SF6氣體的絕緣和滅弧性能

1、SF6氣體的絕緣和滅弧性能一、 絕緣性能21 SF6氣體的物理化學性能21.1 SF6氣體的密度21.2 SF6氣體具有“負電性”21.3 SF6氣體的電弧溫度21.4 SF6氣體能增加地球的溫室效應21.5 SF6氣體的臨界溫度21.6 SF6氣體在電弧作用下分解22 SF6氣體的絕緣性能32.1均勻電場、極不均勻電場和稍不均勻電場的說明32.2 SF6氣體間隙的絕緣特性32.3 SF6氣體中絕緣件的沿面放電特性5二、 滅弧性能6一、 絕緣性能1 SF6氣體的物理化學性能1.1 SF6氣體的密度是6.07kg/m3(200C，0.1Mpa時)，空氣是1.19。SF6比空氣重得多，因此戶內GI

2、S站內漏泄出來的SF6氣體會沉積在室內的低處，排風機應設臵在地面上方1m處為宜。1.2 SF6氣體具有“負電性”，即具有很強的電子吸附能力，它比空氣的負電性高幾十倍，因此SF6氣體具有很優(yōu)良的絕緣性能。1.3 SF6氣體的電弧溫度達到2000-3000K時就急劇分解成F和S的單原子，在分解時要從電弧吸取大量的熱能，即具有“高導熱性”，因此SF6氣體具有很優(yōu)良的滅弧性能。1.4 SF6氣體能增加地球的溫室效應，是一種不環(huán)保的氣體。在中壓開關領域，采用N2氣體作為絕緣介質，用真空滅弧室開斷電弧，稱之為綠色環(huán)保產品。在高壓開關領域，還沒有找到一種能替代SF6的絕緣和滅弧介質,但可以使用SF6/ N2

3、混合氣體，以減少SF6的使用量。1.5 SF6氣體的臨界溫度是45.6C,臨界壓力是3.77Mpa，因此在常溫下壓縮SF6氣體就可以將SF6從氣態(tài)轉化成液態(tài)（回收裝臵的原理）。1.6 SF6氣體在電弧作用下分解成S和F的單原子，正負離子和電子，其大部分很快（10-5S之內）復合再生成SF6，只有少數與金屬蒸汽、噴嘴材料的蒸汽和可能被電弧灼傷的滅弧室絕緣件的蒸汽發(fā)生化學反應，危險最大的是與水分子的化學反應，產生氫氟酸（HF），它對絕緣材料和金屬材料都能產生腐蝕作用，尤其是能嚴重腐蝕含硅（Si）絕緣件。因此在GIS能產生電弧的氣隔中不能使用含硅的盤式絕緣子，其填料用Al2O3。同時，要嚴格控制氣隔

4、內的水分含量在150PPm以內（體積比，即水分的壓力與SF6氣體的壓力的比值，PPm是10-6）。此處，SF6氣體的分解物是有毒的，檢修人員必須有很好的防護措施。2 SF6氣體的絕緣性能GIS中用SF6氣體作為絕緣介質，主要絕緣結構有SF6氣體間隙的絕緣和SF6中絕緣件的沿面放電兩種。2.1均勻電場、極不均勻電場和稍不均勻電場的說明均勻電場：平行平板間的電場，同軸圓柱體之間的電場和同心球體之間的電場等等（在GIS中難以絕對做到）。極不均勻電場：針對針或針對平板之間的電場（在GIS中應極力避免）。 稍不均勻電場：介于上述兩者之間的電場。對具體的絕緣結構可用ANSYS軟件進行有限元法計算。一般來講

5、，處于高電位處，等電位突變處和絕緣介質的介電系數突變處等部位的電位梯度高。放電是從高電位梯度處首先開始的，然后再繼續(xù)發(fā)展。2.2 SF6氣體間隙的絕緣特性(1)最重要的影響因素是電場的均勻性，即電位梯度的最大值越小越好。SF6氣體在均勻電場中的絕緣性能十分優(yōu)良，SF6間隙的擊穿場強大約是相同空氣間隙的三倍。但隨電場的不均勻性增大，其絕緣性能急劇下降。在極不均勻電場中，SF6間隙的擊穿放電電壓甚至低于空氣間隙的擊穿放電電壓。例如：戶外高壓隔離開關，隨著電壓的升高，首先出現(xiàn)電暈放電（此時沒有發(fā)生擊穿放電），電壓再升高后才發(fā)生擊穿放電。但在SF6間隙中，電暈起始電壓與擊穿放電電壓很接近。在結構設計中

