SF6氣體是二十世紀初發現的,它應用于電工設備是在四十年代,第一次被用于斷路器是在五十年代初。由于SF6氣體同空氣和變壓器油相比有許多優異的電氣絕緣和滅弧性能,近年來,SF6在電氣設備上的應用有了很大的發展,尤其是在高壓和超高壓斷路器上,還有全封閉組合電器。現在,新安裝的110kV及以上電壓等級的斷路器,包括大部分的35kV斷路器已經全部是SF6斷路器了。
1.SF6的物理和化學特性
SF6分子由一個硫原子和六個氟原子構成,六個氟原子以共價鍵的形式和硫原子結合成一個中性分子,其原子量為146,大約是空氣的五倍,也就是說它的密度也大約是空氣的五倍。在常溫下,SF6氣體是無色、無味、無毒并且透明的惰性氣體,它非常穩定,通常情況下很難分解;它既不溶于變壓器油也不溶于水。
??? 我們都知道,對于理想氣體有一個狀態方程,即PV=GRT,其中P為氣體壓力;V為氣體的體積;G為氣體的重量;R為一個狀態常量,對于SF6來說,R=97.2J/g*T;T為絕對溫度。當SF6氣體的狀態發生變化時,它沒有完全符合理想氣體的狀態方程,這主要因為它的分子量較大,當氣體壓力增大時,氣體的密度相應增大,分子間的相互吸引作用開始顯露,所以在實際工作中常用SF6的狀態參數曲線來表示;SF6的狀態參數曲線是一族曲線,每條線對應一個氣體密度。
??? 在這里有幾個重要的參數:SF6的熔點:溫度T=-50.8℃,壓力P=2.3kg/cm2,在這一點上,SF6三態共存,即氣態、液態、固態三種狀態同時存在;SF6沸點:溫度T=-63.8℃,壓力為一個大氣壓,在這一點上,SF6可以直接由固體變成氣體。如果將飽和蒸汽曲線向上延伸,就得到了SF6氣體的臨界溫度T=45.6℃,臨界壓力P=38.5 kg/cm2,臨界溫度和臨界壓力表明了SF6氣體可以被液化的最高溫度和所需的最小壓力。
SF6的狀態參數曲線在實際中有著非常廣泛的的應用。如果一臺SF6斷路器,你知道了它的容積、正常工作時的氣壓和它的最低工作氣壓,你就可以計算出它所需要的SF6氣量,它能夠正常工作的最低環境溫度和出現液化時的溫度。例如:一臺SF6斷路器的容積時0.5m3,在環境溫度為20℃時正常工作氣壓為4.5個大氣壓,最低工作氣壓的下限為3.5個大氣壓(表壓),那么在SF6的狀態參數曲線中可以找到對應的密度曲線,得到氣體密度為35kg/m3,那么所需要的SF6氣量就是17.5kg,密度曲線與飽和蒸汽曲線的交點就是其液化溫度(-35℃),當溫度下降時,氣體壓力也隨之下降,當氣體壓力下降到3.5個大氣壓(表壓)時,其溫度為-30℃,這就是能工作的最低環境溫度。
當SF6氣體的溫度降低到液化溫度后,SF6氣體開始液化,但這個過程是一個漸進的過程,如果溫度下降,它就沿飽和蒸汽曲線變化,壓力和密度都同時下降,這將嚴重影響到SF6氣體的滅弧性能,所以如果斷路器工作在很低的環境溫度下的時候,就要采取適當的措施,以保證氣體的工作壓力。 來源:hvsi.cn
SF6氣體的穩定性比較好,在一般情況下不會分解,但是,SF6斷路器內的情況比較復雜,如果沒有電弧的話,SF6氣體基本上不會與其他物質發生反應,但是由于斷路器內不可能不發生電弧,而電弧又會產生高溫、高壓以及電暈,在這種情況下,SF6氣體會發生分解,生成低氟化物、硫化物和硫、氟的單原子;請注意:這里有一個很重要的特性,就是這時生成的活性物質在電弧熄滅以后一般都能夠重新結合成SF6分子,這對于斷路器的下一次開斷是很有利的,也大大減輕了檢修的工作量;比如油斷路器開斷幾次短路故障之后,變壓器油的碳化就比較嚴重了,需要進行換油、檢修觸頭等工作,而SF6斷路器的問題就要好很多,它可以多次開斷短路故障而不用檢修。
