六氟化硫断路器-西安交大高压电器-课件-图文

六氟化硫断路器电力开关设备及应用(高压电器部分)一、六氟化硫气体特性与灭弧原理1.六氟化硫气体的基本特性SF6是目前高压电器中使用的最优良的灭弧和绝缘介质。它无色、无味、无毒，不会燃烧，化学性能稳定，常温下与其它材料不会产生化学反应。电力开关设备及应用(高压电器部分)SF6

由卤族元素中最活泼的

氟原子与硫原子结合而成。

分子结构是个完全对称的八面体，硫原子居中，六个角上是氟原子，氟与硫原子间以共价键联结，

SF6

分子量为146,约是空气分

子量的5.1倍，因此同样体

积的SF6气体比空气重得多。迄今为止，工业上普遍采用的制造方法是将单质硫和过量气态氟直接化合。电力开关设备及应用(高压电器部分)·

理想气体的状态参数间存在着简单的关系，即理想气体的状态方程P=

Y

RT·SF6

气体的分子质量大，分子间的相互作用显著。当气体压力高于0.3MPa时，分子间的吸引力随气

体密度的增大、分子间距离的减小而加强，气体

的压力变化特性不再符合式理想气体的状态方程。

要准确地计算SF6气体状态参数间的关系，可采

用比较实用的Beattie—Bridgman

公式。

电力开关设备及应用(高压电器部分)(1)六氟化硫气体的状态参数·

静止气体可以用三个参数来说明气体所处的状态，称为三个状态参数，即压力P、

密度y

和温度T。SF6

气体的临界温度高。临界温度表示气体可以

被液化的最高温度，临

界压力则表示在临界温

度下使气体液化所需的

压力。

SF6

气体的临界温度高达45.6°C,

说明常

温下只要SF6

气体压力足

够高就会液化。SF6

气体能否液化决定于其饱和蒸汽压力。当

气体压力高于其饱和蒸

汽压力时，气体就液化。电力开关设备及应用(高压电器部分)电力开关设备及应用(高压电器部分)(2)六氟化硫气体的导热率SF6导热性能不如空气，其热导率比空气低，在常

温下比空气低30%。但由于其粘度较低和密度较高，且

分子量大，热容量就大，再考虑到对流效应，总的热传

输特性比空气要好2—5倍。电力开关设备及应用(高压电器部分)(3)六氟化硫气体的一般化学性能HF

AlF3

CuF₂WF₆

SF

4

CF

4WOF,

HF

SO₁FySiE₄H₂O其它气体二次反应(>1s)Si其它气体一

次反应

(<1s)聚四氟乙烯绝缘材料C₂Hy

Al石墨外壳触头人

CuSF₆—CF2一W电力开关设备及应用(高压电器部分)六氟化硫气体及其分解物的毒性问题女纯净的SF6

气体一般公认是无毒的。

SF6

在生产过程中会有少量伴随的生成物，其中S₂F₁o是公认的剧毒气体，

但经过净化处理可以完全将它除净。必纯净的SF6

气体虽然无毒，但在工作场所要防止SF6

气

体的浓度上升到缺氧的水平。☆

SF6

气体的密度大约是空气的五倍、

SF6

气体如有泄漏必将沉积于低洼处，如电缆沟中。浓度过大会出现使

人窒息的危险，设计户内通风装置时要考虑到这一情

况。☆SF6

气体通过对流能与空气混合，但速度很慢。气体一

旦混合后就形成SF6

和空气的混合气体，不会再次分离。问题严重的是，电弧作用下SF6

的分解物如SF₄

,S₂F₂

,SF₂

,SOF₂

,SO₂F₂

,SOF₄

和HF

等，它们都有强烈的腐蚀性和毒性。1)SF₄(四氟化硫)常温下SF4为无色的气体，有类似SO₂

的刺鼻气味，在空

气中能与水分生成烟雾，产生SOF₂

和HF。SF⁴

气体可用碱

液或活性氧化铝(Al₂O₃)

