气体绝缘及其组合电器技术.ppt

,第一讲：SF6气体绝缘及组合电器技术,第一节：电介质基础知识回顾,此名称着眼于保持电压所必须的电气绝缘性质(insulating property),1.不导电体的两个学名,绝缘体(insulating material): 指通常条件下完全或几乎不导电的物质,电介质(dielectric)：指内部能持久建立静电场的物质,此名称着眼于较多储存电荷的电介质性质(dielectric property),电介质在高电压技术这一学科中指的就是绝缘材料,它们主要是在各种电气设备中起到绝缘的作用,绝缘体,电介质的电气性质和相关物理量,气体放电的基本理论 汤逊理论（适用于 较小的场合）,Paschen定律,流注理论（适用于 较大的场合）,流注理论认为电子碰撞电离及空间光电离是维持自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场的作用。,不均匀电场中气体击穿,1.电晕放电,2 . 极不均匀电场 中的极性效应,直流电压下棒-板间隙击穿电压特性曲线,影响气体间隙的放电电压的因素,电场情况（均匀场，稍不均匀场，极不均匀场）,外加电压形式（直流电压、交流电压、 雷电冲击电压、操作冲击电压）,大气条件（气压、温度、湿度、海拔高度）,提高气体介质电气强度的方法,1. 改进电极形状以改善电场分布,2. 利用空间电荷改善电场分布,3. 极不均匀电场中采用屏蔽,两个途径： 改善电场分布，使之尽量均匀； 削弱或抑制气体中的电离过程,6. 采用高电气强度气体SF6,5. 高真空的采用,4. 采用高气压,SF6气体绝缘及组合电器技术,1.1 SF6的特性,一. 简介 1900年SF6首次出现；20世纪60年代开始作为绝缘介质和 灭弧介质使用于某些电气设备； SF6的电气强度约为空气 的2.5 倍，灭弧能力高达空气的100倍以上，目前广泛应用 于超高压和特高压电气设备中，如SF6断路器、气体绝缘 变压器（GIT)、充气管道输电线(GIC)、封闭式气体绝缘 组合电器(GIS)等。,GIS：Gas Insulated Switchgear,GIT：Gas Insulated Transformer,GIC：Gas Insulated Cable,二. SF6的理化特性,1. 液化问题,在40 T80 ， P0.8MPa 范围内气态占优势 , 一般使用范围内不存在液化问题，在高寒地区，需考 虑采取措施，如加热、采用SF6-N2混合气体。,2. 毒性分解物,纯净SF6是无色，无味，无毒，不燃的惰性气体，由于 电子碰撞、热以及光辐射导致SF6气体分解，产生有毒 分解物；电弧的高温、火花放电、电晕或局部放电都会 使SF6分解；常用措施：采用活性氧化铝和分子筛等吸附 剂，吸附分解物和吸收水分,3. 含水量,水分影响气体分解物，与HF形成氢氟酸，引起材料腐蚀， 导致机械故障，在低温时引起固体介质表面结露，使闪络 电压降低。因此在设备安装、运行时要检测含水量，不超 过容许值。,4. SF6混合气体,采用SF6-N2，CO2、空气的混合气体，使液化温度降低、 减小对电场的敏感度、降低价格,1.2 SF6的绝缘性能,一. SF6具有高电气强度的原因,氟是卤族元素中电负性最强的，因此SF6分子具有很 强的电负性，容易吸附电子成为负离子，阻碍放电的形 成和发展；,2. SF6分子的直径比氧、氮分子的要大，使得电子在SF6 气体中的平均自由行程缩短，不易积累能量；而SF6的电 离电位又比氧、氮分子的大，因而减小了电子碰撞电离 的可能性；,3. 电子与SF6分子相遇时，还会因极化等过程增加能量 损失，减弱其碰撞电离的能力；,二. 均匀和稍不均匀电场中SF6的击穿,1. 电子电离系数和附着系数,SF6的放电机理同样可以用气体放电理论来分 析，不同的是，对SF6不仅要考虑电子在电场作用下因 碰撞电离而不断产生新的带电质点，同时还要考虑具有 强烈电负性的SF6分子吸附电子而阻碍放电发展的可能 性。,电子附着系数，表示一个电子在电场方向运动1cm 的行程所发生的电子附着次数的平均值,有效电子碰撞系数,2. 均匀电场中的电子崩增长规律,p气压，MPa； d极间距离，mm,表明在均匀电场中，SF6气体的击穿也遵循巴申定律， 它在0.1MPa下的击穿场强Eb=Ub/d=88.5kV/cm，几乎是 空气的3倍。,对SF6气体，实验得出K10.5，相应的击穿电压为：,3. 均匀电场中电负性气体的流注放电条件,三. 极不均匀电场中SF6的击穿,1. 工频击穿电压随气压的变化曲线存在“驼峰”现象 2. 