六氟化硫氣體絕緣論文

1、六氟化硫氣體絕緣專業(yè)：電機(jī)與電器六氟化硫絕緣氣體前言電氣設(shè)備傳統(tǒng)的絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)是絕緣油。電力變壓器幾乎全是采用絕緣油的，這是因?yàn)榻^緣油具有比空氣強(qiáng)度高的多的絕緣特性，其比熱比空氣大一倍，且液態(tài)受熱后具有對流特性，故使它在變壓器內(nèi)既作絕緣介質(zhì)又作冷卻介質(zhì)。油斷路器開斷電流時(shí)，絕緣油被電弧能量所分解，形成以氫氣為主體的高溫氣體，積貯壓力，達(dá)到一定值后形成氣吹，由于氫的導(dǎo)熱率極高，使弧道冷卻去游離，導(dǎo)致電弧在電流過零時(shí)熄滅，同時(shí)使斷口間獲得良好的絕緣恢復(fù)特性，保證了大電流的順利開斷，因此油在斷路器內(nèi)既是良好的絕緣介質(zhì)，又是優(yōu)異的滅弧介質(zhì)。但絕緣油的最大缺點(diǎn)是可燃性，而電氣設(shè)備一旦發(fā)生損壞短路，

2、都有可能出現(xiàn)電弧，電弧高溫可使絕緣油燃燒而形成大火。電力系統(tǒng)因此而形成的火災(zāi)事故是有不少教訓(xùn)的。六氟化硫氣體具有不可燃的持性，并具有良好的絕緣性能和滅弧性能，60年代時(shí)首先被用于斷路器中，接著擴(kuò)大應(yīng)用于變壓器、電纜等各種電氣設(shè)備。SF6氣體絕緣的電氣設(shè)備與充油電氣設(shè)備相比，它具有以下主要特點(diǎn)：(1)不易著火、安全性高。常溫、常壓下的SF6為不燃?xì)怏w，萬一設(shè)備本身出現(xiàn)故障或周圍發(fā)生火災(zāi)時(shí)，SF6不會燃燒，可防止火勢的蔓延。封閉組合電器的帶電部分全部密封在接地的金屬殼內(nèi)，無觸電的危險(xiǎn)，面且不存在因飛來物等外因引起的有關(guān)事故，能確保安全運(yùn)行。(2)使用壽命和檢修周期長。SF6電氣設(shè)備為完全密封結(jié)構(gòu)，

3、外部的空氣、水分和其它雜質(zhì)等不易侵入，一般不會出現(xiàn)內(nèi)部受潮和氣、塵污染等現(xiàn)象，其內(nèi)各部件又為不活潑的SF6所包圍，從而減緩了電氣材料的老化。SF6本身不易變質(zhì)，沉積物和其它污染雜質(zhì)也較少，與充油設(shè)備相比，相對延長了設(shè)備的使用壽命和檢修周期。(3)占地面積小，安裝、操作簡便。全封閉的SF6組合電器設(shè)備，其結(jié)構(gòu)十分緊湊，體積小，使用、安裝的占地面積也小。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一個(gè)采用全封閉組合電器的變電所的占地面積僅為敞開式變電所的20。SF6斷路器和變壓器的安裝、操作比較簡單，其總重量比充油設(shè)備輕得多，運(yùn)行時(shí)的噪聲也較小。(4)性能優(yōu)良、遠(yuǎn)行可靠。SF6的絕緣特性比空氣好，開斷容量大，為優(yōu)良的滅弧介質(zhì)。在相同

4、條件下，其滅孤能力相當(dāng)于空氣的100倍；滅孤后又不產(chǎn)生游離碳之類的炭質(zhì)物，運(yùn)行安全可靠。第一章 SF6氣體的性質(zhì)一 理化性質(zhì)純凈的SF6氣體無色、無味、無毒、不燃燒，屬惰性氣體在0.098a壓力下，相對于空氣的比重為5.19（6.9/1.29），液化溫度為-62。它是由一個(gè)硫原子和六個(gè)氟原子組成。其分子結(jié)構(gòu)由硫原子位于中心，六個(gè)氟原子位于頂端的正八面體。 圖1 結(jié)構(gòu)式 圖2 正八面體示意圖 表1 SF6重要物理性質(zhì) 名稱 數(shù)值升華溫度（0.101325MPa,） 50.8臨界溫度（） 63.8臨界壓力（MPa） 45.6介電常數(shù)（0.101325MPa,25） 1.002熱導(dǎo)率（w/cm,）

