9 SF6气体中的电弧

1、9. SF6气体中的电弧SF6气体是目前高压断路器中最优良的灭弧和绝缘介质， 但SF6气体是一种温室气体，其温室效应系数是CO2的24 900倍，且分子结构十分稳定，寿命长达3200年9.1 SF6气体的主要物化性能（1）分子量大，比空气重（2）纯净的SF6无色、无味、无毒，化学性能稳定（3）在高温作用下生成的低氟化物有剧毒；与水分子作用生成的低氟化物有强烈的腐蚀性，所以必须防止泄漏，并使用吸附剂（4）在高气压下， SF6气体的液化温度较高，由于SF6液体的绝缘与灭弧性能劣化，所以必须避免其液化 9.2 SF6气体的主要电学性能（1）作为绝缘介质，其绝缘强度高a. 在均匀电场中，6-8个大气压

2、的SF6气体的击穿电压是空气的三倍b. 在稍不均匀电场中， SF6气体的绝缘性能比均匀电场中的稍差c. 在极不均匀电场中， SF6气体的优良绝缘性能将劣化，所以应避免使用在极不均匀电场的场合。在高压电器中，应采用同轴的电极结构，设计成稍不均匀电场(2)作为导体时电导率高 SF6气体中的电弧特性取决于SF6分子的分解能、电离能和高温下的定压比热、热传导、电导率等性质 a. 1atm时，SF6气体的分解和电离温度低， 由图可见，在2000K时SF6大分子分解为低氟化物和氟、硫原子达到高峰，在3000K时硫原子开始电离， 5000K时硫原子的电离度高，其离子密度已属稠密等离子体为与空气中电弧对比，比

3、较硫、氟、氮、氧原子的电离能： S: 10.36 eV ;F: 17.4eV;O: 13.61 eV;N: 14.54 eV可见硫原子的电离能最低，3000K就开始电离， 5000K时的电子密度已属稠密等离子体，带电粒子多，电弧已成为良导体当温度高于8000K后，空气中氮原子和氧原子才开始电离，其电离温度比硫原子的高5000K因果关系：硫原子的电离能低电离温度低电离度X 电导率 Ea、Ua 电弧能量 弧芯温度弧柱总热量易于冷却灭弧SF6气体中电弧的伏安特性曲线（3）从导体转化为绝缘体的过程迅速 这一过程取决于SF6气体及低氟化物在高温下的优异的热特性（定压比热和热导率）。 a. 高温下SF6气

4、体的定压比热特性 在高温下，空气和SF6气体分解和电离温度的不同，导致其不同的定压比热特性。 气体分子的分解和电离都要消耗能量，一个 SF6 分子分解成硫原子和氟原子的分解能是22.4eV，而硫原子和氟原子的电离能分别是10.36eV和17.4eV。随着温度升高，SF6气体依次发生分解和电离，分解和电离所消耗的能量就体现在气体的定压比热大大增加，形成相应的分解峰和电离峰。空气和SF6气体在高温下的定压比热特性对比 分解峰电离峰分解峰电离峰分解峰高于电离峰这两个曲线都是在电弧等离子体平衡态的条件下得到的，当外界电源供给的能量发生变化时，借助于粒子间的碰撞，等离子体从一个状态变到另一状态需要有一个

5、响应的时间，称为平衡时间。各参数的平衡时间是不一样的： 分子的分解平衡时间： 10-3s 分子、原子的电离平衡时间： 10-8s 分子的平衡时间： 10-7s 电子的平衡时间： 10-12s 当电流降低过零时，各电参数的变化都是在亚毫秒级的时间内完成，后三个参数都可认为是无惯性地随之变化，所以电导率也是无惯性地随之变小；但原子复合成分子的过程无法在亚毫秒级的时间内达到平衡，也就是大多数的原子以原子的状态随温度降低，这种现象被称为“原子冻结状态”。定压比热曲线的特点 在电弧降温过程中，大多数的原子以原子的状态随温度降低，气体的定压比热不会出现分解峰，因而气体冷却快。过了几毫秒后，这些原子才恢复合

6、成分子而达到平衡，同时放出热量。空气？ 2000K处正是SF6气体定压比热的分解峰，弧焰边缘外 SF6气体分解时从弧柱内吸收大量的热，可使弧柱快速冷却。空气？b. 高温下SF6气体的热导率特性弧柱的散热方式以热传导与对流换热为主。 在图示温度范围内， SF6气体的热导率都大于空气的。这表明 SF6气体中的电弧通过热传导的方式向弧柱外传递的热量更多，即散热更快。 由热传导的Fourier定律，传导的热量 在2000K附近，有一个峰值，热导率很高。为了传递相同的热量，其 必然小，这对应于弧焰区，即电弧的边缘区域；右边峰值处的热导率也较高，其温度梯度也较小，对应于弧芯区。rTQrT对应于分解其弧柱的