SF6斷路器里的SF6氣體不可能是完全純凈的,會含有一些雜質,如水等,此外在斷路器燃弧時也會產生一些觸頭材料的金屬蒸汽,這些物質在電弧的作用下會同SF6氣體發生化學反應,生成一些金屬氟化物、硫的低氟化物、氫氟酸,還有很少量的劇毒物質,如SOF2,SO2F4等。生成的金屬氟化物大都是一些白色的粉狀物質,它們會覆蓋在導體的表面,影響導電性能;而生成的HF、SF4、SO2會對斷路器內的含有硅元素的絕緣體,如玻璃、陶瓷支持件和環氧澆注件等都有較強的腐蝕性,降低這些絕緣件表面的絕緣電阻,所以,在實際工作中,我們要嚴格控制SF6氣體中的水分含量,同時,還要在斷路器中盡可能多地采用耐腐蝕的高分子有機材料,如聚四氟乙烯、聚酯樹脂和環氧樹脂加Al2O3填料的制品;此外,對那些少量的劇毒物質由于它們能長時間的保留在SF6氣體中,我們必須在SF6斷路器中放置吸附劑,來提高SF6氣體的純度,同時確保人身的安全。
??? 2.SF6氣體的電性能:
關于SF6氣體的電性能,我們將分別討論它在常溫下的電氣絕緣性能和高溫下的滅弧性能。
在均勻電場中,工頻電壓的作用下,SF6氣體、油和氮氣相比,SF6氣體的介質強度大約是氮氣的五倍,而且當壓力大于8個大氣壓時,其介質強度就能夠超過變壓器油。
下面我們討論影響SF6氣體擊穿電壓的因素:
SF6氣體的擊穿電壓除了與壓力有關以外,還與電極表面的光潔度和潔凈度有關;電極表面越潔凈、越光潔,其擊穿電壓就越高。
在同一壓力下,SF6氣體的擊穿電壓隨著觸頭開距的增大而增大,但不是一個線性的關系,而是有一點飽和的意思,而且壓力越大飽和越嚴重;所以我們在實踐中不能單靠增大觸頭開距來加強絕緣。
此外,SF6氣體的擊穿電壓還與電極的幾何形狀和觸頭面積有關;如果電極形狀使得電場越均勻,其擊穿電壓就越高,這在這里要注意,和真空開關不同,電極材料對SF6氣體的擊穿電壓沒有比較明顯的影響。
SF6氣體之所以有比較好的絕緣性能,是因為SF6氣體具有負電性,就是說SF6分子能夠吸附氣體中的自由電子,而變成負離子,這種負離子的質量遠遠大于自由電子的質量,因此運動速度大大降低,此外,間隙中自由電子的數量減少了,就難以形成擊穿通道。所以其絕緣性能比較好。另外,這種負電性在高溫下,也就是在滅弧時也是十分有利的。
SF6氣體的熄弧性能也是非常好的,這有以下幾個方面的原因:
SF6氣體在電弧的作用下會發生分解和游離,有多原子結構分子分解為單原子或帶電粒子的氣體,在2000℃左右開始分解為低氟化物,4000℃左右開始游離,6000℃左右時游離的最迅速,當溫度高于10000℃時,SF6氣體就全部游離了;這種內部的變化將影響氣體的導熱、導電性能,使它的導熱、導電性能大大增強。
氣體導熱性能增強,電弧的散熱就加快了,這樣就有利于電弧熄滅后間隙中的絕緣介質迅速降溫,有利于低氟化物復合成SF6,同時有利于恢復絕緣,大大降低了電弧的復燃,有利于熄唬
對于氣體導電性能增強有利于熄弧的原因,可能有點不太好理解,導電性能增強了只會有利于燃弧,怎么會有利于熄弧呢?原因是這樣的:導電性能增強了確實有利于燃弧,通過幾種氣體電弧的伏安特性曲線可以發現,SF6氣體的伏安特性曲線最低,也就是說,在電流相同的情況下,SF6氣體的電弧電壓最低,而電弧能量就是Uh*I,也最低,電弧在電流很小的情況下也能維持,不會發生斷裂,這樣就不會發生截流現象,這也是SF6氣體比較優越的地方;我們知道現在的SF6斷路器都是在電弧電流過零時熄滅的,電弧在燃弧時電弧能量小,電弧的溫度和分解的氣體就相對也較少,這對于電流過零后間隙的絕緣強度的恢復非常有利,使得熄弧后很難發生重燃或復燃,所以SF6氣體既有利于燃弧,又有利于熄唬