5、密 度氣態(tài)（mg/cm3） 6.46液態(tài)（mg/cm3） 1.57固態(tài)（mg/cm3） 2.51 （1）溶解度 溶解水正庚烷異辛烷甲苯四氯化碳三氟三氯乙烷二硫化碳溶解度 104）0.05100.55153.533.9565.54278.69.25 （2）熱穩(wěn)定性 SF6在常溫甚至較高溫度下一般不會發(fā)生自分解反應(yīng)，它的熱分解溫度在500左右。熱分解時(shí)形成的組分十分復(fù)雜，且因溫度不同。 （3）化學(xué)性質(zhì)SF6氣體不溶于水和變壓器油， 在溫度低于800時(shí)仍然為惰性氣體，不燃燒，在熾熱溫度下也不與氫氣、氧氣、鋁、銅以及其它許多物質(zhì)發(fā)生作用，水、酸、堿也不會使它分解。因此，它的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定。二 電氣性

6、能 （1） 絕緣性能：如前所述，SF6分子結(jié)構(gòu)是以一個(gè)硫原子為中六個(gè)氟原子處于各頂端的正八而體，而氟原子又是一個(gè)在各元素中電負(fù)性名列前茅的元素，也就是說它的電子捕獲截面極大，據(jù)有極強(qiáng)的吸附電子的能力。而且個(gè)SF6分子中有六個(gè)氟原子之多，可想而知，它的電負(fù)性是十分可觀的(SF6的電子親和力為 EA3.4ev)。正是出于上述理由，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究工作，證實(shí)了它的確是一種電絕緣性能超群的化合物。1937年法國首先將其作為絕緣介質(zhì)用于高壓絕緣電器設(shè)備中。 實(shí)驗(yàn)表明，在相同的壓力和溫度SF6的絕緣耐力(擊穿強(qiáng)度)為空氣的23倍，在三個(gè)大氣壓下可與常壓下的絕緣油相匹敵。 （2） 滅弧性能： SF6氣體

7、廣泛應(yīng)用于高壓開關(guān)系統(tǒng)的重要原因之就在于其優(yōu)越的滅弧性能。滅弧時(shí)在電弧過零的瞬間，電極間的電子，借助于SF6分子的強(qiáng)電負(fù)性而附著其上。由于SF6分子質(zhì)量為電子質(zhì)量的幾十萬倍，故它移動得很慢，不能獲得使電子再次沖擊的速度從而使電弧熄滅。SF6的滅弧能力約為空氣的100倍，因此特別適用于高電壓大電流的開斷。其優(yōu)越之處如下：1 即使在電弧作用下發(fā)生分解時(shí)它也不會象絕緣油那樣產(chǎn)生能導(dǎo)電的碳原子而是產(chǎn)生出極微量的電能性類似于SF6的含硫低氟化物。2 電弧時(shí)間常數(shù)是反映滅弧速度的一個(gè)重要指標(biāo)。對圓柱體電弧而言，該值與電弧的半徑的平方成比例。即使在靜止?fàn)顟B(tài)下，SF6的電弧時(shí)間常數(shù)也是非常小的，要比空氣等介質(zhì)

8、優(yōu)越兩個(gè)數(shù)量級以上3。正是由于其極小的電弧時(shí)間常數(shù)，以及SF6分子在電弧作用下分解迅速恢復(fù)能力，SF6斷路器發(fā)揮了優(yōu)越的絕緣恢復(fù)特性。 表2 SF6與空氣和絕緣油之間的比較三 SF6氣體的毒性問題純凈的新的SF6氣體無色、無味、無臭、不燃，在常溫下化學(xué)性能穩(wěn)定，屬惰性氣體。但在電力系統(tǒng)，由于SF6氣體主要充當(dāng)絕緣和滅弧介質(zhì)，在斷路器或 GIS 分?jǐn)嗖僮鬟^程中，在點(diǎn)弧作用、電暈、火花放電和局部放電、高溫等因素影響下，SF6氣體會進(jìn)行分解，它的分解物遇到水分后變成腐蝕性電解質(zhì)，尤其是某些高毒性分解物，如SF4 、S2F2 、S2F10 、SOF2 、HF及SO2，它們會刺激皮膚、眼睛、粘膜，如果吸

