SF高壓開關(guān)學(xué)習(xí)資料第一章

西安交通大學(xué)高電壓技術(shù)教研室穆海寶GIS裝置及其絕緣技術(shù)《GIS裝置及其絕緣技術(shù)》2012年04月26日授課時(shí)間課程內(nèi)容第○章緒論第一章SF6氣體的理化特性第二章SF6氣體的電氣性能第三章表面粗糙度和導(dǎo)電微粒對SF6絕緣的影響第四章SF6中支撐絕緣子的沿面放電第五章氣體絕緣電力設(shè)備第六章GIS設(shè)備現(xiàn)場耐壓試驗(yàn)及絕緣故障診斷第七章混合氣體絕緣參考書目：[1]邱毓昌.GIS裝置及其絕緣技術(shù)[M].北京:水利電力出版社，1994.[2]黎斌.SF6高壓電器設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.[3]羅學(xué)琛.SF6高壓氣體絕緣全封閉組合電器(GIS)[M].北京：中國電力出版社，1998.緒論GIS的意思是…“GIS”地理信息系統(tǒng)(GeographicInformationSystem)氣體絕緣金屬封閉式組合電器(Gas-insulatedswitchgear)

氣體絕緣變電站(Gas-insulatedsubstation)氣體絕緣電力設(shè)備(Gasinsulationsystem)SF6斷路器(GCB)氣體絕緣金屬封閉式組合電器(GIS)氣體絕緣輸電管道(GIL/GIC)氣體絕緣變壓器(GIT)“氣體”六氟化硫(SF6)、干燥壓縮空氣(非SF6GIS)GIS設(shè)備的技術(shù)變遷1900 法國H.Moissan和P.Lebeau首次合成SF61937 美國GE公司的E.E.Charlton和F.S.Cooper發(fā)現(xiàn)了SF6的高絕緣耐力1938 F.S.Cooper申請了SF6應(yīng)用于電力設(shè)備的美國專利美國軍方用于曼哈頓計(jì)劃1947SF6開始商用1953 美國WH公司的H.J.Lingal申請了GCB專利1955 美國WH公司制造第一臺GCB1956 美國制造第一臺GIT1967 德國和瑞士第一臺GIS開始運(yùn)行1975 德國第一條GIL/GIC國內(nèi)60年代開始研制六氟化硫絕緣電氣設(shè)備80年代大量的SF6電氣設(shè)備引進(jìn)和研制成功GIS技術(shù)的起源GIS設(shè)備的技術(shù)變遷高電壓化

GIS72kV550kV1100kVGIS技術(shù)的發(fā)展日本1968年投運(yùn)的72kVGIS超高壓GIS試驗(yàn)場GIS設(shè)備的技術(shù)變遷小型化、提高可靠性GIS設(shè)備的技術(shù)變遷IEEESubstationsCommittee體積：

145kVGIS體積下降為原來的30%，使用SF6降為原來的25%?？煽啃裕?平均無故障時(shí)間提高到400-1000年/間隔GIS設(shè)備的技術(shù)變遷直流GIS的出現(xiàn)日本紀(jì)伊水道直流輸電工程中的直流GIS(按照500kV設(shè)計(jì)、試驗(yàn),目前運(yùn)行于250kV)GIS設(shè)備的技術(shù)變遷混合氣體絕緣降低經(jīng)濟(jì)成本防止溫室效應(yīng)導(dǎo)致的全球變暖基于設(shè)備狀況的維修管理技術(shù)定時(shí)維護(hù)(TBM)基于設(shè)備狀況的維護(hù)(CBM)GIS設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)體積小

0.1MPa下，SF6的絕緣強(qiáng)度是空氣的大約3倍 高壓導(dǎo)體全部封閉在金屬外殼內(nèi)

(500kV的GIS只有敞開式電器的1/50左右大小)敞開式變電站(72kV-1200A,215MVA)

