SF6断路器与GIS优秀公开课

第7章SF6断路器与GIS一、六氟化硫气体特性与灭弧原理二、SF6断路器的灭弧装置三、SF6断路器的结构四、六氟化硫气体与温室效应一、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。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。

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。（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。（3）六氟化硫气体的一般化学性能

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。

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。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(A12O3)吸收。SF4气体对肺有侵害作用，影响呼吸系统。

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。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。

检修SF6电器设备不可避免会接触到SF6分解物；另外，SF6电器设备损坏时，封闭组合电器由于内部电弧故障使压力释放、装置动作或者外壳烧穿时，会有大量SF6气体及其分解物向外排放到大气中。为了保证检修人员的安全以及减少对周围环境造成的影响，应该采取一些必要的预防措施。预防措施有：1)所有安装有SF6电器设备的场所内应该装置有合适的自然通风或强制通风装置。这些通风装置应能保证在最坏的条件下，例如有大量的SF6气体及其分解物向外排出时，足以使有毒的分解物稀释到可以容许的程度。在安装场所的入口处，工作人员应能方便地启动通风装置。另外，也可利用SF6的检测装置对部分通风装置实行自动启动。还要防止SF6气体及其分解物进入其它没有通风装置的房间中。2)除对检修人员进行安全知识的培训外，还应给检修人员配备合适的保护衣服和轻袜手套、化学型的工业防护照镜、防毒面具、有活性过滤器的呼吸保护装置等。为安全起见，检修现场还应配备有氧气呼吸装置的急救设备。

SF6电器设备的应用己50余年，在这段时间内已经积累了大量SF6气体方面的知识和经验。只要严格按照国家或制造厂的有关规程进行工作，就能确保SF6电器设备安全可靠以及有关人员的人身安全。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。SF6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。（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。二、SF6断路器的灭弧装置SF6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，尤其适于开断近区故障；满容量开断次数多，检修周期长；可集合成GIS。1端子2触头支架3喷嘴4主触头5弧触头6接触柱7基板8端子（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，1.5MPa（表压力）的高压气体用作灭弧。1.气吹式SF6断路器灭弧装置

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。（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0.6MPa(表压力)，它是依靠压气作用实现气吹来灭弧的。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，要使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。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。定熄弧距灭弧方式：两个静触头始终保持固定的开距，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。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。3.旋弧式SF6断路器旋弧式SF6断路器利用SF6气体中电弧在磁场作用下快速转动而使电弧熄灭。三、SF6断路器的结构瓷柱式开断元件放在绝缘支柱上，使处于高电位的触头、导电部分及灭弧室与地电位绝缘，绝缘支柱则安装在接地的基座上。称为外壳带电断路器，也称之为绝缘支柱式断路器。罐式开断元件放在接地的箱壳中，其间的绝缘依靠气体来承担，导电部分经套管引入，结构比较稳定，常在额定电压高的高压和超高压断路器中使用，抗地震性能好，称为外壳接地断路器(又称落地罐式)四、六氟化硫气体与温室效应1997年防止全球变暖的京都议定书中，将包括SF6气体的6种气体列为温室效应气体，它们对温室效应的影响依次为C02，CH4，