吸收。

SF⁴

气体对肺有侵害作用，影响呼吸系统，其毒性与光气相当。2)S₂F₂(氟化硫)常温下为无色气体，有毒，有刺鼻气味，遇水分能完全

水解形成S,SO₂

和HF。S₂F₂

对呼吸系统有类似光气的破坏

作用。3)SF₂(二氟化硫)SF₂

的化学性能极不稳定，受热后性能更加活泼，易水解

成S,SO₂

和HF。SF₂

气体可用碱液或活性氧化铝吸收。4)SOF₂

(氟化亚硫酰)SOF₂

为无色气体，有臭鸡蛋味，化学性能稳定。它与水

分反应缓促，并能快速地为活性氧化铝或活性炭吸附。SOF₂

为剧毒气体.可造成严重的肺水肿，使动物窒息死亡。电力开关设备及应用(高压电器部分)5)SO₂F₂

(二氟化硫酰)SO₂F₂

为无色无臭气体，化学性能极为稳定，加热到

150°C

时也不会与水和金属反应。

SO₂F₂

不易被活性氧

化铝吸收，但可被KOH

和NH₄OH

缓慢吸收。

SO₂F₂

是一

种能导致痉孪的有毒气体。它的危险性在于无刺鼻性嗅

味且不会对服鼻粘膜造成刺激作用，故发现中毒后往往

会迅速死亡。6)SOF4(四氟亚硫酰)SOF⁴

为无色气体，有刺鼻性气味，能被碱液吸收，与水反应会生成SO₂F2。SOF4

是有害气体，对肺部有侵

害作用。7)HF(氢氟酸)HF

是酸中腐蚀性最强的物质。对皮肤、粘膜有强烈刺

激作用，并可引起肺水肿和肺炎等。电力开关设备及应用(高压电器部分)电力开关设备及应用(高压电器部分)(4)六氟化硫气体的电负性气体原子或分子能够吸附自由电子而形成负离子

的性能称为电负性。

SF6

具有强电负性。电力开关设备及应用(高压电器部分)2.

六氟化硫气体的灭弧性能与灭弧原理(1)SF6

气体的分解温度(2000K)

比空气(主要是氮气，分解温度约7000K)

低，而需要的分解能

(22.4eV)比空气(9.7eV)

高，因此在分解时吸收的能量多，对弧柱的冷却作用强。由于气体分子的分解，在相应的分解温度上就出现气体导热率的高峰。温度/K热

导

率

/

W

c

m

-

I

K

-

电力开关设备及应用(高压电器部分)(2)SF6

在高温时分解出S原子、

F

原子和正负离子，与其他灭弧介质相比，有较大的游离度。在维持相同

游离度时，弧柱温度就较低。因此，

SF6

气体中电弧

电压也较低，燃弧时的电弧能量较小，对灭弧有利。几种气体中电弧的伏安特性I

/A(3)由于SF6

的强电负性，能吸附电子和正离子复合，故复合作用快，去游离作用强。尤其在电

流过零前后，可使弧隙中带电粒子减少，导电率

下降。

SF6

气体电弧的时间常数也很小，为微秒

级或更小，在电弧电流过零后，弧柱温度将急剧

下降，分解物急剧复合。因此SF6

弧隙的介质强

度及其恢复速度都很高，能耐受很高的恢复电压

作用，电弧在电流过零后不易重燃。电力开关设备及应用(高压电器部分)击穿强度(相对单位)电流过零后时间/ms图10.16

六氟化硫和空气中介质恢复曲线1—冷态SF

气体介质强度；2—冷态空气介质强度；图10.

15

六氟化硫、空气及它们的混合气体中电弧时间常数和气压的关系电力开关设备及应用(高压电器部分)电

弧

时

间

常

数

/

s气体压力/MPa电力开关设备及应用(高压电器部分)六氟化硫气体的灭弧原理六氟化硫气体中电弧的熄灭原理与空气电弧和油中电弧是不同的，它并不仅依

靠气流等的压力梯度所形成的等熵冷却作

用，而主要是利用六氟化硫气体的特异的

热化学性质和强电负性，使得六氟化硫气

体具有很强的灭弧能力。。对于灭弧来说，供给大量新鲜的六氟化硫中性分子并使之

与电弧接触是有效地方法。3

.六氟化硫气体的绝缘特性(1)六氟化硫气体具有很强的电负性(2)六氟化硫气体分子直径大，电子在六氟化硫气体中的平均自由行程短，不易

积累足够的动能，碰撞电离的可能性减

小。电力开关设备及应用(高压电器部分)二、

六氟化硫断路器的灭弧装置六氟化硫断路器的优点：■

可以提高单断口的额定电压和开断电流切小电感电流时较少发生截流现象；切

空载架空线时不会发生多次重击穿；能

承受快速上升的瞬态恢复电压，尤适于

开断近区故障满容量开断次数多，检修周期长可集合成GIS电力开关设备及应用(高压电器部分)电力开关设备及应用(高压电器部分)按所利用能源的不同，将SF6

灭弧装置分为三类：外能式灭弧装置：利用运行贮存的高压力SF6气体或开

断过程中依靠操作力产生SF6的压力差，在开断时将SF6气体吹向电弧而使之熄灭。■

自能式灭弧装置：利用电弧本身的能量使SF6气体受热

膨胀而产生压力差，在开断时将SF6气体吹向电弧而使

之熄灭。或者利用开断电流本身依靠线圈形成垂直于

电弧的磁场，使电弧在SF6气体中旋转运动而使之熄灭。■

混合式灭弧装置：既利用电弧(或开断电流)自身的

能量，也利用部分外界能量的综合式灭弧装置按开断过程中，灭弧装置工作特点的不同，将SF6灭弧装置分为：气吹式，热膨胀式，磁吹旋转电弧式，混合式1.