此外,SF6氣體的負電性(吸附自由電子的特性)和二次復合特性(在電弧中分解的低價氟化物在熄弧后迅速還原成SF6分子),這些特性也使得SF6氣體無論是在起始介質強度、介質恢復速度還是最終的介質強度都是比較高的。
3.SF6斷路器:
SF6斷路器之所以在近年來得到了迅速的發展,其主要的原因就在于SF6氣體同其他絕緣介質相比具有很多的優點:
1.SF6氣體的絕緣強度高,決定了SF6斷路器單個斷口所能承受的電壓要比其他形式的斷路器要高,據介紹已經有500kV的單斷口斷路器出現了;SF6氣體的熄弧性能好,決定了SF6斷路器的滅弧能力強,這樣它的開斷能力要大于其他形式的斷路器,單斷口已經能夠達到100kA,這是其他形式的斷路器無法達到的,尤其是在現在,電力系統的容量越來越大,很多變電站的短路容量已經達到了近五十千安,一些樞紐變電站甚至達到了60——70kA,如果沒有SF6斷路器,那么就無法滿足短路容量的要求,在系統短路時,無法切除故障。
2.SF6氣體在燃弧時的導電性能比較好,電弧電壓比較低,小電流的情況下也能夠穩定的燃弧,所以,在切斷小電流時很少發生截流現象,這樣就不會造成過電壓,給設備造成損壞。 來源:hvsi.cn
3.SF6氣體在熄弧后介質強度的恢復速度比較快,能承受比較快的瞬時恢復電壓,所以在切斷空載線路是不會發生多次重擊穿,在切斷近區故障時特別有利,就是說它不僅開斷短路電流的性能強,在一些特別的開斷情況下,SF6斷路器的開斷性能也是很好的。
4.由于SF6氣體中不含氧的成分,而且燃弧時電弧能量小,所以,它對內部金屬部件,包括觸頭、導電桿等的氧化作用就很小,觸頭在燃弧時的燒蝕也比較輕微,而SF6氣體在電弧作用下分解后又能夠很快的重新復合,所以整個SF6斷路器能滿容量開斷的次數比其他形式的斷路器要大大增加了,相應的檢修周期就延長了。
5.由于SF6斷路器增大了單個斷口的額定電壓和開斷電流,所以它的體積就相應的減小了,尤其是我們可以把整個變電站集成起來,做成全封閉的氣體絕緣變電站,就是現在在很多單位都安裝了的GIS;它的結構特別緊湊,占地面積很小,只相當于常規變電站的百分之幾到百分之十幾,而且電壓等級越高,效果越明顯,這一點在山區和人口稠密的大城市十分有利;此外,它的噪音和污染小,防污染能力強,又沒有爆炸和引起火災的危險。
從SF6斷路器發展的過程來看,它主要經歷了這么幾個階段:
??? 1.簡單開斷:就是說,開斷時只通過動、靜觸頭之間距離的不斷加長來開斷,即沒有氣吹,也沒有通過磁場力讓電弧在SF6氣體里運動來冷卻電弧,這種辦法比較簡單,效果當然不太理想,現在早已不用了;
2.雙壓式吹弧:就是在SF6斷路器內有兩種氣壓的SF6氣體存在,低壓的SF6氣體只用于內部的絕緣,一般為3—5個大氣壓,高壓的SF6氣體一般有十幾個大氣壓,只是在分斷過程中,吹氣閥才打開,高壓的SF6氣體從高壓區流向低壓區,經觸頭噴口吹向電弧,使電弧熄滅;分斷過程結束后,吹氣閥關閉,氣吹過程結束。這種SF6斷路器的優點是滅弧能力強,開斷容量大,金屬短接時間、固有分閘時間和全開斷時間都比單壓式的短;但是它的結構比較復雜,輔助設備多,在SF6氣體的低壓區和高壓區之間要有壓縮機和管道,此外,高壓的SF6氣體的壓力比較大,很容易液化(如在16個大氣壓下,SF6氣體的液化溫度是5℃),因此需要有加熱裝置。
