第一章SF气体的性质

华北电力大学SF6气体绝缘

全封闭组合电器（GIS）GIS（GasInsulatedSwitchgear）是气体绝缘全封闭组合电器的英文简称。GIS由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等组成，这些设备或部件全部封闭在金属接地的外壳中，在其内部充有SF6绝缘气体，以实现导体对外壳、相间以及断口间的可靠绝缘。故也称SF6全封闭组合电器。优点：GIS不仅在高压、超高压领域被广泛应用，而且在特高压领域也被使用。与常规敞开式变电站相比，GIS的优点在于结构紧凑、占地面积小、可靠性高、配置灵活、安装方便、安全性强、环境适应能力强，维护工作量很小，其主要部件的维修间隔不小于20年。生产厂家：目前，GIS国外生产厂家主要有ABB、东芝、三菱、日立、西门子、阿尔斯通等，国内生产厂家有西开、沈高、平高等。我国通过技术引进，消化吸收，目前已掌握500千伏GIS的设计制造技术。自主研发的1000千伏GIS（包括核心部件灭弧室和操动机构）将完全自主设计制造。发展前景：GIS制造技术在不断进步和发展，40多年来，各GIS生产厂家围绕着提高经济性和可靠性这两个主要目标，在元件结构、组合形式、制造工艺以及使用和维护方面进行了大量研究、开发。随着大容量单压式SF6断路器的研制成功和氧化锌避雷器的应用，GIS的技术性能与参数已超过常规开关设备，并且使结构大大简化，可靠性大大提高，为GIS进一步小型化创造了十分有利的条件。华北电力大学第一章

SF6气体的性质SF6气体是目前最优良的绝缘介质和灭弧介质，其绝缘性能和灭弧性能比绝缘油要好的多。华北电力大学§1SF6气体的基本特性§1.1SF6气体的基本特性物理特性：无色、无味、无嗅、无毒、不燃烧，临界温度是45.6℃

