哈工大高電壓技術(shù)-7、六氟化硫與氣絕緣電氣設(shè)備

哈工大高電壓技術(shù)-7、六氟化硫與氣絕緣電氣設(shè)備第一頁，共31頁。六氟化硫(SF6)氣體：20世紀(jì)60年代開始作為絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)使用于某些電氣設(shè)備(首先是斷路器)中；至今已是除空氣外應(yīng)用最廣泛的氣體介質(zhì)。第二頁，共31頁。SF6的電氣強(qiáng)度約為空氣的2.5倍，滅弧能力更高達(dá)空氣的100倍以上，所以在超高壓和特高壓的范疇內(nèi)，它已完全取代絕緣油和壓縮空氣而成為唯一的斷路器滅弧介質(zhì)。第三頁，共31頁。目前SF6不但應(yīng)用于單一電力設(shè)備，如：SF6斷路器、氣體絕緣變壓器等。也被廣泛采用于將多種變電設(shè)備集于一體并密閉充SF6氣體的容器之內(nèi)的封閉式氣體絕緣組合電器（GIS）和充氣管輸電線（GIC)等裝置中。第四頁，共31頁。一、SF6的絕緣性能SF6具有較高的電氣強(qiáng)度，主要是因?yàn)槠渚哂泻軓?qiáng)的電負(fù)性，容易俘獲自由電子而形成負(fù)離子(電子附著過程)，電子變成負(fù)離子后,其引起碰撞電離的能力就變得很弱，因而削弱了放電發(fā)展過程。第五頁，共31頁。與均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓相比，SF6在極不均勻電場(chǎng)中擊穿電壓下降的程度比空氣要大得多。SF6優(yōu)異的絕緣性能只有在電場(chǎng)比較均勻的場(chǎng)合才能得到充分的發(fā)揮。電場(chǎng)的不均勻程度對(duì)SF6電氣強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)比對(duì)空氣的大。在設(shè)計(jì)以SF6氣體作為絕緣的各種電氣設(shè)備時(shí)，應(yīng)盡可能使氣隙中的電場(chǎng)均勻化，采用屏蔽等措施以消除一切尖角處的極不均勻電場(chǎng)，使SF6優(yōu)異的絕緣性能得到充分的利用。第六頁，共31頁。(一)均勻和稍不均勻電場(chǎng)中SF6的擊穿SF6電負(fù)性氣體中的碰撞電離和放電過程時(shí)，除了考慮第一章中所說的過程外，還應(yīng)計(jì)及電子附著過程，它可用一個(gè)與電子碰撞電離系數(shù)的定義相似的電子附著系數(shù)來表示，的定義是一個(gè)電子沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)1cm的行程中所發(fā)生的電子附著次數(shù)平均值?？梢娫陔娯?fù)性氣體中的有效碰撞電離系數(shù)應(yīng)為：第七頁，共31頁。

這時(shí)應(yīng)該注意：在一般氣體中，正離子數(shù)等于新增的電子數(shù)；而在電負(fù)性氣體中，正離子數(shù)等于新增的電子數(shù)與負(fù)離子數(shù)之和。所以在湯遜理論中不能將式(1—2)中的簡(jiǎn)單地用(-)來代替而得出電負(fù)性氣體的自持放電條件。第八頁，共31頁。由于強(qiáng)電負(fù)性氣體在實(shí)用中所處條件均屬于流注放電的范疇，所以這里不再討論其湯遜自持放電條件，而直接探討其流注自持放電條件。為此，寫出均勻電場(chǎng)中電負(fù)性氣體的流注自持放電條件為：實(shí)驗(yàn)研究證明：對(duì)于SF6氣體，常數(shù)K=10.5第九頁，共31頁。上式表明，在均勻電場(chǎng)中SF6氣體的擊穿也遵循巴申定律。它在0.1MPa(1atm)下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，幾乎是空氣的3倍。式中：p-氣壓，Mpa，d-極間距離，mm(kV)SF6氣體的擊穿電壓可以用下式計(jì)算：均勻電場(chǎng)中空氣的電氣強(qiáng)度大致為：30kV/cm第十頁，共31頁。左圖給出出R/r=1.67～4.06的同軸圓筒中SF6的擊穿場(chǎng)強(qiáng)Eb與氣壓p的關(guān)系曲線，由圖中可見擊穿場(chǎng)強(qiáng)并不與氣壓成正比，而是增加得少一些。