現在隨著單壓式SF6斷路器的發展,雙壓式的SF6斷路器也已經被淘汰了。
3.單壓式吹弧:就是在SF6斷路器內只有一種氣壓的SF6氣體存在,一般為5—6個大氣壓,但是在開斷時動觸頭先要帶動一個壓氣罩運動一段距離,在壓氣室內集聚一部分較高壓力的SF6氣體后,才斷開觸頭,電弧燃燒,這時噴口打開,這部分高壓SF6氣體進行吹唬 來源:hvsi.cn
單壓式SF6斷路器又叫做壓氣式SF6斷路器,是現在應用最廣的SF6斷路器;它的結構比較簡單,液化溫度一般在-30℃左右,除特別嚴寒的地區外都不需要用加熱裝置,而且近年來,單壓式SF6斷路器的性能參數也已經趕上甚至超過了雙壓式SF6斷路器。
單壓式SF6斷路器又被分為定開距SF6斷路器和變開距SF6斷路器。
4.自能式吹弧:又有自生壓力式和旋弧式。
自生壓力式是指依靠電弧自身的能量來分解和加熱SF6氣體,從而增大氣體壓力,形成吹唬
這是西安高壓開關廠生產的LW25—126型SF6斷路器。
1:吸附劑;2:滅弧室瓷套;3:動觸頭;4:壓氣缸;5:活塞;6:中間觸指;7:下接線端子;8:支柱瓷套;9:絕緣桿;10:上接線端子;11:觸頭架;12:靜弧觸頭;13:靜觸頭;14:噴口;15:動弧觸頭;16:活塞桿;17:下法蘭;18:操作桿;19:密封。
旋弧式是利用電弧電流在線圈中所產生的磁場,用這個磁場產生的電磁力來驅動電弧,讓電弧在SF6氣體中快速旋轉,使電弧受橫向相對氣流的吹拂和冷卻,來達到熄弧的目的;目前這種方式主要用在中、低壓配電系統中。
自能式吹弧的優點在于它能大大減小分閘時機構要提供的操作功。
SF6斷路器又可以按照總體布置被分為瓷柱式和落地罐式。這兩種SF6斷路器內部滅弧室的結構和工作原理都是相同的,在開斷性能上沒有什么區別,但是,落地罐式SF6斷路器重心比較低,抗震性能比較好,它還可以安裝套管CT,減少了一次設備,此外,它的外邊可以安裝加熱裝置,能夠在嚴寒地區使用。
SF6斷路器還可以按照滅弧室的構造分為定開距SF6斷路器和變開距SF6斷路器;下面分別介紹一下各自的特點。
4.GIS:
GIS是氣體絕緣全封閉組合電器的簡稱,它是由斷路器、隔離開關、接地(快速)開關、電流互感器、電壓互感器、避雷器、母線(三相或單相)、連接管和過渡元件(SF6—電纜頭、SF6—套管)等電器元件組成,它用金屬筒做外殼,把導電桿和絕緣件封閉在內部,在筒中充入一定壓力的SF6氣體,SF6氣體作為絕緣和滅弧介質。GIS一般在戶內布置得比較多,但也有在戶外布置的。
GIS與常規變電站相比,它的占地面積和空間顯著減少,而且電壓等級越高,就越明顯;以500kV為例,它的占地面積僅為常規變電站的1.2%—2%,體積只有常規變電站的千分之幾。所以它特別適合在山區和人口稠密地區使用。
GIS的帶電導體和絕緣件全部被封閉在金屬殼內,不受外界環境的影響,適合用于環境條件惡劣和污染嚴重的地區。 來源:高壓開關網
GIS的重心和落地罐式斷路器的重心相當,都是比較低的,所以抗震能力強,適合用于高地震烈度地區。
GIS的檢修周期比較長,一般在10—20年,也有一些廠家提出不需要檢修,這就大大降低了檢修的人工和費用。
但是,GIS的一個最大并且是最致命的缺陷是造價昂貴,而且安裝和檢修時必須要有一個比較清潔的環境,如果SF6氣體中含有較多的水分或GIS內夾雜有直徑大于30微米的微粒,都會對絕緣強度造成比較大的影響。此外,GIS一旦發生故障,造成的后果也遠比常規的變電站嚴重,而且檢修和恢復供電的時間也要長得多。所以,GIS的交接驗收試驗的項目比較多,而且也比較嚴。