替代為金屬封閉式組合電器之后設(shè)置于公園地下的GIS和變壓器GIS設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)可靠性高平均無故障時(shí)間：400-1000年/間隔壽命：35-50年不受惡劣環(huán)境因素(如臺風(fēng)、鹽堿、地震等)的影響無火災(zāi)隱患不污染環(huán)境、對居民友好體積小、可靠性高適用于征地困難的地區(qū)維護(hù)工作量小壽命長，全壽命造價(jià)低GIS設(shè)備的應(yīng)用GIS設(shè)備使用量的增加GIS 全球超過20000間隔(2005年)GIT 第一臺69kV、2MVA 全球運(yùn)行的GIT超過10000臺，主要集中在 亞太地區(qū)(2003年)GIL 第一條700m 全球約300kmGCB 國內(nèi)的情況

(1)至目前，高壓斷路器幾乎全部使用SF6替代絕緣油和空氣介質(zhì)。新建或改造的220kV及以上電壓等級變電站基本全部采用SF6開關(guān)設(shè)備。

(2)截止到2000年前，全國電力系統(tǒng)220kV及以上電壓等級斷路器共12162臺。其中，100%的500kV開關(guān)設(shè)備729臺和接近100%的330kV開關(guān)設(shè)備359臺為SF6斷路器和GIS；而在220kV電壓等級，SF6斷路器和GIS已占裝運(yùn)開關(guān)設(shè)備的約50%~60%。

(3)國內(nèi)SF6氣體絕緣變壓器的使用量總計(jì)已經(jīng)達(dá)到數(shù)十臺(分布于北京、上海、香港、深圳、重慶等地)。

(4)GIL：南方電網(wǎng)天生橋水電站(500kV)、廣東奧嶺核電站(500kV)、華東電網(wǎng)的瓶窯變(500kV母線分裂改造工程)以及青海省拉西瓦水電站(750kV出線)第一章

SF6氣體的理化特性內(nèi)容用于電力設(shè)備時(shí)絕緣氣體應(yīng)滿足的要求SF6氣體的基本特性---一般性質(zhì)SF6氣體的基本特性---絕緣和滅弧性能SF6氣體的基本特性---環(huán)境影響SF6氣體含水量的控制注意事項(xiàng)用于電力設(shè)備時(shí)絕緣氣體應(yīng)滿足的要求一般說來，一種氣體要用于電力設(shè)備作為絕緣材料，必須滿足如下的要求：一般要求(1)沒有毒性；(2)液化溫度低；(3)化學(xué)穩(wěn)定性好絕緣能力(1)擊穿場強(qiáng)大；(2)分解生成物不導(dǎo)電滅弧能力(1)電弧安定性好；(2)導(dǎo)熱性好；(3)分解生成物不導(dǎo)電環(huán)境要求(1)不能破壞大氣臭氧層；(2)地球溫暖化系數(shù)??；(3)大氣壽命短經(jīng)濟(jì)性(1)便宜；(2)能安定供應(yīng)SF6氣體的基本特性---一般性質(zhì)(1)SF6氣體的一般性質(zhì)SF6由鹵族元素中最活潑的元素氟(F)原子與硫(S)原子結(jié)合而成，其分子結(jié)構(gòu)是六個(gè)F原子處于頂點(diǎn)位置而S原子處于中心位置的正八面體，S和F以共價(jià)鍵聯(lián)結(jié)，鍵距1.58×10-10m。無毒性化學(xué)穩(wěn)定性好