气吹式SF6

断路器灭弧装置(

1

)

双

压

力

式SF6

断

路

器最

早的

SF6

断路器是根据压缩空气断路器的气吹

灭弧原理设计的。通常设计采用全密封结构，0.3MPa

(表压力)的低压气体作为断路器内部

的绝缘介质，

1.5

MPa

(表压力)的高压气体

用作灭弧。由于这种断路器内部有两种不同的压力，故称

为双压力式SF6

断路器，又称为第一代SF6

断路

器。在60

年代，它被誉为开断电流最大、工作

性能最好的断路器，大有取代当时压缩空气断

路器的趋势。电力开关设备及应用(高压电器部分)双压式

SF₆

断路器1——高压中间贮气罐；2——

吹气阀；3——动触头；4——灭弧室；5-—脱扣弹簧；6——绝缘拉杆；7——高压力连接管；8——高压贮气罐；9——压缩机；10——Al₂O₃

吸附剂；11——气动机构；12——气动机构气罐；13——低压气体区；14——喷嘴；15——管道；16——

吹气阀电力开关设备及应用(高压电器部分)(b)(a)16(2)单压力式SF6

断路器■

双压力式SF6断路器工作性能虽然良好.但必须配置一

台在密封循环中工作的气体压缩机，结构复杂、价格

昂贵。另外，1.5MPa

(表压力)高压SF6

气体的液化

温度高，工作温度必须保持在8°C

以上，低温环境下

需要加热才能工作，这也是一个致命的弱点。因此很

快被第二代SF6

断路器，即单压力(压气)式SF6

断路

器所取代。单压力(压气)式

SF6断路器，外形上与双压式无多大差别。断路器内部只有一种压力，

一般为0.6

MPa(表压

力),它是依靠压气作用实现气吹来灭弧的。电力开关设备及应用(高压电器部分)压气式

SF₆

断路器开断过程示意图1

——

静主触头；2——

静弧触头；3——

动弧触头；4——

动主触头；5——压气缸；6——活塞；7——操作杆；8——

喷嘴；9——压气室电力开关设备及应用(高压电器部分)(b)

触头分离(d)

分闸位置(c)

气吹电弧(a)

合闸位置压气式灭弧室的开断过程分为两个阶段：(1)预压缩阶段为使触头分离产生电弧时就能实行有效的气吹，压气灭

弧室应先进行一段预压缩过程，使压气室中的气体压力

提高后再打开喷口产生吹弧作用。压气灭弧室要求有较

大的预压缩行程(超行程),达到全行程的40%。压气式

SF6断路器的分闸时间比其它断路器要长些。(2)气吹阶段要保证电弧可靠熄灭，在气吹阶段中，要压气室中的气

体压力仍保持较高的比值。这就要求压气室体积的压缩

率足够高，足以补偿喷口流出气体引起的压力下降。电力开关设备及应用(高压电器部分)2-变熄弧距灭弧方式：触头开距在整个分闸过程中是不断改变的。优点是开距大，断口电压可以做得较高，熄弧后介质强度恢复速度较快，喷口形状不受限制，可以设计得比较合理，有利于改善吹弧效果。电力开关设备及应用(高压电器部分)电力开关设备及应用(高压电器部分)定熄弧距灭弧方式：两个静触头式中保持固定的开距，气流向静触头喷口处对电弧进行双向对称纵吹。优点是触头开距小，行程短，电弧能量小，熄弧能力强，燃弧时间短。(c)2.自能式SF6

断路器自

能式

SF6

断路器是在压气式基础上发展起来的，又称第三代SF6

断路器。用电弧

能量建立灭弧所需要的压力差。自

能式

SF6

断路器的开断能力与电弧能量有关。可采用弹簧操动机构电力开关设备及应用(高压电器部分)自能式气自吹

SF₆

断路器工作示意图1——弧静触头；2-—绝缘喷口；3

主静触头；4

弧动触头；5

主动触头；6——贮气室；7——滑动触头；8——

阀门；9——辅助贮气室；10

固定活塞；11——

阀门电力开关设备及应用(高压电器部分)(b)

开断大电流(c)

开断小电流(d)

分闸位置(a)

合闸位置电力开关设备及应用(高压电器部分)s/mm△p/barI/KAt/ms3.旋弧式SF6

断路哭旋

弧

式