早期的GIS因為加工工藝的原因,出現了比較多的漏氣現象,GIS內部用于分割氣室和支撐導電桿的盆式絕緣子發生過一些閃絡故障,現在這些問題已經得到了初步的解決。省內也有幾臺110kV的GIS投運了,情況還是比較好的。但是也出了一些問題,例如,上安電廠的500kVGIS是法國梅蘭日蘭公司(也叫MG公司)的產品,共有五組斷路器,在投運后一年左右的時候,有一臺斷路器的斷口發生了閃絡,造成了比較嚴重的后果;還有一次,這臺GIS有一個隔離開關氣室內發出了流水似的聲音,通過探視孔看進去也沒有看到有電暈或放電火花類的亮光,經過分析后判斷為某個帶電的導體固定的不夠堅固,或者螺絲松動,后來法國公司來人進行處理時發現是隔離開關屏蔽罩的固定螺絲松動,屏蔽罩在電動力的作用下震動,發出的聲響。 來源:http://www.hvsi.cn
GIS的主要元件中,斷路器的結構與落地罐式斷路器大致相當,多采用壓氣式結構;CT都是套管式CT,這時GIS的一個好處,即可以減少一個一次元件;PT現在大都采用電磁式PT;現在的避雷器都采用了ZnO避雷器;母線有三項共箱式的,也有單相的。
5.SF6斷路器的操作機構:
SF6斷路器的操作機構和高壓少油斷路器的操作機構的在種類上沒有什么區別,在早期,SF6斷路器的機構大多采用液壓機構,后來隨著SF6斷路器斷口數的減少和操作功的減小,彈簧機構越來越多的應用到SF6斷路器上,而在超高壓SF6斷路器上大多采用氣動機構或液壓機構。以后我們在結合LW8-35來講一講彈簧機構。
6.SF6氣體的管理和試驗:
對于SF6氣體我們現在的管理是比較嚴格的,因為它的質量直接影響到SF6斷路器的開斷性能和使用壽命。
對于新的SF6氣體我們要求作氣體的全分析,氣體的全分析一共包括九項內容:
1.空氣含量:我們要檢測SF6氣體中混入的空氣的比例,我們要將新氣進行氣相色譜試驗,國標要求新氣中空氣的含量不能大于0.05%(體積比);
2.CF4含量:我們要檢測SF6氣體中混入的CF4的含量,這也是通過氣相色譜試驗測定的,國標要求新氣中CF4的含量不能大于0.05%(體積比); 來源:hvsi.cn
3.SF6氣體的純度:這也是通過氣相色譜試驗測定的,國標要求新氣的純度不得小于99.8%(體積比);
4.酸度:這個試驗先要用堿液將SF6氣體中的酸性成分吸收出來,再用滴定法測定其中的鹽的含量,從而推算出SF6氣體中含有多少酸性物質,國標要求新氣中的酸度不得大于0.3ppm(質量比);
5.可水解氟化物:因為可水解氟化物水解后能夠生成酸性物質,所以其測定方法同酸度的測定方法相同,只是所用的堿液不同,國標要求新氣中的可水解氟化物含量不得大于1.0ppm(質量比);
6.礦物油含量:這個試驗先要用CCl4將SF6氣體中的礦物油成分吸收出來,再用2930㎝-1波長的紅外線進行定波長紅外光譜分析,就能測出其中的礦物油的含量;
7.水分含量:這個試驗比較重要,不僅新氣要做,而且充到SF6斷路器以后還要進行,他的實驗方法主要有三種:
(1)電解法:在一個容器中放入兩個用鉑金絲制成的電極,再在容器中加入濃磷酸,先將濃磷酸電解,生成P2O5,它有很強的吸水性,再將SF6通入其中,P2O5就將氣體中的水吸收出來,生成少量磷酸,再測量其中磷酸的含量,就可以得到SF6中的含水量了;
(2)阻容法:就是把一張鋁箔的一面氧化,使之生成一層致密的Al2O3膜,再在膜上加一層鋁箔,這就組成了一個電容,當SF6氣體流過其間時,Al2O3膜會吸收氣體中的水分,從而改變自身的介電常數,使這個電容的電容量發生微小的變化,通過測量這個變化量,就可以得到SF6中的含水量了;
