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西安交通大學(xué)高電壓技術(shù)教研室穆海寶GIS裝置及其絕緣技術(shù)《GIS裝置及其絕緣技術(shù)》2012年04月26日授課時(shí)間課程內(nèi)容第○章緒論第一章SF6氣體的理化特性第二章SF6氣體的電氣性能第三章表面粗糙度和導(dǎo)電微粒對(duì)SF6絕緣的影響第四章SF6中支撐絕緣子的沿面放電第五章氣體絕緣電力設(shè)備第六章GIS設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)及絕緣故障診斷第七章混合氣體絕緣參考書(shū)目:[1]邱毓昌.GIS裝置及其絕緣技術(shù)[M].北京:水利電力出版社,1994.[2]黎斌.SF6高壓電器設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.[3]羅學(xué)琛.SF6高壓氣體絕緣全封閉組合電器(GIS)[M].北京:中國(guó)電力出版社,1998.緒論GIS的意思是…“GIS”地理信息系統(tǒng)(GeographicInformationSystem)氣體絕緣金屬封閉式組合電器(Gas-insulatedswitchgear)
氣體絕緣變電站(Gas-insulatedsubstation)氣體絕緣電力設(shè)備(Gasinsulationsystem)SF6斷路器(GCB)氣體絕緣金屬封閉式組合電器(GIS)氣體絕緣輸電管道(GIL/GIC)氣體絕緣變壓器(GIT)“氣體”六氟化硫(SF6)、干燥壓縮空氣(非SF6GIS)GIS設(shè)備的技術(shù)變遷1900 法國(guó)H.Moissan和P.Lebeau首次合成SF61937 美國(guó)GE公司的E.E.Charlton和F.S.Cooper發(fā)現(xiàn)了SF6的高絕緣耐力1938 F.S.Cooper申請(qǐng)了SF6應(yīng)用于電力設(shè)備的美國(guó)專利美國(guó)軍方用于曼哈頓計(jì)劃1947SF6開(kāi)始商用1953 美國(guó)WH公司的H.J.Lingal申請(qǐng)了GCB專利1955 美國(guó)WH公司制造第一臺(tái)GCB1956 美國(guó)制造第一臺(tái)GIT1967 德國(guó)和瑞士第一臺(tái)GIS開(kāi)始運(yùn)行1975 德國(guó)第一條GIL/GIC國(guó)內(nèi)60年代開(kāi)始研制六氟化硫絕緣電氣設(shè)備80年代大量的SF6電氣設(shè)備引進(jìn)和研制成功GIS技術(shù)的起源GIS設(shè)備的技術(shù)變遷高電壓化
GIS72kV550kV1100kVGIS技術(shù)的發(fā)展日本1968年投運(yùn)的72kVGIS超高壓GIS試驗(yàn)場(chǎng)GIS設(shè)備的技術(shù)變遷小型化、提高可靠性GIS設(shè)備的技術(shù)變遷IEEESubstationsCommittee體積:
145kVGIS體積下降為原來(lái)的30%,使用SF6降為原來(lái)的25%。可靠性: 平均無(wú)故障時(shí)間提高到400-1000年/間隔GIS設(shè)備的技術(shù)變遷直流GIS的出現(xiàn)日本紀(jì)伊水道直流輸電工程中的直流GIS(按照500kV設(shè)計(jì)、試驗(yàn),目前運(yùn)行于250kV)GIS設(shè)備的技術(shù)變遷混合氣體絕緣降低經(jīng)濟(jì)成本防止溫室效應(yīng)導(dǎo)致的全球變暖基于設(shè)備狀況的維修管理技術(shù)定時(shí)維護(hù)(TBM)基于設(shè)備狀況的維護(hù)(CBM)GIS設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)體積小
0.1MPa下,SF6的絕緣強(qiáng)度是空氣的大約3倍 高壓導(dǎo)體全部封閉在金屬外殼內(nèi)
(500kV的GIS只有敞開(kāi)式電器的1/50左右大小)敞開(kāi)式變電站(72kV-1200A,215MVA)
