六氟化硫斷路器-西安交大高壓電器

1、電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）六氟化硫斷路器六氟化硫斷路器電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)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(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒，不會(huì)燃燒，化學(xué)性能穩(wěn)定，常溫下與其它材料不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)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(gè)完全對(duì)稱的八面體，硫原子居中，六個(gè)角上是氟原子，氟與硫原子間以共價(jià)鍵聯(lián)結(jié)，SF6分子量為

2、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(guò)量氣態(tài)氟直接化合。263SFSFQ放熱反應(yīng)電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)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(gè)參數(shù)來(lái)說(shuō)明氣體所處的狀態(tài)，稱為三個(gè)狀態(tài)參數(shù)，即壓力P、密度和溫度T。 理想氣體的狀態(tài)參數(shù)間存在著簡(jiǎn)單的關(guān)系，即理想氣體的狀態(tài)方程P= RT SF6氣體的分子質(zhì)量大，分子間的相互作用顯著。當(dāng)氣體壓力高于0.3MPa時(shí)，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(qiáng)，氣體的壓力變化特性不再符合式理想氣體的狀態(tài)方程。

3、要準(zhǔn)確地計(jì)算SF6氣體狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系，可采用比較實(shí)用的BeattieBridgman公式。電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分） 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(dá)45.6C，說(shuō)明常溫下只要SF6氣體壓力足夠高就會(huì)液化。 SF6氣體能否液化決定于其飽和蒸汽壓力。當(dāng)氣體壓力高于其飽和蒸汽壓力時(shí)，氣體就液化。電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)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

4、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(duì)流效應(yīng)，總的熱傳輸特性比空氣要好25倍。電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)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)性能電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)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(wèn)題v純凈的SF6氣體一般公認(rèn)是無(wú)毒的。 SF6在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)有少量伴隨的生成物，其中S2F10是公認(rèn)的劇毒氣體，但經(jīng)過(guò)凈化處理可以完全將它除凈。v純凈的SF6氣體雖然無(wú)毒，但在工作場(chǎng)所要防止SF6氣體的濃度上升到缺氧的水平。v 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

5、纜溝中。濃度過(guò)大會(huì)出現(xiàn)使人窒息的危險(xiǎn)，設(shè)計(jì)戶內(nèi)通風(fēng)裝置時(shí)要考慮到這一情況。vSF6氣體通過(guò)對(duì)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(huì)再次分離。v問(wèn)題嚴(yán)重的是，電弧作用下SF6的分解物如SF4，S2F2，SF2，SOF2，SO2F2，SOF4和HF等，它們都有強(qiáng)烈的腐蝕性和毒性。電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分） 1)SF4(四氟化硫) 常溫下SF4為無(wú)色的氣體，有類(lèi)似SO2的刺鼻氣味，在空氣中能與水分生成煙霧，產(chǎn)生SOF2和HF。 SF4氣體可用堿液或活性氧化鋁(A12O3)吸收。 SF4氣體對(duì)肺有侵害作用，影響呼吸系統(tǒng)，其

6、毒性與光氣相當(dāng)。 2)S2F2(氟化硫) 常溫下為無(wú)色氣體，有毒，有刺鼻氣味，遇水分能完全水解形成S，SO2和HF。 S2F2對(duì)呼吸系統(tǒng)有類(lèi)似光氣的破壞作用。 3)SF2(二氟化硫) SF2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，SO2和HF 。 SF2氣體可用堿液或活性氧化鋁吸收。 4)SOF2(氟化亞硫酰) SOF2為無(wú)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。 SOF2為劇毒氣體可造成嚴(yán)重的肺水腫，使動(dòng)物窒息死亡。電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）5) SO2F2 (二氟化硫酰) SO2F2為無(wú)色

7、無(wú)臭氣體，化學(xué)性能極為穩(wěn)定，加熱到150 C時(shí)也不會(huì)與水和金屬反應(yīng)。SO2F2不易被活性氧化鋁吸收，但可被KOH和NH4OH緩慢吸收。 SO2F2是一種能導(dǎo)致痙孿的有毒氣體。它的危險(xiǎn)性在于無(wú)刺鼻性嗅味且不會(huì)對(duì)服鼻粘膜造成刺激作用，故發(fā)現(xiàn)中毒后往往會(huì)迅速死亡。6)SOF4(四氟亞硫酰) SOF4為無(wú)色氣體，有刺鼻性氣味，能被堿液吸收，與水反應(yīng)會(huì)生成SO2F2 。 SOF4是有害氣體，對(duì)肺部有侵害作用。7)HF(氫氟酸) HF是酸中腐蝕性最強(qiáng)的物質(zhì)。對(duì)皮膚、粘膜有強(qiáng)烈刺激作用，并可引起肺水腫和肺炎等。電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)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(fù)性 氣

8、體原子或分子能夠吸附自由電子而形成負(fù)離子的性能稱為電負(fù)性。 SF6具有強(qiáng)電負(fù)性。電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)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?dú)?，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(shí)吸收的能量多，對(duì)弧柱的冷卻作用強(qiáng)。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。電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）（2）SF6在高溫時(shí)分解出S原子、F原子和正負(fù)離子，與其他滅弧介質(zhì)相比，有較大的游離度。在維持相同

9、游離度時(shí)，弧柱溫度就較低。因此，SF6氣體中電弧電壓也較低，燃弧時(shí)的電弧能量較小，對(duì)滅弧有利。幾種氣體中電弧的伏安特性電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）（3）由于SF6的強(qiáng)電負(fù)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(qiáng)。尤其在電流過(guò)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(shí)間常數(shù)也很小，為微秒級(jí)或更小，在電弧電流過(guò)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(qiáng)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(guò)零后不易重燃。電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)關(guān)設(shè)備