??? (3)露點法:就是有一個金屬的表面非常光潔的露鏡,它的背面有一個能夠制冷的裝置,測試時制冷裝置工作,給露鏡降溫,同時SF6氣體流過露鏡的鏡面,當露鏡的溫度下降到一定程度時,SF6氣體中的水分就會在露鏡上開始凝露,這個溫度就叫做露點,SF6氣體中含的水分越多,它的露點就越高,這樣就可以測出SF6氣體的含水量了。
國家標準規定:新的SF6氣體中水分的含量不得大于10ppm(質量比);而對于新安裝的SF6斷路器中的水分含量,則要求不大于150ppm(體積比),對于運行中的SF6斷路器,則要求不大于300ppm(體積比);對于GIS,還有一個特殊的地方,就在于GIS中的某些氣室是沒有電弧的,如母線、CT、PT、避雷器等氣室,對于沒有電弧的氣室中的SF6氣體的水分含量,國標要求交接時不大于250ppm(體積比),運行時不大于500ppm(體積比),而對于有電弧的氣室,則按照斷路器的標準要求。
在這里順便介紹一下SF6氣體含水量的體積比和質量比的關系:
對于相同體積的氣體來說,它所含有的氣體分子的數目是相同的,也就是說,氣體的體積比就等于氣體的分子數之比,而氣體的質量又等于氣體分子的數量乘以它的分子量,因此,我們得到了下面的計算公式: 來源:http://www.hvsi.cn
所以,R(V/V)=8.11R(M/M)
8.毒性試驗:國標要求毒性試驗要用小白鼠來進行,先將SF6氣體和氧氣按照空氣中N2和氧氣的比例混合,比例大約是4比1,也就是說用SF6氣體取代空氣中的N2,將小白鼠放置在裝有SF6氣體和氧氣混合氣的容器中一段時間,再將小白鼠去處,進行解體,檢查其中毒情況,從而確定SF6氣體的毒性。
目前我們都不做這項試驗,但是不要誤解不做的意義,這不是說不做這個試驗就是說SF6氣體完全沒有毒,而是要嚴格管理,按照有毒來對待。
9.密度試驗:SF6氣體的密度是6.25㎏/m3,當然這是在一個大氣壓下,20℃時。
7.SF6斷路器的現場檢查試驗:
SF6斷路器在安裝完成后也要進行一系列的檢查試驗,除了常規的試驗項目外,對于SF6斷路器還要進行氣體中水分含量的測定和SF6氣體年漏氣率的測定。
1.SF6氣體中水分含量的測定方法同SF6氣體全分析時測定水分含量的方法相同,在這里就不再介紹了。
2.SF6氣體年漏氣率的測定方法主要有兩種,一種是扣罩法,一種是局部包扎法;扣罩法就是將整個的SF6斷路器都罩在其中,罩子中的容積是已知的,測定扣罩24小時后罩子中的SF6氣體的濃度,就可以計算出24小時內SF6斷路器泄漏出的SF6氣體的量,將這個量乘以365,再除以SF6斷路器中所充的SF6氣體的重量,就得到了SF6氣體的年漏氣率。
??? 這種測量方法是最準確的,但是它受到了多方面的限制,現在SF6斷路器的體積都比較大,尤其是高壓和超高壓的落地罐式斷路器的體積就更大,這樣要把它完全罩起來,罩子也就要大得多,再者,SF6斷路器的體積測量也是一個難題;而且在現場還有引線布置等許多原因要考慮,所以現在很少用這種方法。
局部包扎法就是將SF6斷路器的每一個密封面都用塑料布包扎起來,在24小時后測量每個包扎部位的SF6氣體濃度,再用近似的方法算出SF6氣體的年漏氣率,甚至有些廠子只要求定性測量那些密封面是否漏氣就可以了;這種測量方法是很不準確的,在實際中沒有太大的意義,但是因為方法簡單,容易實現,所以現在基本上都采用這種方法。
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