；难溶于水，在部分有机溶剂中的溶解度比较高。化学性能：很稳定。常温甚至电气设备最高允许温度150℃内，一般不会发生化学反应。150℃以上，与塑料发生微弱化学反应，200℃以上和铜铝慢慢反应，500℃自身开始分解。导热性：热传导性差，导热系数只有空气2/3，但表面传热系数为15，是空气的2.5倍，综合来说，其散热性比空气要好。华北电力大学特性分子量临界温度℃临界压力MPa熔点℃升华点℃介电常数导热系数表面传热系数绝热指数SF614645.63.84-50.8-63.81.0020.014151.0华北电力大学负电性：分子容易吸收自由电子形成负离子的特性。因为F最外层为7个电子，很容易吸收一个电子成为稳定的8个电子。灭弧原理：SF6负电性形成负离子，与电弧中正离子结合，使电弧中带点离子迅速减少，提高了电弧的击穿电压，使电弧很快恢复。制造方法：S＋3F2SF6＋Q（放热），合成粗品经过水洗、碱洗、热解、用吸附剂吸净等一系列净化处理，装入钢瓶液态运输。GIS设备安装完毕后，还要出去各种杂质和水分。其标准是由国际电工委员会（IEC）和各国制定。元素名称氟氯溴碘氧硫氮与电子结合的亲和能（eV，电子伏）4.103.783.433.203.802.060.04在周期表中位置ⅦⅦⅦⅦⅥⅥⅤ某些元素的电子亲和能由于SF6气体分子质量大，用P=RT这个公式来计算温度、压力、密度三个状态参数偏差很大，但根据曲线图能求出三个参数。S：升华点；T：熔点；K：临界点华北电力大学§2气体的状态参数华北电力大学SF6气体状态参数特性曲线图SF6气体液化温度与密度值有关，只要SF6气体的密度不变，则其液化温度也不变。每条密度线与分界线MN的交点，就是SF6气体的液化点，从而可得到这一密度下的液化温度。T不变，P，液化温度因此压力不能太高。SF6气体温度太低也容易液化，所以寒冷地区，GIS要采取保温措施。自分解：灭弧：华北电力大学§3SF6气体分解物的毒性和其他性质二、影响SF6分解过程中的主要因素一、概述：SF6气体无毒，但是分子量大，有窒息作用。电弧能量的影响：能量增多，SF6气体分解物含量也增大；电极材料的影响：分解物含量取决于电极材料的金属蒸发量，铜、银影响较小；水分的影响：含水量的多少，对电弧分解物组成的含量有极大影响。氧气的影响：如图绝缘材料的影响：理想材料是聚四氟乙烯。实际用环氧树脂多，运行中会释放水分和氧气。华北电力大学性质：无色、刺激味，易溶于苯，有毒；性能稳定，与水、碱反应；性质：无色有溴味，有毒；与碱、水、钠发生反应，能使橡胶硫化；性质：化学性能极不稳定，有毒；可用碱、活性氧化铝吸收；性质：无色易挥发，有毒，化学性能稳定；不溶于水、碱液中；性质：无色刺激性，有毒，化学性能稳定，有很高电击穿稳定性；性质：无嗅无味，有毒，化学性能稳定；易容易甲苯和四氯化碳；性质：无色有刺激性，与水反应，有毒；华北电力大学三、电弧作用下SF6分解物的性质华北电力大学环境温度升高，SF6气体中水分也增高环境湿度增大，SF6气体中水分也增高§4GIS设备中的水分一、产生原因：1、GIS设备在制造、运输、安装、检修过程中都可能接触水分；2、GIS设备的绝缘件带有少量水分；3、GIS吸附剂本身含有水分；4、SF6气体含有水分；5、水分子直径远小于SF6气体分子直径，水分子可以钻进去。二、SF6气体中含水量单位及其换算1、体积浓度单位：气体与气体中水分的体积之比。ppmv2、质量浓度单位：1g气体中含有1水蒸气，叫做1ppmw3、SF6气体中体积比与质量比的换算：体积比/（146/18）＝质量比水分引起设备化学腐蚀水分对电器设备绝缘件的危害除了腐蚀，还在绝缘件表面产生凝结水，附在绝缘件表面，造成沿面闪络。但当压力和温度达到一定值时，水蒸气变成冰，对绝缘件危害大大减小。三、水分对GIS设备的危害性四、GIS中水分的控制1、严格控制新的SF6气体含水量；2、改善GIS设备密封材料的质量，严格遵守安装密封环的工艺规程；3、在GIS设备中放置吸附剂；4、GIS设备尽量使用室内式布置，可以控制室内湿度、温度、减少产生水分的机会，避免灰尘和其它杂质侵入。SF6气体中的水分，有毒气体都可以用吸附剂来吸收。在GIS气室里适量的吸附剂，水分、毒气都可以减少，从而保证运行人员安全。活性炭：吸附能力强，但选择性差，能吸附SF6，所以不能用于GIS；活性氧化铝：不吸收SF6，吸收大部分分解物，有较好选择性，是GIS设备较理想的吸附剂；烧碱：能吸附大部分分解物，吸附能力较好，和氧化铝相似；石灰：吸附能力好，但是吸附较差；分子筛：对吸附能力好，不太理想的吸附剂。§5GIS设备中的吸附剂吸附剂总用量：吸附剂吸收分解物用量吸附剂吸收水分用量工程上一般去SF6气体重量的10－15％作为吸附剂用量SF6气体中的杂质和水分的含量是很微小的，但是其危害很大，它足以改变SF6气体的性能。因此一定要严格检测。检测方法：1、水分的测定方法：重量法、电解法、露点法。2、空气和四氟化碳的测定方法：用气象色谱法测量。3、矿物油的测定方法：用红外分光光度计进行测定。4、游离酸的测定方法：用标准碱吸收SF6气体中的酸，然后用标准酸来反滴过量碱的酸碱中和滴定法。5、可水解氟化物的测定方法：用比色分光光度分析法和氟离子选择电极等2种方法。§6SF6气体杂质的检测1、均匀电场下气体的击穿特性游离：宇宙射线照射下，原子吸收能量，最外层电子脱离原子核束缚变为自由电子，中性原子变成正离子。复合：正离子遇到自由电子，把它吸附到最外层变为中性原子，放出能量。间隙被击穿：随着电压升高，电子碰撞产生更多自由电子，最终在间隙中变成了等离子体，使间隙完全失去了绝缘性能，变为导体了。自持放电：间隙一旦击穿，外界游离因素可以取消，本身游离维持能量。2、极不均匀电场下气体的击穿特性（棒---板电极）电晕放电：随着电压升高，棒电极周围气体达到自持放电，周围发生电晕。间隙被击穿：随着电压升高，电晕放电继续扩大，直到间隙被击穿。极性效应：正棒—负板，电晕起始电压高，击穿电压较低；负棒—正板，电晕起始电压低，击穿电压较高。§7SF6气体的绝缘特性3、稍不均匀电场下气体的击穿特性稍不均匀电场的击穿场强介于均匀电场和不均匀电场之间，电场越均匀，击穿场强越高。因此安装GIS设备时，不要破坏电场均匀性。4、SF6气体的击穿特性与空气击穿特性相似，但是SF6有很强的负电性，很容易吸附电子成为负离子，游离能力大减，阻碍放电的形成。SF6气体分子直径比氧气、氮气大很多，平均自由行程缩短，碰撞游离能力减弱。运动速度小，更容易发生复合，使带电质点减少。

