六氟化硫斷路器-西安交大高壓電器-課件-圖文

六氟化硫斷路器電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)一、六氟化硫氣體特性與滅弧原理1.六氟化硫氣體的基本特性SF6是目前高壓電器中使用的最優(yōu)良的滅弧和絕緣介質(zhì)。它無色、無味、無毒，不會燃燒，化學(xué)性能穩(wěn)定，常溫下與其它材料不會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)SF6

由鹵族元素中最活潑的

氟原子與硫原子結(jié)合而成。

分子結(jié)構(gòu)是個完全對稱的八面體，硫原子居中，六個角上是氟原子，氟與硫原子間以共價鍵聯(lián)結(jié)，

SF6

分子量為146,約是空氣分

子量的5.1倍，因此同樣體

積的SF6氣體比空氣重得多。迄今為止，工業(yè)上普遍采用的制造方法是將單質(zhì)硫和過量氣態(tài)氟直接化合。電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)·

理想氣體的狀態(tài)參數(shù)間存在著簡單的關(guān)系，即理想氣體的狀態(tài)方程P=

Y

RT·SF6

氣體的分子質(zhì)量大，分子間的相互作用顯著。當氣體壓力高于0.3MPa時，分子間的吸引力隨氣

體密度的增大、分子間距離的減小而加強，氣體

的壓力變化特性不再符合式理想氣體的狀態(tài)方程。

要準確地計算SF6氣體狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系，可采

用比較實用的Beattie—Bridgman

公式。

電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)(1)六氟化硫氣體的狀態(tài)參數(shù)·

靜止氣體可以用三個參數(shù)來說明氣體所處的狀態(tài)，稱為三個狀態(tài)參數(shù)，即壓力P、

密度y

和溫度T。SF6

氣體的臨界溫度高。臨界溫度表示氣體可以

被液化的最高溫度，臨

界壓力則表示在臨界溫

度下使氣體液化所需的

壓力。

SF6

氣體的臨界溫度高達45.6°C,

說明常

溫下只要SF6

氣體壓力足

夠高就會液化。SF6

氣體能否液化決定于其飽和蒸汽壓力。當

氣體壓力高于其飽和蒸

汽壓力時，氣體就液化。電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)(2)六氟化硫氣體的導(dǎo)熱率SF6導(dǎo)熱性能不如空氣，其熱導(dǎo)率比空氣低，在常

溫下比空氣低30%。但由于其粘度較低和密度較高，且

分子量大，熱容量就大，再考慮到對流效應(yīng)，總的熱傳

輸特性比空氣要好2—5倍。電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)(3)六氟化硫氣體的一般化學(xué)性能HF

AlF3

CuF?WF?

SF

4

CF

4WOF,

HF

SO?FySiE?H?O其它氣體二次反應(yīng)(>1s)Si其它氣體一

次反應(yīng)

(<1s)聚四氟乙烯絕緣材料C?Hy

Al石墨外殼觸頭人

CuSF?—CF2一W電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)六氟化硫氣體及其分解物的毒性問題女純凈的SF6

氣體一般公認是無毒的。

SF6

在生產(chǎn)過程中會有少量伴隨的生成物，其中S?F?o是公認的劇毒氣體，

但經(jīng)過凈化處理可以完全將它除凈。必純凈的SF6

氣體雖然無毒，但在工作場所要防止SF6

氣

體的濃度上升到缺氧的水平?！?/p>

SF6

氣體的密度大約是空氣的五倍、

SF6

氣體如有泄漏必將沉積于低洼處，如電纜溝中。濃度過大會出現(xiàn)使

人窒息的危險，設(shè)計戶內(nèi)通風(fēng)裝置時要考慮到這一情

況?！頢F6

氣體通過對流能與空氣混合，但速度很慢。氣體一

旦混合后就形成SF6

和空氣的混合氣體，不會再次分離。問題嚴重的是，電弧作用下SF6

的分解物如SF?

,S?F?

,SF?

,SOF?

,SO?F?

,SOF?

和HF

等，它們都有強烈的腐蝕性和毒性。1)SF?(四氟化硫)常溫下SF4為無色的氣體，有類似SO?

的刺鼻氣味，在空

氣中能與水分生成煙霧，產(chǎn)生SOF?

和HF。SF?

氣體可用堿

液或活性氧化鋁(Al?O?)

吸收。

SF?

氣體對肺有侵害作用，影響呼吸系統(tǒng)，其毒性與光氣相當。2)S?F?(氟化硫)常溫下為無色氣體，有毒，有刺鼻氣味，遇水分能完全

水解形成S,SO?

和HF。S?F?

對呼吸系統(tǒng)有類似光氣的破壞

作用。3)SF?(二氟化硫)SF?

的化學(xué)性能極不穩(wěn)定，受熱后性能更加活潑，易水解

成S,SO?

和HF。SF?

氣體可用堿液或活性氧化鋁吸收。4)SOF?

(氟化亞硫酰)SOF?

為無色氣體，有臭雞蛋味，化學(xué)性能穩(wěn)定。它與水

分反應(yīng)緩促，并能快速地為活性氧化鋁或活性炭吸附。SOF?

