2.4六氟化硫和气体绝缘电气设备.ppt

第四节六氟化硫和气体绝缘电气设备 六氟化硫的绝缘性能六氟化硫理化特性方面的若干问题六氟化硫混合气体气体绝缘电气设备 六氟化硫 SF6 气体 20世纪60年代开始作为绝缘媒质和灭弧媒质使用于某些电气设备 首先是断路器 中 至今已是除空气外应用最广泛的气体介质 SF6的电气强度约为空气的2 5倍 灭弧能力更高达空气的100倍以上 所以在超高压和特高压的范畴内 它已完全取代绝缘油和压缩空气而成为唯一的断路器灭弧媒质 目前SF6不但应用于单一电力设备 如 SF6断路器 气体绝缘变压器等 也被广泛采用于将多种变电设备集于一体并密闭充SF6气体的容器之内的封闭式气体绝缘组合电器 GIS 和充气管输电线等装置中 一 SF6的绝缘性能 SF6具有较高的电气强度 主要是因为其具有很强的电负性 容易俘获自由电子而形成负离子 电子附着过程 电子变成负离子后 其引起碰撞电离的能力就变得很弱 因而削弱了放电发展过程 电场的不均匀程度对SF6电气强度的影响远比对空气的大 与均匀电场中的击穿电压相比 SF6在极不均匀电场中击穿电压下降的程度比空气要大得多 SF6优异的绝缘性能只有在电场比较均匀的场合才能得到充分的发挥 在设计以SF6气体作为绝缘的各种电气设备时 应尽可能使气隙中的电场均匀化 采用屏蔽等措施以消除一切尖角处的极不均匀电场 使SF6优异的绝缘性能得到充分的利用 一 均匀和稍不均匀电场中SF6的击穿 SF6电负性气体中的碰撞电离和放电过程时 除了考虑第一章中所说的 过程外 还应计及电子附着过程 它可用一个与电子碰撞电离系数 的定义相似的电子附着系数 来表示 的定义是一个电子沿电场方向运动1cm的行程中所发生的电子附着次数平均值 可见在电负性气体中的有效碰撞电离系数 应为 参照式1 7 可写出均匀电场中的电子崩增长规律 式中 n0 阴极表面处的初始电子数 na 到达阳极时的电子数这时应该注意 在一般气体中 正离子数等于新增的电子数 而在电负性气体中 正离子数等于新增的电子数与负离子数之和 所以在汤逊理论中不能将式 1 14 中的 简单地用 来代替而得出电负性气体的自持放电条件 由于强电负性气体在实用中所处条件均属于流注放电的范畴 所以这里不再讨论其汤逊自持放电条件 而直接探讨其流注自持放电条件 为此 可参照式 1 20 写出均匀电场中电负性气体的流注自持放电条件为 实验研究证明 对于SF6气体 常数K 10 5 相应的击穿电压为 式中 p 气压 Mpa d 极间距离 mm 在工程应用中 通常pd 1MPa mm 所以上式可近似地写成 式 2 16 和式 2 17 均表明 在均匀电场中SF6气体的击穿也遵循巴申定律 它在0 1MPa 1atm 下的击穿场强 几乎是空气的3倍 前面已经提到 在气体绝缘电气设备中最常见的是稍不均匀电场气隙 例如同轴圆筒间的气隙 图2 17给出R r 1 67 4 06的同轴圆筒中SF6的击穿场强Eb与气压p的关系曲线 由图中可见击穿场强并不与气压成正比 而是增加得少一些 在稍不均匀电场中 极性对于气隙击穿电压的影响与极不均匀电场中的情况是相反的 此时负极性下的击穿电压反而比正极性时低10 左右 冲击系数很小 雷电冲击时约为1 25 操作冲击时更小 只有1 05 1 1 二 极不均匀电场中SF6的击穿 在极不均匀电场中 SF6气体的击穿有异常现象 主要表现在以下两个方面 如图所示 首先是工频击穿电压随气压的变化曲线存在 驼峰 其次是驼峰区段内的雷电冲击击穿电压明显低于静态击穿电压 其冲击系数可低至0 6左右 如图2 18所示 虽然驼峰曲线在压缩空气中也存在 但一般要在气压高达1MPa左右才开始出现 而在SF6气体中 驼峰常出现在0 1 0 2MPa的气压下 即在工作气压以下 因此 在进行绝缘设计时应尽可能设法避免极不均匀电场的情况 极不均匀电场中SF6气体击穿的异常现象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 但在雷电冲击电压的作用下 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 气压提高时空间电荷扩散得较慢 因此在气压超过0 1 0 2MPa时 屏蔽作用减弱 工频击穿电压会下降 三 影响击穿场强的其它因素 气体绝缘电气设备的设计场强值远低于理论击穿场强 这是因为有许多影响因素会使它的击穿场强下降 此处仅介绍其中两种主要影响因素 即电极表面缺陷和导电微粒 