前面已經(jīng)提到，在氣體絕緣電氣設(shè)備中最常見的是稍不均勻電場(chǎng)氣隙，例如同軸圓筒間的氣隙。第十一頁，共31頁。(二)極不均勻電場(chǎng)中SF6的擊穿在極不均勻電場(chǎng)中，SF6氣體的擊穿有異常現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：如圖所示，首先是工頻擊穿電壓隨氣壓的變化曲線存在“駝峰”；第十二頁，共31頁。其次是駝峰區(qū)段內(nèi)的雷電沖擊擊穿電壓明顯低于穩(wěn)態(tài)工頻擊穿電壓，其沖擊系數(shù)可低至0.6左右，如右圖所示。第十三頁，共31頁。雖然駝峰曲線在壓縮空氣中也存在，但一般要在氣壓高達(dá)1MPa左右才開始出現(xiàn)，而在SF6氣體中，駝峰常出現(xiàn)在0.1～0.2MPa的氣壓下，即在工作氣壓以下。因此，在進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能設(shè)法避免極不均勻電場(chǎng)的情況。第十四頁，共31頁。極不均勻電場(chǎng)中SF6氣體擊穿的異常現(xiàn)象與空間電荷的運(yùn)動(dòng)有關(guān)?？臻g電荷對(duì)棒極的屏蔽作用會(huì)使擊穿電壓提高，但在雷電沖擊電壓的作用下，空間電荷來不及移動(dòng)到有利的位置，故其擊穿電壓低于穩(wěn)態(tài)擊穿電壓；氣壓提高時(shí)空間電荷擴(kuò)散得較慢，因此在氣壓超過0.1～0.2MPa時(shí)，屏蔽作用減弱，工頻擊穿電壓會(huì)下降。第十五頁，共31頁。（三）影響擊穿場(chǎng)強(qiáng)的其它因素氣體絕緣電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)值遠(yuǎn)低于理論擊穿場(chǎng)強(qiáng)，這是因?yàn)橛性S多影響因素會(huì)使它的擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降。此處僅介紹其中兩種主要影響因素，即電極表面缺陷和導(dǎo)電微粒。1、電極表面缺陷右圖表示電極表面粗糙度Ra對(duì)SF6氣體電氣強(qiáng)度Eb的影響。第十六頁，共31頁?？梢钥闯觯篏IS的工作氣壓越高，則Ra對(duì)Eb的影響越大，因而對(duì)電極表面加工的技術(shù)要求也越高。電極表面粗糙度大時(shí)，表面突起處的局部電場(chǎng)強(qiáng)度要比氣隙的平均電場(chǎng)強(qiáng)度大得多，因而可在宏觀上平均場(chǎng)強(qiáng)尚未達(dá)到臨界值時(shí)就誘發(fā)擊穿。第十七頁，共31頁。除了表面粗糙度外，電極表面還會(huì)有其它零星的隨機(jī)缺陷，電極表面積越大，這類缺陷出現(xiàn)的概率也越大。所以電極表面積越大，SF6氣體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)越低，這一現(xiàn)象被稱為“面積效應(yīng)”。2、導(dǎo)電微粒設(shè)備中的導(dǎo)電微粒有兩大類，即固定微粒和自由微粒，前者的作用與電極表面缺陷相似，而后者因會(huì)在極間跳動(dòng)而對(duì)SF6氣體的絕緣性能產(chǎn)生更大的不利影響。第十八頁，共31頁。二、六氟化硫理化特性方面的若干問題氣體要作為絕緣介質(zhì)應(yīng)用于工程實(shí)際，不但應(yīng)具有高電氣強(qiáng)度，而且還要具備良好的理化特性。SF6氣體是唯一獲得廣泛應(yīng)用的強(qiáng)電負(fù)性氣體的原因即在于此。下面對(duì)SF6氣體實(shí)際應(yīng)用中的理化特性作一介紹：2、毒性分解物1、液化問題3、含水量第十九頁，共31頁。1、液化問題現(xiàn)代SF6高壓斷路器的氣壓在0.7MPa左右，而GIS中除斷路器外其余部分的充氣壓力一般不超過0.45MPa。