為劇毒氣體.可造成嚴重的肺水腫，使動物窒息死亡。電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)5)SO?F?

(二氟化硫酰)SO?F?

為無色無臭氣體，化學(xué)性能極為穩(wěn)定，加熱到

150°C

時也不會與水和金屬反應(yīng)。

SO?F?

不易被活性氧

化鋁吸收，但可被KOH

和NH?OH

緩慢吸收。

SO?F?

是一

種能導(dǎo)致痙孿的有毒氣體。它的危險性在于無刺鼻性嗅

味且不會對服鼻粘膜造成刺激作用，故發(fā)現(xiàn)中毒后往往

會迅速死亡。6)SOF4(四氟亞硫酰)SOF?

為無色氣體，有刺鼻性氣味，能被堿液吸收，與水反應(yīng)會生成SO?F2。SOF4

是有害氣體，對肺部有侵

害作用。7)HF(氫氟酸)HF

是酸中腐蝕性最強的物質(zhì)。對皮膚、粘膜有強烈刺

激作用，并可引起肺水腫和肺炎等。電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)(4)六氟化硫氣體的電負性氣體原子或分子能夠吸附自由電子而形成負離子

的性能稱為電負性。

SF6

具有強電負性。電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)2.

六氟化硫氣體的滅弧性能與滅弧原理(1)SF6

氣體的分解溫度(2000K)

比空氣(主要是氮氣，分解溫度約7000K)

低，而需要的分解能

(22.4eV)比空氣(9.7eV)

高，因此在分解時吸收的能量多，對弧柱的冷卻作用強。由于氣體分子的分解，在相應(yīng)的分解溫度上就出現(xiàn)氣體導(dǎo)熱率的高峰。溫度/K熱

導(dǎo)

率

/

W

c

m

-

I

K

-

電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)(2)SF6

在高溫時分解出S原子、

F

原子和正負離子，與其他滅弧介質(zhì)相比，有較大的游離度。在維持相同

游離度時，弧柱溫度就較低。因此，

SF6

氣體中電弧

電壓也較低，燃弧時的電弧能量較小，對滅弧有利。幾種氣體中電弧的伏安特性I

/A(3)由于SF6

的強電負性，能吸附電子和正離子復(fù)合，故復(fù)合作用快，去游離作用強。尤其在電

流過零前后，可使弧隙中帶電粒子減少，導(dǎo)電率

下降。

SF6

氣體電弧的時間常數(shù)也很小，為微秒

級或更小，在電弧電流過零后，弧柱溫度將急劇

下降，分解物急劇復(fù)合。因此SF6

弧隙的介質(zhì)強

度及其恢復(fù)速度都很高，能耐受很高的恢復(fù)電壓

作用，電弧在電流過零后不易重燃。電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)擊穿強度(相對單位)電流過零后時間/ms圖10.16

六氟化硫和空氣中介質(zhì)恢復(fù)曲線1—冷態(tài)SF

氣體介質(zhì)強度；2—冷態(tài)空氣介質(zhì)強度；圖10.

15

六氟化硫、空氣及它們的混合氣體中電弧時間常數(shù)和氣壓的關(guān)系電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)電

弧

時

間

常

數(shù)

/

s氣體壓力/MPa電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)六氟化硫氣體的滅弧原理六氟化硫氣體中電弧的熄滅原理與空氣電弧和油中電弧是不同的，它并不僅依

靠氣流等的壓力梯度所形成的等熵冷卻作

用，而主要是利用六氟化硫氣體的特異的

熱化學(xué)性質(zhì)和強電負性，使得六氟化硫氣

體具有很強的滅弧能力。。對于滅弧來說，供給大量新鮮的六氟化硫中性分子并使之

與電弧接觸是有效地方法。3

.六氟化硫氣體的絕緣特性(1)六氟化硫氣體具有很強的電負性(2)六氟化硫氣體分子直徑大，電子在六氟化硫氣體中的平均自由行程短，不易

積累足夠的動能，碰撞電離的可能性減

小。電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)二、

六氟化硫斷路器的滅弧裝置六氟化硫斷路器的優(yōu)點：■

可以提高單斷口的額定電壓和開斷電流切小電感電流時較少發(fā)生截流現(xiàn)象；切

空載架空線時不會發(fā)生多次重擊穿；能

承受快速上升的瞬態(tài)恢復(fù)電壓，尤適于

開斷近區(qū)故障滿容量開斷次數(shù)多，檢修周期長可集合成GIS電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)按所利用能源的不同，將SF6

滅弧裝置分為三類：外能式滅弧裝置：利用運行貯存的高壓力SF6氣體或開

斷過程中依靠操作力產(chǎn)生SF6的壓力差，在開斷時將SF6氣體吹向電弧而使之熄滅?！?/p>

自能式滅弧裝置：利用電弧本身的能量使SF6氣體受熱

膨脹而產(chǎn)生壓力差，在開斷時將SF6氣體吹向電弧而使

之熄滅。或者利用開斷電流本身依靠線圈形成垂直于

電弧的磁場，使電弧在SF6氣體中旋轉(zhuǎn)運動而使之熄滅?！?/p>

混合式滅弧裝置：既利用電弧(或開斷電流)自身的

能量，也利用部分外界能量的綜合式滅弧裝置按開斷過程中，滅弧裝置工作特點的不同，將SF6滅弧裝置分為：氣吹式，熱膨脹式，磁吹旋轉(zhuǎn)電弧式，混合式1.