10、及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)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的滅弧原理 六六氟化硫氣體中電弧的熄滅原理與空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(qiáng)電負(fù)性，使得六氟化硫氣熱化學(xué)性質(zhì)和強(qiáng)電負(fù)性，使得六氟化硫氣體具有很強(qiáng)的滅弧能力。對(duì)于滅弧來(lái)說(shuō)，體具有很強(qiáng)的滅弧能力。對(duì)于滅弧來(lái)說(shuō)，供給大量新鮮的六氟化硫中性分子并使之供給大量新鮮的六氟化硫中性分子并使之與

11、電弧接觸是有效地方法。與電弧接觸是有效地方法。電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）3.六氟化硫氣體的絕緣特性（1）六氟化硫氣體具有很強(qiáng)的電負(fù)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(dòng)能，碰撞電離的可能性減小。電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)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(diǎn)：n可以提高單斷口的額定電壓和開(kāi)斷電流n切小電感電流時(shí)較少發(fā)生截流現(xiàn)象；切空載架空線時(shí)不會(huì)發(fā)生多次重?fù)舸荒艹惺芸焖偕仙乃矐B(tài)恢復(fù)電壓，尤適于開(kāi)斷近區(qū)故障n滿容量開(kāi)斷次數(shù)多，檢修周期長(zhǎng)n可集合成GI

12、S電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）按所利用能源的不同，將按所利用能源的不同，將SF6滅弧裝置分為三類(lèi)滅弧裝置分為三類(lèi)：n外能式滅弧裝置：利用運(yùn)行貯存的高壓力SF6氣體或開(kāi)斷過(guò)程中依靠操作力產(chǎn)生SF6的壓力差，在開(kāi)斷時(shí)將SF6氣體吹向電弧而使之熄滅。n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(kāi)斷時(shí)將SF6氣體吹向電弧而使之熄滅。或者利用開(kāi)斷電流本身依靠線圈形成垂直于電弧的磁場(chǎng)，使電弧在SF6氣體中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而使之熄滅。n混合式滅弧裝置：既利用電?。ɑ蜷_(kāi)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(kāi)斷過(guò)程中，滅弧裝置工作特

13、點(diǎn)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，混合式電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）（1）雙壓力式SF6斷路器n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(jì)的。通常設(shè)計(jì)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)， 1.5MPa （表壓力）的高壓氣體用作滅弧。n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(yù)為開(kāi)斷電流最大、工作性能最好的斷路器，大有取代當(dāng)時(shí)壓縮空氣斷路器的趨勢(shì)。1.氣吹式SF6斷路器滅弧裝置電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分

14、）電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）（2）單壓力式SF6斷路器n雙壓力式SF6斷路器工作性能雖然良好但必須配置一臺(tái)在密封循環(huán)中工作的氣體壓縮機(jī)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)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8C以上，低溫環(huán)境下需要加熱才能工作，這也是一個(gè)致命的弱點(diǎn)。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。n單壓力（壓氣）式SF6斷路器，外形上與雙壓式無(wú)多大差別。斷路器內(nèi)部只有一種壓力，一般為0.6MPa(表壓力)，它是依靠壓氣作用實(shí)現(xiàn)氣吹來(lái)滅弧的。電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（

15、高壓電器部分）電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）壓氣式滅弧室的開(kāi)斷過(guò)程分為兩個(gè)階段：（1）預(yù)壓縮階段 為使觸頭分離產(chǎn)生電弧時(shí)就能實(shí)行有效的氣吹，壓氣滅弧室應(yīng)先進(jìn)行一段預(yù)壓縮過(guò)程，使壓氣室中的氣體壓力提高后再打開(kāi)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(dá)到全行程的40。壓氣式SF6斷路器的分閘時(shí)間比其它斷路器要長(zhǎng)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(bǔ)償噴口流出氣體引起的壓力下降。電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電

16、力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）變熄弧距滅弧方式：觸頭開(kāi)距在整個(gè)分閘過(guò)程中是不斷改變的。優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)距大，斷口電壓可以做得較高，熄弧后介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度較快，噴口形狀不受限制，可以設(shè)計(jì)得比較合理，有利于改善吹弧效果。電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)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(gè)靜觸頭式中保持固定的開(kāi)距，氣流向靜觸頭噴口處對(duì)電弧進(jìn)行雙向?qū)ΨQ縱吹。優(yōu)點(diǎn)是觸頭開(kāi)距小，行程短，電弧能量小，熄弧能力強(qiáng)，燃弧時(shí)間短。電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）2.自能式SF6斷路器n自能式SF6斷路器是在壓氣式基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，又稱第三代SF6斷路器。用電弧能

17、量建立滅弧所需要的壓力差。n自能式SF6斷路器的開(kāi)斷能力與電弧能量有關(guān)。n可采用彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）3.旋弧式SF6斷路器n旋弧式SF6斷路器利用SF6氣體中電弧在磁場(chǎng)作用下快速轉(zhuǎn)動(dòng)而使電弧熄滅。電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高壓電器部分）三、SF6斷路器的結(jié)構(gòu)n瓷柱式 開(kāi)斷元件放在絕緣支柱上，使處于高電位的觸頭、導(dǎo)電部分及滅弧室與地電位絕緣，絕緣支柱則安裝在接地的基座上。稱為外殼帶電斷路器，也稱之為絕緣支柱式斷路器。n罐式 開(kāi)斷元件放在接地的箱殼中，其間的絕緣依靠氣體來(lái)承擔(dān)，導(dǎo)電部分經(jīng)套管引入，結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，常在額定電壓高的高壓和超高壓斷路器中使用，抗地震性能好，稱為外殼接地?cái)嗦菲?又稱落地罐式)電力開(kāi)關(guān)設(shè)備及應(yīng)用（高