7、温度分布如右图。 结论：与氮气中的电弧相比，SF6气体中电弧的热传导系数大，传热性能好，且由于电离度大弧芯截面小电弧时间常数小（ ， K为常数，r0为弧芯半径， 表示了电导率变化的热惯性） 电导率变化快（电流过零前，SF6弧芯的 小于微秒量级）同时，由于SF6气体电弧弧芯直径小且稳定，可维持1安培以下的电流而不截流，所以开断小电流时也不会产生过电压20rk采用方法加强吹弧加强吹弧提供更多的、未分解的新鲜SF6气体分子与弧柱接触，大量未分解的新鲜SF6气体分子吸收的分解能可吸收弧柱的大量热量，也就是快速地使弧柱冷却。 由热导率特性可见，2000K处热导率峰值的数值为其它温度时的几十倍（这一峰值与

8、SF6气体的分解峰对应），传热能力强；同时， 2000K处正是SF6气体定压比热的分解峰，弧焰边缘外 SF6气体分解时从弧柱内吸收大量的热，而弧柱内的原子在亚毫秒内保持原子冻结的状态，使弧柱快速冷却。热量要能从弧柱中顺利地传递到弧柱外的介质中，需要传热路径中的每一部分都能以最高的能力传热，温度梯度大的弧柱边缘处的热导率较小，这时的主要矛盾是弧柱外的介质能否迅速而大量地吸收弧柱的热量 如何利用这一特点？ c. SF6分子的强电负性使绝缘强度快速恢复 在电流下降过零的过程中，氟原子、氟分子和低氟化物的强电负性使弧柱中的带电粒子大量复合，导致电导率迅速下降，有利于其绝缘强度的迅速恢复。9.4 SF6

9、气体中电弧的灭弧原理 使大量新鲜的SF6气体分子与电弧充分接触，利用高温下SF6气体优良的物化特性（定压比热、热导率）和强电负性的综合效应迅速灭弧。其冷却的主要因素不是单纯的气吹产生的对流换热和热传导换热，而是提高弧柱边缘处的热导率，使大量新鲜的SF6气体分子的分解吸热使弧柱冷却 虽然SF6断路器的灭弧室在形式上与油断路器的类似，也使用了纵吹、横吹等，但在相同条件下， SF6断路器的开断能力为空气的一百倍以上。作业题 叙述选用六氟化硫气体作为高压断路器中介质的原因。 在六氟化硫断路器中，对电弧进行吹弧的主要目的是什么？为什么？ 分别叙述直流电弧、交流电弧和六氟化硫气体中电弧的熄灭原理与措施，这

10、些灭弧原理与措施在本质上有无区别？补充1、空气中电弧的熄灭原理 空气中的电弧又称空气电弧，它是一种开放性电弧，简称开弧。它是高气压下氮气中的电弧。隔离开关和相地、相间短路的电弧都属于开弧 1、开弧的熄灭原理：电路方程与电弧的伏安特性无交点 利用电动力、风力和增加开距的方法拉长电弧2、磁吹灭弧 原理：利用电磁力将电弧吹入灭弧装置而灭弧3、压缩空气的气吹灭弧 气吹灭弧原理：利用压缩空气在喷口处形成一股高速气流对电弧进行强烈气吹和冷却，从而熄灭电弧。属于等熵冷却。气吹灭弧的基本形式：横吹实心触头单向横吹空心触头单向纵吹自由喷射式单向纵吹空心触头双向纵吹a、绝缘板式灭弧槽：灭弧槽由耐热绝缘材料制成，电

11、弧在灭弧槽中被拉长、冷却b、金属板式灭弧槽：灭弧槽由金属板制成，电弧在灭弧槽中被拉长、冷却，同时长弧变成多个短弧串联，电弧电压增大气吹灭弧的能力是按开断最大的电流来设计的，在开断电感性的小电流时，因灭弧能力强，常会引起截流过电压当开断电流超过设计电流，电弧等离子体的能量和压力都增大，会出现吹不动的现象，称为气流堵塞现象，表明已超过极限开断能力补充2、油中电弧的熄灭原理 变压器油的绝缘强度比空气高，但它会燃烧爆炸吗？实验表明是安全的，油断路器迅速发展起来 电弧的高温将变压器油分解成主要成分为氢气的气体，这些气体包围电弧成为气泡，所以油中电弧实际上是氢气中的电弧 氢气中的灭弧利用了三种效应：1、冷却效应：当温度约在4000K附近，氢气的导热系数比空气高十几倍，可利用其良好的冷却效应灭弧2、电弧的能量可使灭弧室中达5-10大气压，利用高气压效应降低电离度来