驼峰区段内的雷电击穿电压明显低于静态击穿电压,原因：与空间电荷的运动有关，我们知道，空间电荷对 棒极的屏蔽作用会使击穿电压提高，但在雷电冲击电压作 用下，空间电荷来不及移动到有利的位置，故其击穿电压 低于静态击穿电压；又气压提高时空间电荷扩散得较慢， 因此在气压超过0.10.2MPa 时，屏蔽作用减弱，工频击穿 电压会下降。,电场的不均匀程度对SF6气体击穿的影响很大; 在均匀、 稍不均匀电场中，SF6气体的击穿电压比空气的高出很多，但在极不均匀电场中，采用SF6气体的效果比在均匀、稍不均匀电场中的差，有时甚至和空气的十分接近; 实际设备中，电场不可能完全均匀，而极不均匀电场又使SF6的优越性得不到充分发挥，因此设计SF6气体绝缘的电气设备时，尽量采用稍不均匀电场结构，如同轴圆柱。,四. 影响击穿场强的其他因素 除电场均匀程度外，主要有： 电极表面缺陷 导电微粒,2.3 SF6气体绝缘电气设备,一. 封闭式气体绝缘组合电器（GIS）,1. 什么是GIS，Gas Insulated Switchgear,GIS是把整个变电站除变 压器外的一次设备，包括 断路器、隔离开关、接地 开关（刀闸）、互感器、 避雷器、母线、连线和出 线终端等组合在一个充 SF6气体的金属密闭室中 而组成。,典型的双母线GIS间隔： 1母线及隔离开关/接地开关组合 2断路器 3电流互感器 4电压互感器 5线路隔离开关及接地开关 6安全接地开关 7电缆接头 8控制柜,2. 采用GIS组合电器的好处, 与敞开式AIS相比，大大节省占地面积和空间体积，额定电压越高，节省得越多；, 运行安全可靠，GIS得金属外壳是接地的，即可防止运行人员触及带电导体，又可使设备的运行不受污秽、雨雪、雾露等不利的环境条件的影响；, 安装工作量小，检修周期长,3. GIS使用现状,GIS设备自 20世纪60年代实用化以来 ,到目前为止 ,世界上 已有 2 0 0 0多台GIS设备在运行。实践证明 ,GIS运行安全 可靠、配置灵活、环境适应能力强、检修周期长、安装方 便。GIS不仅在高压、超高压领域被广泛应用 ,而且在特高 压领域变电站也被使用 ,在我国 ,63 50 0电力系统 中 ,GIS的应用已相当广泛。目前国外生产GIS的公司主 要有：ABB、ALSTOM、西门子、施奈德、三菱、东芝、 日立 我国有沈阳高压开关厂、平顶山高压开关厂、北京开关厂、 西安高压开关厂、华通开关厂，五大开关厂主要都是通 过合作开发方式，如西开三菱，沈开日立,4. GIS的发展趋势,高电压、大容量,电压等级：72.5 2455508001100kV 在550kV级，将断路器的断口数从双断口减为单断口， 则可使GIS小型化。根据日本实践，GIS采用单断口断路 器，相比双断口断路器，将GIS布置长度减至45，并将 GIS占地面积减为37，可见减少断口数，能有效地使GIS 小型化。 在72.5kV300kV级，GIS明显趋向于三相共筒化。所谓 三相共筒，是将主回路元件的三相装在公用的接地外壳内， 内充SF6气体绝缘，并用环氧树脂浇铸绝缘子加以支撑和 分隔。欧洲和日本都在大力发展这种结构型式。,小型化、复合化,二次智能化,复合化技术在日本得到大力发展，特别在 72/84154kV 级。所谓复合化是将两种或几种一次设备集成到一起， 如隔离开关/接地开关组合，还有将断路器、互感器、 隔离开关、接地开关等置于一个充SF6气体的气罐内。 如三菱公司新开发的全新概念超小型复合化GIS，其安 装面积仅为原来的40，体积约为原来的30。,母线和隔离开关/接地 开关组合 1动触头 2隔离开关触头 3接地开关触头 4绝缘子 5横向装配组件 隔离开关主要用于电 路无电流投入和切除,断路器和集成 电流互感器 1灭弧室 2电流互感器 3绝缘子 4液压操动机构,GIS的二次控制趋向现代化、智能化，即由传统的机电 系统发展成以计算机为中心的现代智能化系统Smart GIS，,智能GIS是将微电子技术、计算机技术、传感技术以及数字处理技术同电器控制技术结合在一起应用在GIS的一次部分和二次部分，将传统的机电系统发展成以计算机为中心的现代智能化系统。,国外各大制造公司为此都付出巨大努力，国内智能GIS的研究处于起步阶段，目前还没有产品问世。