击穿电压的影响在均匀电场和稍不均匀电场中，空气的击穿电压与电极表面的状态和材料关系不大。但在高气压下，电极表面粗糙、有杂质、尘埃等，都将使击穿电压降低。这是因为电极表面产生强场放射的缘故。•电极表面粗糙度的影响电极表面越粗糙，强场放射作用就越强，间隙击穿电压就越低。且正极性击穿电压比负极性降低幅度要大。•面积效应的影响定义：电极面积越大，出现降低击穿电压的概率就越多，其击穿电压就会降低。电极表面越光滑，气压越高，其面积效应就越大。电极面积增大到一定程度后，面积效应就不再明显。•电极材料的影响试验表明：电极材料对GIS设备的击穿电压无明显影响。•导电粒子的影响GIS设备中，导电粒子的存在，会明显降低间隙击穿电压。间隙击穿电压与导电粒子的形状、大小和电压波形有关。工频电压下，在0.3mm长度的铜线时，击穿电压就开始明显下降。其降低程度与导体的长度成正比，