9、入量大，還會引起頭暈和肺水腫，甚至致人死亡。在密閉空間，由于空氣流通緩慢，分解物在室內(nèi)沉積，不易排出，從而對檢修與巡視人員產(chǎn)生極大的危險(xiǎn)；而且由于SF6裝置室發(fā)生SF6氣體泄漏，極有可能造成惡性事故。第二章 SF6氣體絕緣電氣設(shè)備與檢測一 封閉式氣體絕緣組合電器（GIS）GIS由斷路器、隔離開關(guān)、接地刀閘、互感器、避雷器、母線、連線和出線終端等部件組合而成，全部封閉在SF6金屬外殼中。與傳統(tǒng)的敞開式配電裝置相比，GIS具有下列突出優(yōu)點(diǎn)：大大節(jié)省占地面積和空間體積：額定電壓越高，節(jié)省得越多。運(yùn)行安全可靠：GIS的金屬外殼是接地的，即可防止運(yùn)行人員觸及帶電導(dǎo)體，又可使設(shè)備運(yùn)行不受污穢、雨雪、霧露等

10、不利的環(huán)境條件的影響。有利于環(huán)境保護(hù)，使運(yùn)行人員不受電場和磁場的影響。安裝工作量小、檢修周期長。圖3封閉式氣體絕緣組合電器二 氣體絕緣管道輸電線（GIC） 氣體絕緣管道輸電線亦可稱為氣體絕緣電纜（GIC)，它與充油電纜相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：電容量?。篏IC的電容量大約只有充油電纜的1/4 左右，因此其充電電流小、臨界傳輸距離長。損耗小：常規(guī)充油電纜常因電介質(zhì)損耗較大而難以用于特高壓，而GIC的絕緣主要是氣體介質(zhì)，其介質(zhì)損耗可忽略不計(jì)，已研制成特高壓等級的產(chǎn)品。傳輸容量大：常規(guī)電纜由于制造工藝等方面的原因，其纜芯截面一般不超過2000mm2，而GIC則無此限制，所以GIC的傳輸容量要比充油電纜大，而

11、且電壓等級越高，這一優(yōu)點(diǎn)越明顯。能用于大落差場合。 圖4氣體絕緣管道輸電線三 檢測原理六氟化硫化學(xué)性能穩(wěn)定，在常溫常壓下不會發(fā)生任何反應(yīng)。但在運(yùn)行過程中，當(dāng)存在故障電弧、火花放電、局部放電、過熱故障時(shí)，由于高溫或電子碰撞作用，六氟化硫分子會發(fā)生離解。對六氟化硫電氣設(shè)備進(jìn)行故障診斷，主要依據(jù)之一，是設(shè)備內(nèi)的放電故障類型不同會產(chǎn)生不同成分的六氟化硫分解產(chǎn)物，即特征氣體。因此通過分析設(shè)備內(nèi)六氟化硫分解產(chǎn)物，可以判斷放電故障類型及故障程度。大量研究表明大量研究表明：不管哪種形式的放電，SF6發(fā)生分解后產(chǎn)物的量與放電能量大致成比例關(guān)系，并且當(dāng)處在高能量放電形式(如電弧放電)下時(shí)將產(chǎn)生大量的分解氣體，出現(xiàn)