如果20C時(shí)的充氣壓力為0.75MPa(相當(dāng)于斷路器中常用的工作氣壓），則對(duì)應(yīng)的液化溫度約為-25C，如果20C時(shí)的充氣壓力為0.45MPa，則對(duì)應(yīng)的液化溫度為-40C，可見一般不存在液化問題，只有在高寒地區(qū)才需要對(duì)斷路器采用加熱措施，或采用SF6-N2混合氣體來降低液化溫度。第二十頁，共31頁。2、毒性分解物純凈的SF6氣體是無毒惰性氣體，180C以下時(shí)它與電氣設(shè)備中材料的相容性與N2相似。但SF6的分解物有毒，并對(duì)材料有腐蝕作用，因此必須采取措施以保證人身和設(shè)備的安全。使SF6氣體分解的原因：

電子碰撞、熱和光輻射.第二十一頁，共31頁。在電氣設(shè)備中引起分解的原因主要是前兩種，它們均因放電而出現(xiàn)。大功率電弧（斷路器觸頭間的電弧或GIS等設(shè)備內(nèi)部的故障電?。┑母邷貢?huì)引起SF6氣體的迅速分解，而火花放電、電暈或局部放電也會(huì)引起SF6氣體的分解。針對(duì)SF6氣體毒性分解物的措施：通常采用吸附劑吸附劑主要有兩方面作用：吸附分解物和吸附水分常用的吸附劑有：活性氧化鋁和分子篩

通常吸附劑的放置量不小于SF6氣體重量的10%。第二十二頁，共31頁。3、含水量水分是SF6氣體中危害最大的雜質(zhì)，因?yàn)椋核謺?huì)影響氣體的分解物與HF形成氫氟酸，引起材料的腐蝕與導(dǎo)致機(jī)械故障低溫時(shí)引起固體介質(zhì)表面凝露，使閃絡(luò)電壓急劇降低控制氣體含水量的措施：避免在高濕度氣體條件下進(jìn)行裝配工作；安裝前所有部件都要經(jīng)過干燥處理；保證良好的密封，否則會(huì)使設(shè)備內(nèi)的SF6氣體泄漏到大氣中去，而大氣中的水氣也會(huì)滲入設(shè)備內(nèi)。第二十三頁，共31頁。三、六氟化硫混合氣體SF6氣體價(jià)格較高液化溫度不夠低對(duì)電氣不均勻度太敏感目前國內(nèi)外都在研究SF6混合氣體，以期在某些場(chǎng)合用SF6混合氣體來代替SF6氣體目前已獲工業(yè)應(yīng)用的是SF6-N2混合氣體，主要用作高寒地區(qū)斷路器的絕緣媒質(zhì)和滅弧材料，采用的混合比通常為50%：50%或60%：40%。第二十四頁，共31頁。四、氣體絕緣電氣設(shè)備1、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。第二十五頁，共31頁。（1）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。（2）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、霧露等不利的環(huán)境條件的影響。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)：（3）有利于環(huán)境保護(hù)，使運(yùn)行人員不受電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響。（4）安裝工作量小、檢修周期長(zhǎng)。第二十六頁，共31頁。2、氣體絕緣管道輸電線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)：(1)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(zhǎng)。(2)損耗?。撼Ｒ?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(jí)的產(chǎn)品。第二十七頁，共31頁。(3)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，而且電壓等級(jí)越高，這一優(yōu)點(diǎn)越明顯。(4)能用于大落差場(chǎng)合。第二十八頁，共31頁。3、氣體絕緣變壓器氣體絕緣變壓器（GIT）與傳統(tǒng)的油浸式變壓器相比有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）GIT是防火防爆型變壓器，特別適用于城市高層