氣吹式SF6

斷路器滅弧裝置(

1

)

雙

壓

力

式SF6

斷

路

器最

早的

SF6

斷路器是根據(jù)壓縮空氣斷路器的氣吹

滅弧原理設(shè)計的。通常設(shè)計采用全密封結(jié)構(gòu)，0.3MPa

(表壓力)的低壓氣體作為斷路器內(nèi)部

的絕緣介質(zhì)，

1.5

MPa

(表壓力)的高壓氣體

用作滅弧。由于這種斷路器內(nèi)部有兩種不同的壓力，故稱

為雙壓力式SF6

斷路器，又稱為第一代SF6

斷路

器。在60

年代，它被譽為開斷電流最大、工作

性能最好的斷路器，大有取代當時壓縮空氣斷

路器的趨勢。電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)雙壓式

SF?

斷路器1——高壓中間貯氣罐；2——

吹氣閥；3——動觸頭；4——滅弧室；5-—脫扣彈簧；6——絕緣拉桿；7——高壓力連接管；8——高壓貯氣罐；9——壓縮機；10——Al?O?

吸附劑；11——氣動機構(gòu)；12——氣動機構(gòu)氣罐；13——低壓氣體區(qū)；14——噴嘴；15——管道；16——

吹氣閥電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)(b)(a)16(2)單壓力式SF6

斷路器■

雙壓力式SF6斷路器工作性能雖然良好.但必須配置一

臺在密封循環(huán)中工作的氣體壓縮機，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格

昂貴。另外，1.5MPa

(表壓力)高壓SF6

氣體的液化

溫度高，工作溫度必須保持在8°C

以上，低溫環(huán)境下

需要加熱才能工作，這也是一個致命的弱點。因此很

快被第二代SF6

斷路器，即單壓力(壓氣)式SF6

斷路

器所取代。單壓力(壓氣)式

SF6斷路器，外形上與雙壓式無多大差別。斷路器內(nèi)部只有一種壓力，

一般為0.6

MPa(表壓

力),它是依靠壓氣作用實現(xiàn)氣吹來滅弧的。電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)壓氣式

SF?

斷路器開斷過程示意圖1

——

靜主觸頭；2——

靜弧觸頭；3——

動弧觸頭；4——

動主觸頭；5——壓氣缸；6——活塞；7——操作桿；8——

噴嘴；9——壓氣室電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)(b)

觸頭分離(d)

分閘位置(c)

氣吹電弧(a)

合閘位置壓氣式滅弧室的開斷過程分為兩個階段：(1)預(yù)壓縮階段為使觸頭分離產(chǎn)生電弧時就能實行有效的氣吹，壓氣滅

弧室應(yīng)先進行一段預(yù)壓縮過程，使壓氣室中的氣體壓力

提高后再打開噴口產(chǎn)生吹弧作用。壓氣滅弧室要求有較

大的預(yù)壓縮行程(超行程),達到全行程的40%。壓氣式

SF6斷路器的分閘時間比其它斷路器要長些。(2)氣吹階段要保證電弧可靠熄滅，在氣吹階段中，要壓氣室中的氣

體壓力仍保持較高的比值。這就要求壓氣室體積的壓縮

率足夠高，足以補償噴口流出氣體引起的壓力下降。電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)2-變熄弧距滅弧方式：觸頭開距在整個分閘過程中是不斷改變的。優(yōu)點是開距大，斷口電壓可以做得較高，熄弧后介質(zhì)強度恢復(fù)速度較快，噴口形狀不受限制，可以設(shè)計得比較合理，有利于改善吹弧效果。電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)定熄弧距滅弧方式：兩個靜觸頭式中保持固定的開距，氣流向靜觸頭噴口處對電弧進行雙向?qū)ΨQ縱吹。優(yōu)點是觸頭開距小，行程短，電弧能量小，熄弧能力強，燃弧時間短。(c)2.自能式SF6

斷路器自

能式

SF6

斷路器是在壓氣式基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，又稱第三代SF6

斷路器。用電弧

能量建立滅弧所需要的壓力差。自

能式

SF6

斷路器的開斷能力與電弧能量有關(guān)?？刹捎脧椈刹賱訖C構(gòu)電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)自能式氣自吹

SF?

斷路器工作示意圖1——弧靜觸頭；2-—絕緣噴口；3

主靜觸頭；4

弧動觸頭；5

主動觸頭；6——貯氣室；7——滑動觸頭；8——

閥門；9——輔助貯氣室；10

固定活塞；11——

閥門電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)(b)

開斷大電流(c)

開斷小電流(d)

分閘位置(a)

合閘位置電力開關(guān)設(shè)備及應(yīng)用(高壓電器部分)s/mm△p/barI/KAt/ms3.旋弧式SF6

斷路哭旋

弧

式