12、局部放電下很少出現(xiàn)的氣體成分如SF4、CF4等，且產(chǎn)物中SOF2含量較其他形式放電而言要高。因此，目前普遍認(rèn)為通過SO2、SOF2、SO2F2含量比例可分析判斷放電劇烈程度，放電越劇烈，放電能量越大，SO2含量增多，SOF2/ SO2F2體積分?jǐn)?shù)之比增大等；通過H2S組分含量大小可判斷故障的放電能量及故障是否涉及固體絕緣；通過CF4含量可分析判斷固體絕緣情況。表3 各種放電類型下SOF2和SO2F2生成量的比較放電形式放電時(shí)間或操作次數(shù)SO2F2（x10-6）SOF2（x10-6）SO2F2/ SOF2（比值）電暈放電，局部放電（1015pC）260h15350.43火花放電，170kV隔離開

13、關(guān)開斷電容性放電200次400次521971460.050.14245kV斷路器開斷電弧放電31.5kA，5次18.9kA，5次5050339015600.010.03第三章 SF6氣體變壓器一SF6變壓器的結(jié)構(gòu)（1）鐵心結(jié)構(gòu)基本與油浸式變壓器相同，由于SF6氣體的導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)不如絕緣油，所以鐵心的磁密略低于油浸變壓器，對冷卻回路設(shè)計(jì)要求較高。由于SF6氣體的電氣絕緣性能在常壓下低于絕緣油。所以中小型變壓器繞組的絕緣距離稍大，冷卻氣道要大些，鐵心尺寸要比油浸變壓器大些。大型變壓器的鐵心要增加冷卻氣道。（2）繞組繞組型式有圓筒式，回旋式，糾結(jié)式和內(nèi)屏蔽式。導(dǎo)線采用E級，F(xiàn)級或H級絕緣，大型變壓器采

14、用曲折型導(dǎo)向冷卻氣道。繞組要求場強(qiáng)均勻避免尖端效應(yīng)。（3）絕緣在正常大氣壓下SF6氣體的電氣絕緣強(qiáng)度為空氣的2-3倍，隨氣壓的增高，絕緣強(qiáng)度亦成倍增加。為了降低成本，中小型氣體變壓器箱內(nèi)的氣壓，在室溫下，僅為大氣壓的1.2倍左右。高電壓氣體變壓箱內(nèi)的氣壓為大氣壓的2-3倍左右，這時(shí)氣體的絕緣強(qiáng)度可以接近絕緣油的強(qiáng)度，繞組的絕緣距離可縮小，然而面箱殼需加固，以承受較高的氣壓。氣體的沖擊絕緣系數(shù)較低約為1.2-1.4。（4）氣體壓力及監(jiān)視氣體變壓器的正常充氣電壓為137.3kPa，高壓電纜箱及有載調(diào)壓開關(guān)SF6氣體壓力分別為392.3kPa和29.4kPa，氣體變壓器的絕緣在98.1kPa壓力時(shí)也

15、能耐受系統(tǒng)的最高電壓。氣體變壓器上裝有溫度補(bǔ)償壓力開關(guān)，可以根據(jù)用戶要求設(shè)置高、低氣壓的報(bào)警及跳閘壓力。雖然氣體的壓力隨溫度的變化而變化，但由于進(jìn)行了溫度補(bǔ)償，溫度補(bǔ)償開關(guān)壓力指示的氣體壓力為折算到20時(shí)的壓力。（5）氣泵氣泵是氣體變壓器的重要部件，一般當(dāng)主變負(fù)荷率達(dá)到50%以上時(shí)，需將氣泵投入運(yùn)行，以增加散熱效果。因此，氣泵的質(zhì)量好壞將會影響到變壓器的可靠運(yùn)行，在氣體變壓器中大多選用低噪聲，高可靠性能及最低維護(hù)要求的氣泵。（6）有載調(diào)壓開關(guān)所有的氣體變壓器采用的都是真空開關(guān)型有載調(diào)壓開關(guān)，它具有以下特點(diǎn)： 有載調(diào)壓開關(guān)在氣體變壓器本體內(nèi)有獨(dú)立的氣室，其額定SF6氣壓為29.4kPa。 用真空

