SF高压开关学习资料第一章

西安交通大学高电压技术教研室穆海宝GIS装置及其绝缘技术《GIS装置及其绝缘技术》2012年04月26日授课时间课程内容第○章绪论第一章SF6气体的理化特性第二章SF6气体的电气性能第三章表面粗糙度和导电微粒对SF6绝缘的影响第四章SF6中支撑绝缘子的沿面放电第五章气体绝缘电力设备第六章GIS设备现场耐压试验及绝缘故障诊断第七章混合气体绝缘参考书目：[1]邱毓昌.GIS装置及其绝缘技术[M].北京:水利电力出版社，1994.[2]黎斌.SF6高压电器设计[M].北京：机械工业出版社，2003.[3]罗学琛.SF6高压气体绝缘全封闭组合电器(GIS)[M].北京：中国电力出版社，1998.绪论GIS的意思是…“GIS”地理信息系统(GeographicInformationSystem)气体绝缘金属封闭式组合电器(Gas-insulatedswitchgear)

气体绝缘变电站(Gas-insulatedsubstation)气体绝缘电力设备(Gasinsulationsystem)SF6断路器(GCB)气体绝缘金属封闭式组合电器(GIS)气体绝缘输电管道(GIL/GIC)气体绝缘变压器(GIT)“气体”六氟化硫(SF6)、干燥压缩空气(非SF6GIS)GIS设备的技术变迁1900 法国H.Moissan和P.Lebeau首次合成SF61937 美国GE公司的E.E.Charlton和F.S.Cooper发现了SF6的高绝缘耐力1938 F.S.Cooper申请了SF6应用于电力设备的美国专利美国军方用于曼哈顿计划1947SF6开始商用1953 美国WH公司的H.J.Lingal申请了GCB专利1955 美国WH公司制造第一台GCB1956 美国制造第一台GIT1967 德国和瑞士第一台GIS开始运行1975 德国第一条GIL/GIC国内60年代开始研制六氟化硫绝缘电气设备80年代大量的SF6电气设备引进和研制成功GIS技术的起源GIS设备的技术变迁高电压化

GIS72kV550kV1100kVGIS技术的发展日本1968年投运的72kVGIS超高压GIS试验场GIS设备的技术变迁小型化、提高可靠性GIS设备的技术变迁IEEESubstationsCommittee体积：

145kVGIS体积下降为原来的30%，使用SF6降为原来的25%。可靠性： 平均无故障时间提高到400-1000年/间隔GIS设备的技术变迁直流GIS的出现日本纪伊水道直流输电工程中的直流GIS(按照500kV设计、试验,目前运行于250kV)GIS设备的技术变迁混合气体绝缘降低经济成本防止温室效应导致的全球变暖基于设备状况的维修管理技术定时维护(TBM)基于设备状况的维护(CBM)GIS设备的优点体积小

0.1MPa下，SF6的绝缘强度是空气的大约3倍 高压导体全部封闭在金属外壳内

(500kV的GIS只有敞开式电器的1/50左右大小)敞开式变电站(72kV-1200A,215MVA)

替代为金属封闭式组合电器之后设置于公园地下的GIS和变压器GIS设备的优点可靠性高平均无故障时间：400-1000年/间隔寿命：35-50年不受恶劣环境因素(如台风、盐碱、地震等)的影响无火灾隐患不污染环境、对居民友好体积小、可靠性高适用于征地困难的地区维护工作量小寿命长，全寿命造价低GIS设备的应用GIS设备使用量的增加GIS 全球超过20000间隔(2005年)GIT 第一台69kV、2MVA 全球运行的GIT超过10000台，主要集中在 亚太地区(2003年)GIL 第一条700m 全球约300kmGCB 国内的情况

(1)至目前，高压断路器几乎全部使用SF6替代绝缘油和空气介质。新建或改造的220kV及以上电压等级变电站基本全部采用SF6开关设备。

(2)截止到2000年前，全国电力系统220kV及以上电压等级断路器共12162台。其中，100%的500kV开关设备729台和接近100%的330kV开关设备359台为SF6断路器和GIS；而在220kV电压等级，SF6断路器和GIS已占装运开关设备的约50%~60%。