,Smart GIS的特点及采用的新技术： 使用新型传感器代替传统设备 所有一次设备通过光纤连接到控制柜，传统电缆连接取消 每个主设备配备一个电子接口，称为PISA（Process Interface for Sensors and Actuators)，PISA的主要任务包括完成模数转换、测量信号预处理、通过串行总线给控制或保护设备传送信息等 控制和保护单元处于就地控制柜中，控制和保护设备通过光纤过程总线，而不是电缆接收来自传感器的信息 来自传感器和驱动机构的信息可以通过总线传送到任何需要他们的设备中 监测与自诊断功能,1 UI sensor 2 GIS primary hardware 3 Redundant serial optical process bus 4 Local control and protection cubicle 5 Control back-up protection 6 Main protection 7 Metering 8 Interface to other systems,二. PASS技术,1. 什么是PASS组合电器,2. PASS中采用的新技术,3. PASS与GIS、AIS的比较,1. 什么是PASS组合电器,1998年ABB首先推出“接插式开关系统 ” PASS(plug and switch system) 是由金属壳密封，把气体绝缘的断路器、隔离开关、电流及电压传感器与套管全部组合在一个共用的气室内。,PASS把开关间隔的所有功能统一归并到一个密封舱中，该密封舱配备有两个或三个绝缘套管，绝缘套管的数量取决于变电站的接线,1母线侧隔离开关；2断路器；3电流互感器；4电压互感器；5线路侧隔离开关；6接地开关；7电流/电压传感,PASS间隔与传统间隔的比较,PASS的所有部件均在工厂内进行安装和试验，到现场只需将光纤电缆插入就地控制柜和主设备即可投入运,2. PASS的组成及采用的新技术（以ABB公司产品为例）,一次设备,断路器采用原ABB公司GIS产品中的SF6断路器, 隔离开关和接地开关采用同一操动机构，三工位设计。PASS去掉了线路侧的隔离/接地开关。,使用SF6 绝缘的一体化电流/电压传感器取代传统的电流/电压互感器。它的2个重要功能 测量电流和电压通过以下原理实现：使用罗高夫斯基线圈、电容式分压器分别进行电流、电压测量。,使用复合式绝缘套管：内层使用将环氧注入玻璃纤维制造的筒状支柱，保证了机械和绝缘强度；而外层包以硅橡胶，保证了如爬电距离等户外电器性能；套管重量减轻约40。,二次设备,智能间隔,基于IEC61850的变电站自动化系统（分层分布式）,PASS的整个二次系统组成了一个智能间隔 ，完成以下功能：,传感器将设备的状态量转化为电信号；,通过PISA（Process Interface for Sensor and Acuator，传感器与传动机构接口）将传感器传递来的电信号进行A/D转换为数字量，并通过在出厂时预置的数据对测量结果进行误差校正。,通过过程总线将每个设备的PISA连接起来，传递到就地控制箱中。,在就地控制箱中实现间隔层的线路主保护、间隔控制、断路器失灵保护、母线保护、计量功能，并为第三方保护提供接口。,通过间隔总线在相同的电压等级下将所有间隔的信号连接起来，传递到变电站层的控制装置中。,通过软件(包含系统数据库、人机界面和其他应用模块)激活上述功能。,就地控制单元(REC580),就地控制单元REC580是基于数字原理的间隔层控制和保护中心设备。REC580一方面通过过程总线同PISA相连接，取得主设备信息；另一方面，它是通过间隔总线同变电站层的控制保护装置相连接，REC580完成如下主要功能：,控制功能：对断路器、隔离开关、接地开关进行控制；自动进行接地电抗器和电容器组等的倒闸操作，以及自动进行母线切换；进行间隔间闭锁；进行三相或单相的自动重合闸；进行同步检查。,测量功能：可以测量以下参数：电流、电压的有效值，有功功率，无功功率，视在功率，效率，功率因数和频率。,自检功能；以及可以根据用户的需要进行功能扩展。,连接,控制和保护系统同开关本体之间是通过几条可插接式线缆(包括几条传输模拟或数字信号的光纤)进行连接的，在传输信号的同时为驱动装置提供电源。同传统的开关装置相比，其传输过程和传输信号是在系统高度监控之下进行的。另外，插接式光纤可以允许主设备与控制/保护设备间发生短暂的尖波或短暂的空白时间。同时，同传统的变电站相比，连接线的数量减少约80，一个间隔的连接线从200500条减少至3060条。,智能开关控制器(CAT控制器),在PASS中，采用了利用可控开关（相控开关）技术制造的智能开关控制器，取消了合闸电阻。使用了CAT控制器后就可以在大多数情况下有效地缩短电力系统的暂态过程，降低系统过电压/过电流。,电流互感器,附加线路组合式隔离/接地刀闸,断路器,汇控柜,支架,套管,常规PASS/HGIS/CIS,电流互感器,附加线路组合式隔离/接地刀闸,断路器,智能汇控柜,电子式电压互感器,套管,智能化HGIS 整体结构,1、