6、必須避免尖角毛刺，采用圓弧表面、屏蔽罩等措施來獲得比較均勻的電場。圓弧表面越小，電場的不均勻性越高，SF6間隙的放電電壓降低。所以，圓弧表面應盡量大一點。(2)足夠的絕緣距離是必要的（對我們的GIS，至少需要50mm），但不是絕緣距離越大，絕緣能力就越高，兩者之間的關系曲線類似于飽和曲線。在增大絕緣距離的同時還要保持電場的均勻性。(3)足夠的SF6氣體工作壓力（密度）是必要的（我們的GIS規(guī)定額定SF6氣壓為0.6Mpa,但在最低工作壓力0.5Mpa時仍能保持規(guī)定的絕緣和開斷能力），但SF6氣體壓力也不與SF6間隙的絕緣能力成正比關系。(4)零件表面的粗糙度的影響零件的表面是凹凸不平的，凸出部

7、分場強集中，擊穿放電電壓降低。而凹陷的部分必然導致其周圍的凸出。SF6電器電極表面粗糙度的最低要求：帶電體表面Ra6.3m地電位殼體內表面Ra50m常用加工方式能達到的粗糙度水平：精車(銑、鏜) Ra=3.2m普通車(銑、鏜) Ra=6.3m鑄件電極外表面、殼體內表面打磨砂光 Ra=6.350m鋼板殼體內表面噴丸 Ra=50mSF6電器零部件在制造裝配過程中不允許有碰撞、劃傷。(5)導電微粒對SF6絕緣的影響導電微粒附著在電極表面的現(xiàn)象是普遍存在的，經常發(fā)生的。如切削加工后的削末未擦干凈，砂光后的電極表面殘留的金屬粉末未擦干凈，運行中的產品在分合操作若干次后磨損脫落的金屬粉末等，都會在電極表面

8、形成突出的細小的放電尖端，這相當于增大電極表面粗糙度，勢必降低擊穿電壓，同時增大局放。2.3 SF6氣體中絕緣件的沿面放電特性SF6氣體中的絕緣件包括盤式（或盆式）絕緣子，支撐用的絕緣子和絕緣筒，絕緣操作桿等。由于環(huán)氧樹脂和真空浸漬管的絕緣強度高，從它們的內部擊穿的可能性不大，因此它們的放電主要是沿面放電。它們的沿面電場分布情況是決定它們的絕緣水平的主要因素。附圖（1）是用ANSYS軟件計算的我們的盤式絕緣子的電場分布，供參考。影響絕緣件的沿面放電特性的其他因素有：(1)嵌件間隙的影響在絕緣子的澆注過程中，空氣或SF6進入嵌件間隙，由于空氣、SF6氣體的介電常數比環(huán)氧樹脂的介電常數小，導致氣隙

9、中的電場強度增高，降低了電暈起始電壓，隨著電暈的發(fā)展，閃絡電壓也下降。消除氣隙的措施是在嵌件外表面涂一層半導體的液壓橡膠，利用其彈性來避免在接觸處因熱脹冷縮而出現(xiàn)空穴。(2)絕緣件表面澆注質量的影響，表面污染及水分的影響等，上文已經提及，這里不再多說。二、 滅弧性能在正常的狀況下SF6氣體分子是不導電的，所以在常溫下SF6氣體是良好的絕緣介質。但是，當動靜觸頭逐漸分離時就要產生電弧，電弧使SF6氣體的溫度升高。當SF6氣體的溫度升高到幾千度時，SF6氣體的分子大量產生游離，分解成正離子和負電子，這些帶電的粒子在電極間（觸頭間）電場的作用下產生定向運動，因而造成氣體導電現(xiàn)象。離子電流和電子電流合

10、起來就是放電（電弧）電流。此時的SF6氣體就成導體了。SF6氣體在1000K以下幾乎沒有分解，在2000K時開始分解成SF4,SF2以及正離子S+和負離子F-。其中負離子F-就是氟元素的負電性。一旦弧柱的溫度冷卻，S+和F-還會復合成SF6，使得弧柱的電導率下降，形成弧隙的介質恢復強度。這個復合過程進行的很快，即“時間常數”很小。電弧的燃燒和熄滅過程首是一個輸入能量和散熱能量的能量競爭過程。輸入能量是外界的電力線路施加到弧隙中的能量，散熱能量是電弧在滅弧室中散發(fā)的能量。當輸入能量大于散熱能量時，電弧燃燒，當散熱能量大于輸入能量時，電弧弧柱中的溫度下降，上述正離子S+和負離子F-才會復合還原成SF6。但電弧的最終熄滅還是取決于弧隙的介質恢復強度和斷口間的暫態(tài)恢復電壓兩者之間的競爭過程。如果弧隙的介質恢復強度大于斷口間的暫態(tài)恢復電壓，則電弧最終熄滅；如果斷口間的暫態(tài)恢復電壓大于弧隙的介質恢復強度，則在電流過零點后電弧復燃。電弧的散熱方式有下列三種：（1）對流散熱：這是最主要的散熱方式。當斷路器分閘時，熱膨脹室和輔助壓氣室中的高壓力的SF6氣體經噴口吹拂弧柱，從而帶走電弧中的能量。（2）傳導散熱：由于弧柱的溫度很高（2000-3000K），弧柱的高溫向周圍的區(qū)域傳導散熱。這也是重要的散熱方式。（3）輻射散熱：