替代為金屬封閉式組合電器之后設(shè)置于公園地下的GIS和變壓器GIS設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)可靠性高平均無(wú)故障時(shí)間:400-1000年/間隔壽命:35-50年不受惡劣環(huán)境因素(如臺(tái)風(fēng)、鹽堿、地震等)的影響無(wú)火災(zāi)隱患不污染環(huán)境、對(duì)居民友好體積小、可靠性高適用于征地困難的地區(qū)維護(hù)工作量小壽命長(zhǎng),全壽命造價(jià)低GIS設(shè)備的應(yīng)用GIS設(shè)備使用量的增加GIS 全球超過(guò)20000間隔(2005年)GIT 第一臺(tái)69kV、2MVA 全球運(yùn)行的GIT超過(guò)10000臺(tái),主要集中在 亞太地區(qū)(2003年)GIL 第一條700m 全球約300kmGCB 國(guó)內(nèi)的情況
(1)至目前,高壓斷路器幾乎全部使用SF6替代絕緣油和空氣介質(zhì)。新建或改造的220kV及以上電壓等級(jí)變電站基本全部采用SF6開(kāi)關(guān)設(shè)備。
(2)截止到2000年前,全國(guó)電力系統(tǒng)220kV及以上電壓等級(jí)斷路器共12162臺(tái)。其中,100%的500kV開(kāi)關(guān)設(shè)備729臺(tái)和接近100%的330kV開(kāi)關(guān)設(shè)備359臺(tái)為SF6斷路器和GIS;而在220kV電壓等級(jí),SF6斷路器和GIS已占裝運(yùn)開(kāi)關(guān)設(shè)備的約50%~60%。
(3)國(guó)內(nèi)SF6氣體絕緣變壓器的使用量總計(jì)已經(jīng)達(dá)到數(shù)十臺(tái)(分布于北京、上海、香港、深圳、重慶等地)。
(4)GIL:南方電網(wǎng)天生橋水電站(500kV)、廣東奧嶺核電站(500kV)、華東電網(wǎng)的瓶窯變(500kV母線分裂改造工程)以及青海省拉西瓦水電站(750kV出線)第一章
SF6氣體的理化特性內(nèi)容用于電力設(shè)備時(shí)絕緣氣體應(yīng)滿足的要求SF6氣體的基本特性---一般性質(zhì)SF6氣體的基本特性---絕緣和滅弧性能SF6氣體的基本特性---環(huán)境影響SF6氣體含水量的控制注意事項(xiàng)用于電力設(shè)備時(shí)絕緣氣體應(yīng)滿足的要求一般說(shuō)來(lái),一種氣體要用于電力設(shè)備作為絕緣材料,必須滿足如下的要求:一般要求(1)沒(méi)有毒性;(2)液化溫度低;(3)化學(xué)穩(wěn)定性好絕緣能力(1)擊穿場(chǎng)強(qiáng)大;(2)分解生成物不導(dǎo)電滅弧能力(1)電弧安定性好;(2)導(dǎo)熱性好;(3)分解生成物不導(dǎo)電環(huán)境要求(1)不能破壞大氣臭氧層;(2)地球溫暖化系數(shù)小;(3)大氣壽命短經(jīng)濟(jì)性(1)便宜;(2)能安定供應(yīng)SF6氣體的基本特性---一般性質(zhì)(1)SF6氣體的一般性質(zhì)SF6由鹵族元素中最活潑的元素氟(F)原子與硫(S)原子結(jié)合而成,其分子結(jié)構(gòu)是六個(gè)F原子處于頂點(diǎn)位置而S原子處于中心位置的正八面體,S和F以共價(jià)鍵聯(lián)結(jié),鍵距1.58×10-10m。無(wú)毒性化學(xué)穩(wěn)定性好
200oC且有催化劑的情況下,微量分解500oC開(kāi)始熱分解2000K附近出現(xiàn)熱分解高峰密度約為空氣的5倍