1 电极表面缺陷图2 19表示电极表面粗糙度Ra对SF6 气体电气强度Eb的影响 可以看出 GIS的工作气压越高 则Ra对Eb的影响越大 因而对电极表面加工的技术要求也越高 电极表面粗糙度大时 表面突起处的局部电场强度要比气隙的平均电场强度大得多 因而可在宏观上平均场强尚未达到临界值时就诱发击穿 除了表面粗糙度外 电极表面还会有其它零星的随机缺陷 电极表面积越大 这类缺陷出现的概率也越大 所以电极表面积越大 SF6气体的击穿场强越低 这一现象被称为 面积效应 2 导电微粒设备中的导电微粒有两大类 即固定微粒和自由微粒 前者的作用与电极表面缺陷相似 而后者因会在极间跳动而对SF6气体的绝缘性能产生更大的不利影响 二 六氟化硫理化特性方面的若干问题 气体要作为绝缘媒质应用于工程实际 不但应具有高电气强度 而且还要具备良好的理化特性 SF6气体是唯一获得广泛应用的强电负性气体的原因即在于此 下面对SF6气体实际应用中的理化特性作一介绍 一 液化问题现代SF6高压断路器的气压在0 7MPa左右 而GIS中除断路器外其余部分的充气压力一般不超过0 45MPa 如果20 C时的充气压力为0 75MPa 相当于断路器中常用的工作气压 则对应的液化 温度约为 25 C 如果20 C时的充气压力为0 45MPa 则对应的液化温度为 40 C 可见一般不存在液化问题 只有在高寒地区才需要对断路器采用加热措施 或采用SF6 N2混合气体来降低液化温度 二 毒性分解物纯净的SF6气体是无毒惰性气体 180摄氏度以下时它与电气设备中材料的相容性与氮气相似 但SF6的分解物有毒 并对材料有腐蚀作用 因此必须采取措施以保证人身和设备的安全 使SF6气体分解的原因 电子碰撞 热和光辐射 在电气设备中引起分解的原因主要是前两种 它们均因放电而出现 大功率电弧 断路器触头间的电弧或GIS等设备内部的故障电弧 的高温会引起SF6气体的迅速分解 而火花放电 电晕或局部放电也会引起SF6气体的分解 针对SF6气体毒性分解物的措施 通常采用吸附剂 吸附剂主要有两方面作用 吸附分解物和吸附水分常用的吸附剂有 活性氧化铝和分子筛通常吸附剂的放置量不小于SF6气体重量的10 三 含水量水分是SF6气体中危害最大的杂质 因为 水分会影响气体的分解物与HF形成氢氟酸 引起材料的腐蚀与导致机械故障低温时引起固体介质表面凝露 使闪络电压急剧降低 控制气体含水量的措施 避免在高湿度气体条件下进行装配工作 安装前所有部件都要经过干燥处理 保证良好的密封 否则会使设备内的SF6气体泄漏到大气中去 而大气中的水气也会渗入设备内 二 六氟化硫混合气体 SF6气体价格较高液化温度不够低对电气不均匀度太敏感目前国内外都在研究SF6混合气体 以期在某些场合用SF6混合气体来代替SF6气体目前已获工业应用的是SF6 N2混合气体 主要用作高寒地区断路器的绝缘媒质和灭弧材料 采用的混合比通常为50 50 或60 40 三 气体绝缘电气设备 一 封闭式气体绝缘组合电器 GIS GIS由断路器 隔离开关 接地刀闸 互感器 避雷器 母线 连线和出线终端等部件组合而成 全部封闭在SF6金属外壳中 与传统的敞开式配电装置相比 GIS具有下列突出优点 1 大大节省占地面积和空间体积 额定电压越高 节省得越多 2 运行安全可靠 GIS的金属外壳是接地的 即可防止运行人员触及带电导体 又可使设备运行不受污秽 雨雪 雾露等不利的环境条件的影响 3 有利于环境保护 使运行人员不受电场和磁场的影响 4 安装工作量小 检修周期长 二 气体绝缘管道输电线气体绝缘管道输电线亦可称为气体绝缘电缆 GIC 它与充油电缆相比具有下列优点 1 电容量小 GIC的电容量大约只有充油电缆的1 4左右 因此其充电电流小 临界传输距离长 2 损耗小 常规充油电缆常因电介质损耗较大而难以用于特高压 而GIC的绝缘主要是气体介质 其介质损耗可忽略不计 已研制成特高压等级的产品 3 传输容量大 常规电缆由于制造工艺等方面的原因 其缆芯截面一般不超过2000mm2 而GIC则无此限制 所以GIC的传输容量要比充油电缆大 而且电压等级越高 这一优点越明显 4 能用于大落差场合 三 气体绝缘变压器 气体绝缘变压器 GIT 与传统的油浸式变压器相比有以下优点 1 GIT是防火防爆型变压器 特别适用于城市高层建筑的供电和用于地下矿井等有防火防爆要求的场合 2 气体传递振动的能力比液体小 所以GIT的噪声小于油浸变压器 3 气体介质不会老化 简化了维护工作 除了以上所