(3)国内SF6气体绝缘变压器的使用量总计已经达到数十台(分布于北京、上海、香港、深圳、重庆等地)。

(4)GIL：南方电网天生桥水电站(500kV)、广东奥岭核电站(500kV)、华东电网的瓶窑变(500kV母线分裂改造工程)以及青海省拉西瓦水电站(750kV出线)第一章

SF6气体的理化特性内容用于电力设备时绝缘气体应满足的要求SF6气体的基本特性---一般性质SF6气体的基本特性---绝缘和灭弧性能SF6气体的基本特性---环境影响SF6气体含水量的控制注意事项用于电力设备时绝缘气体应满足的要求一般说来，一种气体要用于电力设备作为绝缘材料，必须满足如下的要求：一般要求(1)没有毒性；(2)液化温度低；(3)化学稳定性好绝缘能力(1)击穿场强大；(2)分解生成物不导电灭弧能力(1)电弧安定性好；(2)导热性好；(3)分解生成物不导电环境要求(1)不能破坏大气臭氧层；(2)地球温暖化系数小；(3)大气寿命短经济性(1)便宜；(2)能安定供应SF6气体的基本特性---一般性质(1)SF6气体的一般性质SF6由卤族元素中最活泼的元素氟(F)原子与硫(S)原子结合而成，其分子结构是六个F原子处于顶点位置而S原子处于中心位置的正八面体，S和F以共价键联结，键距1.58×10-10m。无毒性化学稳定性好