因此，SF6是电气强度很高的气体，大概是空气的3倍左右。3个大气压下和绝缘油电气强度相当。用SF6气体做成电气设备，其绝缘距离小、体积也小。§8各种因素对SF6气体击穿电压的影响电场均匀性对SF6击穿电压影响1间隙对SF6击穿电压影响2SF6气体的压力对击穿电压影响3GIS设备结构与电场的关系4SF6气体的绝缘冲击特性5电极表面状态对SF6气体击穿电压的影响6一、电场均匀性影响

1、不均匀电场中，当E，SF6气体中的带电质点的增长速度远大于空气中，击穿电压下降很多。电极能自持放电的电压就是电极的电晕起始电压，与电极的曲率半径有关，曲率半径小时，空气与SF6的起晕电压相差不大；曲率半径大时，SF6的起晕电压比空气大几倍。2.极性效应：极不均匀电场，正极性击穿电压比负极性低；稍不均匀电场，负极性击穿电压比正极性低。

GIS设备的电场结构是稍不均匀电场，因此其绝缘水平取决于负极。3.自屏蔽效应：极不均匀电场中，当棒极发生电晕放电后，空间电荷因热运动向周围扩大，形成较均匀电晕层，好像扩大了棒极半径，改善了周围电场分布。

SF6气体分子量大，直径大，不易扩散，因此SF6自屏蔽效应不如空气好，使其击穿电压和起晕电压比较接近。

因此，场强增大时，SF6气体中的带电质点增长速度比空气的大很多，其自屏蔽效应又不如空气，所以SF6气体在不均匀电场中的击穿电压比均匀电场中低很多，比空气击穿电压降低速度还要大。电场均匀与否，对SF6气体的击穿电压影响很大。所以要求GIS设备电场一定要均匀。1、均匀电场中二、间隙对SF6气体击穿电压的影响

2、稍不均匀电场中3、极不均匀电场中总结：不管在哪种电场内，随着间隙距离增加，SF6气体击穿电压也升高，而且都出现饱和现象。电场越均匀，升高的越快。稍不均匀和极不均匀电场内都存在极性效应。三、SF6气体压力对击穿电压的影响

提高SF6气体的压力，使电子平均自由行程缩短，因此提高了击穿电压。但是压力增加到一定程度，就会出现饱和现象，而且SF6也更容易液化。因此，GIS设备内的压力要限制在一定范围内。目的：保证GIS设备的电场保持均匀。措施：加大电极间隙距离；带电体和外壳之间使用同轴圆柱体结构，稍不均匀电场；选择外壳直径与带电体直径之比e=2.718倍设计；GIS设备有转角之处，都要呈圆弧型，不能起棱角；电极周围要用均压罩屏蔽；安装时不要有划痕和凹凸不平之处存在。

四、GIS设备结构与电场的关系

五、SF6气体的绝缘冲击特性

、均匀电场极不均匀稍不均匀放电形成时延小，统计时延大放电形成时延偏小，统计时延偏大放电形成时延大，统计时延小1、放电时延SF6有负电性，吸收有效电子，增长了统计时间。工程上用间隙出现的最大电压和放电时间的关系，来表示间隙的击穿特性。2、伏秒特性3、冲击系数

--间隙的冲击系数；--50%冲击电压；

--持续作用的电压。操作击穿电压接近于工频击穿电压，因为：SF6放电时延比空气长，但电晕自屏蔽效应弱于空气，且SF6气体处于稍不均匀电场里。GIS设备的冲击特性：放电时延长、冲击系数大、击穿电压随冲击波波头时间的增加而减少、负极性击穿电压比正极性低。GIS设备的绝缘水平主要决定于雷电冲击电压水平，特别是负极性的雷电冲击水平。操作过电压略比工频过电压高。所以，要想降低GIS设备的绝缘水平，首先要降低雷电过电压的水平和操作过电压的绝缘水平。4、操作冲击特性1、电极表面净化处理由于强场放射，电极表面粗糙、有杂质、尘埃，都将使击穿电压降低。