200oC且有催化劑的情況下，微量分解500oC開始熱分解2000K附近出現(xiàn)熱分解高峰密度約為空氣的5倍

窒息的危險(xiǎn)性SF6氣體的基本特性---一般性質(zhì)三態(tài)圖三態(tài)溫度： -50.8oC升華點(diǎn)溫度： -63.8oC臨界壓力： 3.76MPa臨界溫度： 45.6oC斷路器氣室： 0.7MPa -20oC其它氣室： <0.45MPa -40oC只有在高寒地區(qū)，才必須考慮GIS的斷路器部分SF6氣體液化的問題。通常，通過加熱斷路器或者采用SF6-N2混合氣體作為滅弧介質(zhì)解決液化問題。(2)SF6氣體的液化溫度SF6氣體的基本特性---一般性質(zhì)(3)SF6氣體狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系理想氣體狀態(tài)方程為：p:氣壓 V:氣體所充滿的體積：氣體的摩爾數(shù) R:氣體常數(shù)R=8.31Jmol-1K-1T:氣體的溫度(K) N0:阿佛加德羅常數(shù)n:氣體分子數(shù)密度 k:波爾茲曼常數(shù)k=1.3810-23JK-1非理想氣體：Z:壓縮因子當(dāng)t=20oC,p≤1MPa時(shí)，SF6氣體的壓縮因子可用下式表示(壓力單位為MPa)：當(dāng)氣體壓力增大時(shí)，SF6氣體的壓縮因子Z減小。這意味著氣體密度增加時(shí)，氣壓并不成比例的增加。SF6氣體的基本特性---一般性質(zhì)其中，氣體的密度與氣體的分子數(shù)密度由如下關(guān)系：事實(shí)上，氣體的密度、氣體的壓力、溫度三者滿足如下的方程：SF6氣體的基本特性---絕緣和滅弧性能(1)SF6氣體的電負(fù)性SF6氣體的絕緣強(qiáng)度高主要原因在于它是強(qiáng)電負(fù)性氣體。在某些氣體中，原子或者分子容易吸附電子而形成負(fù)離子。負(fù)離子的形成，有利于減少氣體中的電子密度，從而抑制放電的發(fā)展，提高氣體的擊穿強(qiáng)度。不同的氣體分子，其原子吸附電子的能力是不同的，這種能力通常用電負(fù)性或電子親和能來衡量。電子親合勢當(dāng)原子的最外殼層沒有填滿電子的時(shí)候，原子容易附著電子而形成負(fù)離子。相反，惰性氣體原子外層電子已滿，不容易形成負(fù)離子。原子吸附電子的能力通常用電子親合勢表示，它是未激勵的中性原子和負(fù)離子的總能量之差。電負(fù)性原子在分子中吸引電子能力的大小。SF6氣體的基本特性---絕緣和滅弧性能電離系數(shù)：一個(gè)電子沿電場方向行經(jīng)單位長度，平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)。附著系數(shù)：一個(gè)電子沿電場方向行經(jīng)單位長度，平均發(fā)生的附著次數(shù)。有效電離系數(shù)：有效電離系數(shù)的測量表明，在(E/p)0附近：對均勻間隙，當(dāng)p=0.1MPa時(shí)，SF6氣體的擊穿電場約為89kV/cm；而空氣的擊穿電場約為30kV/cm。所以通常說SF6氣體的絕緣強(qiáng)度大約是空氣的3倍。SF6氣體的基本特性---絕緣和滅弧性能SF6氣體耐電強(qiáng)度很高，但是對電場集中敏感。這是因?yàn)镾F6氣體分子對電子的附著能力隨電子能量增大急劇減小。主要的吸附過程：SF6氣體的基本特性---絕緣和滅弧性能(2)SF6氣體的分解毒性、腐蝕性、穩(wěn)定性、導(dǎo)電性(絕緣和滅弧)、導(dǎo)熱性(滅弧)使SF6氣體分解的原因：碰撞分解熱分解光輻射分解GIS中SF6氣體分解的途徑：電弧電流一般在數(shù)千安培，持續(xù)時(shí)間數(shù)十至數(shù)百毫秒，能量約為105-107J，電弧的溫度極高，可達(dá)到20000K，因此SF6發(fā)生熱分解。高溫下SF6及其氣體分解物還會與金屬發(fā)生反應(yīng)，形成金屬氟化物，如CuF2,AlF3,FeF3,FeF2等。其中WF6為氣體，其它金屬氟化物為粉末狀固體(防止中毒事件的發(fā)生)?