窒息的危險(xiǎn)性SF6氣體的基本特性---一般性質(zhì)三態(tài)圖三態(tài)溫度: -50.8oC升華點(diǎn)溫度: -63.8oC臨界壓力: 3.76MPa臨界溫度: 45.6oC斷路器氣室: 0.7MPa -20oC其它氣室: <0.45MPa -40oC只有在高寒地區(qū),才必須考慮GIS的斷路器部分SF6氣體液化的問(wèn)題。通常,通過(guò)加熱斷路器或者采用SF6-N2混合氣體作為滅弧介質(zhì)解決液化問(wèn)題。(2)SF6氣體的液化溫度SF6氣體的基本特性---一般性質(zhì)(3)SF6氣體狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系理想氣體狀態(tài)方程為:p:氣壓 V:氣體所充滿的體積:氣體的摩爾數(shù) R:氣體常數(shù)R=8.31Jmol-1K-1T:氣體的溫度(K) N0:阿佛加德羅常數(shù)n:氣體分子數(shù)密度 k:波爾茲曼常數(shù)k=1.3810-23JK-1非理想氣體:Z:壓縮因子當(dāng)t=20oC,p≤1MPa時(shí),SF6氣體的壓縮因子可用下式表示(壓力單位為MPa):當(dāng)氣體壓力增大時(shí),SF6氣體的壓縮因子Z減小。這意味著氣體密度增加時(shí),氣壓并不成比例的增加。SF6氣體的基本特性---一般性質(zhì)其中,氣體的密度與氣體的分子數(shù)密度由如下關(guān)系:事實(shí)上,氣體的密度、氣體的壓力、溫度三者滿足如下的方程:SF6氣體的基本特性---絕緣和滅弧性能(1)SF6氣體的電負(fù)性SF6氣體的絕緣強(qiáng)度高主要原因在于它是強(qiáng)電負(fù)性氣體。在某些氣體中,原子或者分子容易吸附電子而形成負(fù)離子。負(fù)離子的形成,有利于減少氣體中的電子密度,從而抑制放電的發(fā)展,提高氣體的擊穿強(qiáng)度。不同的氣體分子,其原子吸附電子的能力是不同的,這種能力通常用電負(fù)性或電子親和能來(lái)衡量。電子親合勢(shì)當(dāng)原子的最外殼層沒(méi)有填滿電子的時(shí)候,原子容易附著電子而形成負(fù)離子。相反,惰性氣體原子外層電子已滿,不容易形成負(fù)離子。原子吸附電子的能力通常用電子親合勢(shì)表示,它是未激勵(lì)的中性原子和負(fù)離子的總能量之差。電負(fù)性原子在分子中吸引電子能力的大小。SF6氣體的基本特性---絕緣和滅弧性能電離系數(shù):一個(gè)電子沿電場(chǎng)方向行經(jīng)單位長(zhǎng)度,平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)。附著系數(shù):一個(gè)電子沿電場(chǎng)方向行經(jīng)單位長(zhǎng)度,平均發(fā)生的附著次數(shù)。有效電離系數(shù):有效電離系數(shù)的測(cè)量表明,在(E/p)0附近:對(duì)均勻間隙,當(dāng)p=0.1MPa時(shí),SF6氣體的擊穿電場(chǎng)約為89kV/cm;而空氣的擊穿電場(chǎng)約為30kV/cm。所以通常說(shuō)SF6氣體的絕緣強(qiáng)度大約是空氣的3倍。SF6氣體的基本特性---絕緣和滅弧性能SF6氣體耐電強(qiáng)度很高,但是對(duì)電場(chǎng)集中敏感。這是因?yàn)镾F6氣體分子對(duì)電子的附著能力隨電子能量增大急劇減小。主要的吸附過(guò)程:SF6氣體的基本特性---絕緣和滅弧性能(2)SF6氣體的分解毒性、腐蝕性、穩(wěn)定性、導(dǎo)電性(絕緣和滅弧)、導(dǎo)熱性(滅弧)使SF6氣體分解的原因:碰撞分解熱分解光輻射分解GIS中SF6氣體分解的途徑:電弧電流一般在數(shù)千安培,持續(xù)時(shí)間數(shù)十至數(shù)百毫秒,能量約為105-107J,電弧的溫度極高,可達(dá)到20000K,因此SF6發(fā)生熱分解。高溫下SF6及其氣體分解物還會(huì)與金屬發(fā)生反應(yīng),形成金屬氟化物,如CuF2,AlF3,FeF3,FeF2等。其中WF6為氣體,其它金屬氟化物為粉末狀固體(防止中毒事件的發(fā)生)?;鸹姇灮蚓植糠烹婇L(zhǎng)時(shí)間放電產(chǎn)生大量的分解物單純熱分解大電流回路中接觸電阻過(guò)大引起發(fā)熱SF6氣體的基本特性---絕緣和滅弧性能GIS中SF6氣體分解的途徑:SF6氣體分解物的負(fù)面影響HF腐蝕金屬、影響操作機(jī)構(gòu)的工作,與含硅材料反應(yīng)。