电极的净化效应：多次击穿之后，可以将电极上的毛刺、尘埃等杂物烧去，从而提高间隙间的击穿电压。六、电极表面状态对SF6气体击穿电压影响

2、电极表面的粗糙程度电极表面的粗糙程度对击穿电压、电压波形、电极极性都有影响。3、面积效应电极的面积越大，出现降低击穿电压的概率就越多，击穿电压就越低。电极表面越光滑，气压越高，电极的面积效应越大，表面粗糙度对其影响越来越小。电极材料对设备的击穿电压无明显影响。4、电极材料5、导电粒子的影响导电粒子的存在，明显降低击穿电压。因为它相当于增大了电极表面粗糙度。雷电冲击电压下，导电粒子作用时间很短，还来不及移动，因此对击穿电压影响小；对工频击穿电压的影响就很大。击穿电压与导电粒子形状、大小、电压波形都有关系。因此，在制造和安装GIS设备时，不允许内部有任何金属微粒、粉末侵入，保持设备内部清洁特别重要。特性空气绝缘SF6气体绝缘电场结构长间隙极不均匀电场短间隙稍不均匀电场极性效应正极性击穿电压低负极性击穿电压低冲击特性放电时延主要决定于形成时延，统计时延很小同电场结构下，放电时延比空气长很多冲击系数约1~1.1约1.1~1.3波形操作冲击电压下，随着波头时间改变，击穿电压有极小值击穿电压随波头时间增大减小气体压力P，U，但有饱和趋势，电场越不均匀，越容易饱和与空气相同电极状况无影响有影响一、影响绝缘表面闪络电压的因素绝缘物的电场分布：尽量均匀，经常加均压环；套管的电场分布：尽量均匀，经常加屏蔽罩。二、绝缘子表面状况绝缘子有灰尘、微粒存在，将降低套管的闪络电压，增加其分散性。因此，清洁绝缘子对提高闪络电压很有影响。三、SF6气体中水分对绝缘子的影响

水分能使固体绝缘子的绝缘降低之外，而且还在绝缘子表面凝结为露水，大大降低绝缘子表面闪络电压。§9SF6气体中沿固体介质表面的放电一、电弧定义：温度很高时，气体分子产生游离，中性分子分解为自由电子和正离子，在电场作用下向一定方向运动，气体放电。离子流和电子流一起组成放电的电流，叫电弧。特性：温度很高，10000-20000℃；密度大，平均密度为1000，具有负的伏安特性和负的电阻温度特性。灭弧基本过程：电弧的特性由等离子体的特性决定，起决定作用的是电弧的温度。所以要是电弧熄灭，必须降低电弧的温度，要用强烈的冷却手段。电弧温度下降，其电导率也相应减小。导致间隙中带点粒子复合为中性分子，使气体恢复到绝缘状态。

§10SF6气体的灭弧性能过程：当温度达到5000K以上，气体出现电离，使气隙中产生自由电子和正离子以及负的氟离子，使气体带电，电弧具有了较高的导电率。二、SF6气体的分解和电离SF6气体灭弧好的原因：

SF6气体分解过程中，自由电子速度很快，难与正离子复合；不活泼，容易与正离子复合成中性原子，使气体导电率下降，恢复绝缘。1、电弧的热传导SF6气体的电弧在弧芯和弧焰的交界处，有很高的热传导，温度降低的很快。且弧芯温度高，电弧的电压梯度低，因此SF6不易重燃。

SF6气体的弧芯中央一直维持高温结构，这一特点对灭弧很有好处，因为电流过零时，电弧的体积已经很小了，所储存的能量也很小，有利于绝缘的恢复，并不再重燃。三、电弧的散热2、电弧的辐射

(1)压力与辐射成正比。气压越大，辐射的能量越大。(2)当辐射能量穿过5mm的电弧后，同样的压力下，其减少一个数量级。(1)没有金属蒸汽的SF6气体其辐射能量要比有金属蒸汽的大一个数量级；(2)纯SF6气体的辐射能量比电弧外层的温度较低之处大100倍。99%被电弧本身吸收；(3)只有纯SF6气体的辐射能量略高氮气，其它2种都比氮气低。对流散热：指气体热运动而带走的能量，它可以由局部的压力差而引起气体流动。3、电弧的对流散热

电弧中央：散热以传