200ºC且有催化剂的情况下，微量分解500ºC开始热分解2000K附近出现热分解高峰密度约为空气的5倍

窒息的危险性SF6气体的基本特性---一般性质三态图三态温度： -50.8ºC升华点温度： -63.8ºC临界压力： 3.76MPa临界温度： 45.6ºC断路器气室： 0.7MPa -20ºC其它气室： <0.45MPa -40ºC只有在高寒地区，才必须考虑GIS的断路器部分SF6气体液化的问题。通常，通过加热断路器或者采用SF6-N2混合气体作为灭弧介质解决液化问题。(2)SF6气体的液化温度SF6气体的基本特性---一般性质(3)SF6气体状态参数间的关系理想气体状态方程为：p:气压 V:气体所充满的体积：气体的摩尔数 R:气体常数R=8.31Jmol-1K-1T:气体的温度(K) N0:阿佛加德罗常数n:气体分子数密度 k:波尔兹曼常数k=1.3810-23JK-1非理想气体：Z:压缩因子当t=20ºC,p≤1MPa时，SF6气体的压缩因子可用下式表示(压力单位为MPa)：当气体压力增大时，SF6气体的压缩因子Z减小。这意味着气体密度增加时，气压并不成比例的增加。SF6气体的基本特性---一般性质其中，气体的密度与气体的分子数密度由如下关系：事实上，气体的密度、气体的压力、温度三者满足如下的方程：SF6气体的基本特性---绝缘和灭弧性能(1)SF6气体的电负性SF6气体的绝缘强度高主要原因在于它是强电负性气体。在某些气体中，原子或者分子容易吸附电子而形成负离子。负离子的形成，有利于减少气体中的电子密度，从而抑制放电的发展，提高气体的击穿强度。不同的气体分子，其原子吸附电子的能力是不同的，这种能力通常用电负性或电子亲和能来衡量。电子亲合势当原子的最外壳层没有填满电子的时候，原子容易附着电子而形成负离子。相反，惰性气体原子外层电子已满，不容易形成负离子。原子吸附电子的能力通常用电子亲合势表示，它是未激励的中性原子和负离子的总能量之差。电负性原子在分子中吸引电子能力的大小。SF6气体的基本特性---绝缘和灭弧性能电离系数：一个电子沿电场方向行经单位长度，平均发生的碰撞电离次数。附着系数：一个电子沿电场方向行经单位长度，平均发生的附着次数。有效电离系数：有效电离系数的测量表明，在(E/p)0附近：对均匀间隙，当p=0.1MPa时，SF6气体的击穿电场约为89kV/cm；而空气的击穿电场约为30kV/cm。所以通常说SF6气体的绝缘强度大约是空气的3倍。SF6气体的基本特性---绝缘和灭弧性能SF6气体耐电强度很高，但是对电场集中敏感。这是因为SF6气体分子对电子的附着能力随电子能量增大急剧减小。主要的吸附过程：SF6气体的基本特性---绝缘和灭弧性能(2)SF6气体的分解毒性、腐蚀性、稳定性、导电性(绝缘和灭弧)、导热性(灭弧)使SF6气体分解的原因：碰撞分解热分解光辐射分解GIS中SF6气体分解的途径：电弧电流一般在数千安培，持续时间数十至数百毫秒，能量约为105-107J，电弧的温度极高，可达到20000K，因此SF6发生热分解。高温下SF6及其气体分解物还会与金属发生反应，形成金属氟化物，如CuF2,AlF3,FeF3,FeF2等。其中WF6为气体，其它金属氟化物为粉末状固体(防止中毒事件的发生)。火花电晕或局部放电长时间放电产生大量的分解物单纯热分解大电流回路中接触电阻过大引起发热SF6气体的基本特性---绝缘和灭弧性能GIS中SF6气体分解的途径：SF6气体分解物的负面影响HF腐蚀金属、影响操作机构的工作，与含硅材料反应。固体生成物落在绝缘支撑材料表面且吸收了气体中的水分时，会降低闪络电压可能造成的人员中毒SF6气体的基本特性---绝缘和灭弧性能SF6气体无毒，但多数SF6分解气体有毒。有条件的情况下，在从事涉及SF6气体及其分解物的工作时，应装备下列防护装备：氧气浓度仪防毒面具穿防护服戴防护手套SF6气体的基本特性---绝缘和灭弧性能SF6气体分解产物对气体绝缘及灭弧性能的影响不大在电弧的作用下，SF6气体分子发生热分解，但同时分解生成也快速发生复合，重新成为SF6气体分子，也就是说SF6的耐电弧性能很好大部分SF6气态分解物具有很高的耐电强度，所以气态分解物对气体间隙的耐电强度没有什么影响放置吸附剂的目的除去气态SF6气体分解生成物除去SF6气体中的水分吸附剂的材质和用量活性氧化铝和分子筛吸附剂的放置量应不小于SF6气体质量的10%SF6气体的基本特性---绝缘和灭弧性能(3)SF6气体的热性能热传导SF6气体的导热系数：:气体密度：气体分子的均方根速度:气体分子的平均自由行程cv:气体的定容比热 气体的导热系数基本上与气体的压力无关，但随着气体温度的升高而增大。SF6气体的导热系数(0.014W/m·K,t=30ºC)要比空气小(0.027W/m·K)。SF6气体的对流换热系数：与空气相比，SF6气体的密度大，粘度小，因此，在气压、温度相同的情况下，SF6气体的对流换热系数大于空气。对流换热SF6气体的基本特性---绝缘和灭弧性能热分解时的传热SF6气体在2000K附近出现热分解高峰，由于SF6气体分解吸收大量的热，故其导热系数在2000K附近出现高峰，而氮气的导热系数的高峰出现在7000K附近，因此对于交流电弧过零时的冷却作用，空气远不如SF6气体。SF6气体的基本特性---绝缘和灭弧性能强电负性以及热分解对弧道的强烈能却作用使得SF6气体的灭弧能力很强SF6和N2的灭弧能力的比较：在0.1MPa气体中，用并联的短路火花间隙熄灭100A直流电弧后，测量单位长度弧道电导随时间的变化。电弧时间常数是电弧电流突然消失后，弧道电阻增大到初始值的2.718(e)倍所需要的时间。SF6气体的基本特性---环境影响温室效应气体SF6气体不会破坏大气臭氧层，然而它是1997年京都议定书指定的六种温室气体之一。SF6气体对温室效应的实际影响很小，只占0.07%左右。将SF6气体列为温室效应气体，主要是SF6气体对温室效应有着相当大的潜在危险。高全球变暖系数：SF6气体的全球变暖系数为23900长寿命：约为3200年大气中SF6含量的增长减少排放的措施推动SF6的回收利用降低GIS的年漏气率开发小型化、高性能的GIS开发替代气体或者是混合气体绝缘SF6气体含水量的控制气体含水量过高的危害水分的存在影响气体分解物的生成水分与酸性杂质在一起时，会使材料腐蚀，导致机械操作失灵在低温下，水分会在固体绝缘表面凝露，使沿面闪络电压急剧下降，导致事故SF6气体含水量的控制气体含水量对绝缘支撑闪络电压的影响露点温度高于0ºC时沿面闪络电压会急剧下降，但下降