；鸹姇灮蚓植糠烹婇L時(shí)間放電產(chǎn)生大量的分解物單純熱分解大電流回路中接觸電阻過大引起發(fā)熱SF6氣體的基本特性---絕緣和滅弧性能GIS中SF6氣體分解的途徑：SF6氣體分解物的負(fù)面影響HF腐蝕金屬、影響操作機(jī)構(gòu)的工作，與含硅材料反應(yīng)。固體生成物落在絕緣支撐材料表面且吸收了氣體中的水分時(shí)，會降低閃絡(luò)電壓可能造成的人員中毒SF6氣體的基本特性---絕緣和滅弧性能SF6氣體無毒，但多數(shù)SF6分解氣體有毒。有條件的情況下，在從事涉及SF6氣體及其分解物的工作時(shí)，應(yīng)裝備下列防護(hù)裝備：氧氣濃度儀防毒面具穿防護(hù)服戴防護(hù)手套SF6氣體的基本特性---絕緣和滅弧性能SF6氣體分解產(chǎn)物對氣體絕緣及滅弧性能的影響不大在電弧的作用下，SF6氣體分子發(fā)生熱分解，但同時(shí)分解生成也快速發(fā)生復(fù)合，重新成為SF6氣體分子，也就是說SF6的耐電弧性能很好大部分SF6氣態(tài)分解物具有很高的耐電強(qiáng)度，所以氣態(tài)分解物對氣體間隙的耐電強(qiáng)度沒有什么影響放置吸附劑的目的除去氣態(tài)SF6氣體分解生成物除去SF6氣體中的水分吸附劑的材質(zhì)和用量活性氧化鋁和分子篩吸附劑的放置量應(yīng)不小于SF6氣體質(zhì)量的10%SF6氣體的基本特性---絕緣和滅弧性能(3)SF6氣體的熱性能熱傳導(dǎo)SF6氣體的導(dǎo)熱系數(shù)：:氣體密度：氣體分子的均方根速度:氣體分子的平均自由行程cv:氣體的定容比熱 氣體的導(dǎo)熱系數(shù)基本上與氣體的壓力無關(guān)，但隨著氣體溫度的升高而增大。SF6氣體的導(dǎo)熱系數(shù)(0.014W/m·K,t=30oC)要比空氣小(0.027W/m·K)。SF6氣體的對流換熱系數(shù)：與空氣相比，SF6氣體的密度大，粘度小，因此，在氣壓、溫度相同的情況下，SF6氣體的對流換熱系數(shù)大于空氣。對流換熱SF6氣體的基本特性---絕緣和滅弧性能熱分解時(shí)的傳熱SF6氣體在2000K附近出現(xiàn)熱分解高峰，由于SF6氣體分解吸收大量的熱，故其導(dǎo)熱系數(shù)在2000K附近出現(xiàn)高峰，而氮?dú)獾膶?dǎo)熱系數(shù)的高峰出現(xiàn)在7000K附近，因此對于交流電弧過零時(shí)的冷卻作用，空氣遠(yuǎn)不如SF6氣體。SF6氣體的基本特性---絕緣和滅弧性能強(qiáng)電負(fù)性以及熱分解對弧道的強(qiáng)烈能卻作用使得SF6氣體的滅弧能力很強(qiáng)SF6和N2的滅弧能力的比較：在0.1MPa氣體中，用并聯(lián)的短路火花間隙熄滅100A直流電弧后，測量單位長度弧道電導(dǎo)隨時(shí)間的變化。電弧時(shí)間常數(shù)是電弧電流突然消失后，弧道電阻增大到初始值的2.718(e)倍所需要的時(shí)間。SF6氣體的基本特性---環(huán)境影響溫室效應(yīng)氣體SF6氣體不會破壞大氣臭氧層，然而它是1997年京都議定書指定的六種溫室氣體之一。SF6氣體對溫室效應(yīng)的實(shí)際影響很小，只占0.07%左右。將SF6氣體列為溫室效應(yīng)氣體，主要是SF6氣體對溫室效應(yīng)有著相當(dāng)大的潛在危險(xiǎn)。高全球變暖系數(shù)：SF6氣體的全球變暖系數(shù)為23900長壽命：約為3200年大氣中SF6含量的增長減少排放的措施推動SF6的回收利用降低GIS的年漏氣率開發(fā)小型化、高性能的GIS開發(fā)替代氣體或者是混合氣體絕緣SF6氣體含水量的控制氣體含水量過高的危害水分的存在影響氣體分解物的生成水分與酸性雜質(zhì)在一起時(shí)，會使材料腐蝕，導(dǎo)致機(jī)械操作失靈在低溫下，水分會在固體絕緣表面凝露，使沿面閃絡(luò)電壓急劇下降，導(dǎo)致事故SF6氣體含水量的控制氣體含水量對絕緣支撐閃絡(luò)電壓的影響露點(diǎn)溫度高于0oC時(shí)沿面閃絡(luò)電壓會急劇下降，但下降