16、開關(guān)作為切換開關(guān)，不會因切換產(chǎn)生電弧使氣室內(nèi)受污染。 用滾動觸頭代替滑動觸頭，可以減少機(jī)械磨損及降低驅(qū)動力。 使用壽命命長，電壽命可達(dá)20萬次，機(jī)械壽命可達(dá)80萬次，能連續(xù)運(yùn)行30年。氣體絕緣變壓器與普通油浸式變壓器的主要不同之處在于絕緣冷卻介質(zhì)和冷卻機(jī)理不同。對目前生產(chǎn)量最大的自冷式氣體絕緣變壓器來說，絕緣冷卻介質(zhì)是SF6氣體，器身置于充有SF6氣體的箱體中，鐵心和繞組中因損耗散發(fā)出來的熱量靠SF6氣體的自然對流和輻射作用通過冷卻器和箱壁散發(fā)到周圍介質(zhì)中。要改善變壓器內(nèi)部的散熱情況有兩條途經(jīng)，一是加大SF6氣體的熱浮力，二是減少SF6氣體循環(huán)的總的流動阻力。由于SF6氣體中繞組表面的散熱系數(shù)

17、比變壓器油中的散熱系數(shù)小一個(gè)數(shù)量級，因此自冷式氣體絕緣變壓器的容量不可能很大，一般最大不超過5000kVA。 對強(qiáng)氣循環(huán)氣體絕緣變壓器，為促進(jìn)SF6氣體在箱體內(nèi)流動，采用軸流式或側(cè)流式氣體循環(huán)風(fēng)機(jī)來增加氣體流速，提高對流系數(shù)。為獲得更好的散熱效果，對容量超過20MVA的強(qiáng)氣循環(huán)變壓器，可采用風(fēng)冷卻器強(qiáng)制空氣冷卻。 對蒸發(fā)冷卻氣體絕緣變壓器，冷卻機(jī)理和普通的氣體絕緣變壓器有很大區(qū)別。它采用了C8F16O等液一氣兩相絕緣材料。這種材料的沸點(diǎn)接近變壓器器身的運(yùn)行溫度，氣化熱大，常溫下一般為液態(tài)，但當(dāng)溫度升高到變壓器器身的運(yùn)行溫度時(shí)，該材料便氣化，在氣化過程中可以從器身吸收大量氣化熱，具有非常好的冷卻

18、變壓器器身的效果。這種變壓器可分為浸體式、隔離式和噴別式。后兩種冷卻能力很大，可用于超大容量領(lǐng)域，具有很大的發(fā)展前景。圖5加風(fēng)扇的強(qiáng)迫空氣冷卻氣體變壓器隔離式變壓器的冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)產(chǎn)品有很大區(qū)別。絕緣介質(zhì)仍采用SF6氣體，而冷卻主要靠液氣兩相材料。為加強(qiáng)冷卻效果，在其器身內(nèi)部設(shè)置專門的冷卻管道，構(gòu)成獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)與冷卻器相通。兩相冷卻液首先在器身內(nèi)的冷卻管道中吸收器身釋放出的熱量而氣化，氣化后的蒸氣從冷卻管道經(jīng)絕緣管進(jìn)入冷卻器，并將熱量散發(fā)到大氣中。美國提出的所謂新概念氣體絕緣變壓器正是采用了這一結(jié)構(gòu)。圖6隔離式GIT內(nèi)部構(gòu)造噴射式GIT的冷卻系統(tǒng)比較復(fù)雜,一般由循環(huán)泵、儲液器、噴射裝置、風(fēng)機(jī)、冷卻液管路和冷卻器等部件組成。循環(huán)泵將變壓器底部儲液器中的兩相冷卻液抽到器身上方的噴射裝置中。該裝置將冷卻液體經(jīng)多條通道噴射到器身上。散布在器身上的冷卻液吸收器身熱量后迅速氣化。此蒸氣與充在箱體內(nèi)的SF6氣體一起形成混合氣體,由風(fēng)機(jī)強(qiáng)制地送入冷卻器和外界進(jìn)行熱交換。冷卻液的冷卻蒸氣在冷卻器中凝聚液化,并流回儲液器。圖7噴射式GIT內(nèi)部構(gòu)造第四章 SF6氣體危害及措施如前所述，SF6氣體是一種無色，無味，防火，防災(zāi)的十分優(yōu)越