固體生成物落在絕緣支撐材料表面且吸收了氣體中的水分時(shí),會(huì)降低閃絡(luò)電壓可能造成的人員中毒SF6氣體的基本特性---絕緣和滅弧性能SF6氣體無(wú)毒,但多數(shù)SF6分解氣體有毒。有條件的情況下,在從事涉及SF6氣體及其分解物的工作時(shí),應(yīng)裝備下列防護(hù)裝備:氧氣濃度儀防毒面具穿防護(hù)服戴防護(hù)手套SF6氣體的基本特性---絕緣和滅弧性能SF6氣體分解產(chǎn)物對(duì)氣體絕緣及滅弧性能的影響不大在電弧的作用下,SF6氣體分子發(fā)生熱分解,但同時(shí)分解生成也快速發(fā)生復(fù)合,重新成為SF6氣體分子,也就是說(shuō)SF6的耐電弧性能很好大部分SF6氣態(tài)分解物具有很高的耐電強(qiáng)度,所以氣態(tài)分解物對(duì)氣體間隙的耐電強(qiáng)度沒(méi)有什么影響放置吸附劑的目的除去氣態(tài)SF6氣體分解生成物除去SF6氣體中的水分吸附劑的材質(zhì)和用量活性氧化鋁和分子篩吸附劑的放置量應(yīng)不小于SF6氣體質(zhì)量的10%SF6氣體的基本特性---絕緣和滅弧性能(3)SF6氣體的熱性能熱傳導(dǎo)SF6氣體的導(dǎo)熱系數(shù)::氣體密度:氣體分子的均方根速度:氣體分子的平均自由行程cv:氣體的定容比熱 氣體的導(dǎo)熱系數(shù)基本上與氣體的壓力無(wú)關(guān),但隨著氣體溫度的升高而增大。SF6氣體的導(dǎo)熱系數(shù)(0.014W/m·K,t=30oC)要比空氣小(0.027W/m·K)。SF6氣體的對(duì)流換熱系數(shù):與空氣相比,SF6氣體的密度大,粘度小,因此,在氣壓、溫度相同的情況下,SF6氣體的對(duì)流換熱系數(shù)大于空氣。對(duì)流換熱SF6氣體的基本特性---絕緣和滅弧性能熱分解時(shí)的傳熱SF6氣體在2000K附近出現(xiàn)熱分解高峰,由于SF6氣體分解吸收大量的熱,故其導(dǎo)熱系數(shù)在2000K附近出現(xiàn)高峰,而氮?dú)獾膶?dǎo)熱系數(shù)的高峰出現(xiàn)在7000K附近,因此對(duì)于交流電弧過(guò)零時(shí)的冷卻作用,空氣遠(yuǎn)不如SF6氣體。SF6氣體的基本特性---絕緣和滅弧性能強(qiáng)電負(fù)性以及熱分解對(duì)弧道的強(qiáng)烈能卻作用使得SF6氣體的滅弧能力很強(qiáng)SF6和N2的滅弧能力的比較:在0.1MPa氣體中,用并聯(lián)的短路火花間隙熄滅100A直流電弧后,測(cè)量單位長(zhǎng)度弧道電導(dǎo)隨時(shí)間的變化。電弧時(shí)間常數(shù)是電弧電流突然消失后,弧道電阻增大到初始值的2.718(e)倍所需要的時(shí)間。SF6氣體的基本特性---環(huán)境影響溫室效應(yīng)氣體SF6氣體不會(huì)破壞大氣臭氧層,然而它是1997年京都議定書(shū)指定的六種溫室氣體之一。SF6氣體對(duì)溫室效應(yīng)的實(shí)際影響很小,只占0.07%左右。將SF6氣體列為溫室效應(yīng)氣體,主要是SF6氣體對(duì)溫室效應(yīng)有著相當(dāng)大的潛在危險(xiǎn)。高全球變暖系數(shù):SF6氣體的全球變暖系數(shù)為23900長(zhǎng)壽命:約為3200年大氣中SF6含量的增長(zhǎng)減少排放的措施推動(dòng)SF6的回收利用降低GIS的年漏氣率開(kāi)發(fā)小型化、高性能的GIS開(kāi)發(fā)替代氣體或者是混合氣體絕緣SF6氣體含水量的控制氣體含水量過(guò)高的危害水分的存在影響氣體分解物的生成水分與酸性雜質(zhì)在一起時(shí),會(huì)使材料腐蝕,導(dǎo)致機(jī)械操作失靈在低溫下,水分會(huì)在固體絕緣表面凝露,使沿面閃絡(luò)電壓急劇下降,導(dǎo)致事故SF6氣體含水量的控制氣體含水量對(duì)絕緣支撐閃絡(luò)電壓的影響露點(diǎn)溫度高于0oC時(shí)沿面閃絡(luò)電壓會(huì)急劇下降,但下降
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