SF6断路器的应用分析 - 全文

SF6气体是二十世纪初发现的，它应用于电工设备是在四十年代，第一次被用于断路器是在五十年代初。由于SF6气体同空气和变压器油相比有许多优异的电气绝缘和灭弧性能，近年来，SF6在电气设备上的应用有了很大的发展，尤其是在高压和超高压断路器上，还有全封闭组合电器。现在，新安装的110kV及以上电压等级的断路器，包括大部分的35kV断路器已经全部是SF6断路器了。

　　 1．SF6的物理和化学特性

　　 SF6分子由一个硫原子和六个氟原子构成，六个氟原子以共价键的形式和硫原子结合成一个中性分子，其原子量为146，大约是空气的五倍，也就是说它的密度也大约是空气的五倍。在常温下，SF6气体是无色、无味、无毒并且透明的惰性气体，它非常稳定，通常情况下很难分解；它既不溶于变压器油也不溶于水。

    我们都知道，对于理想气体有一个状态方程，即PV=GRT，其中P为气体压力；V为气体的体积；G为气体的重量；R为一个状态常量，对于SF6来说，R=97.2J/g*T；T为绝对温度。当SF6气体的状态发生变化时，它没有完全符合理想气体的状态方程，这主要因为它的分子量较大，当气体压力增大时，气体的密度相应增大，分子间的相互吸引作用开始显露，所以在实际工作中常用SF6的状态参数曲线来表示；SF6的状态参数曲线是一族曲线，每条线对应一个气体密度。

    在这里有几个重要的参数：SF6的熔点：温度T=-50.8℃,压力P=2.3kg/cm2,在这一点上，SF6三态共存，即气态、液态、固态三种状态同时存在；SF6沸点：温度T=-63.8℃,压力为一个大气压，在这一点上，SF6可以直接由固体变成气体。如果将饱和蒸汽曲线向上延伸，就得到了SF6气体的临界温度T=45.6℃,临界压力P=38.5 kg/cm2,临界温度和临界压力表明了SF6气体可以被液化的最高温度和所需的最小压力。

　　 SF6的状态参数曲线在实际中有着非常广泛的的应用。如果一台SF6断路器，你知道了它的容积、正常工作时的气压和它的最低工作气压，你就可以计算出它所需要的SF6气量，它能够正常工作的最低环境温度和出现液化时的温度。例如：一台SF6断路器的容积时0.5m3,在环境温度为20℃时正常工作气压为4.5个大气压，最低工作气压的下限为3.5个大气压（表压），那么在SF6的状态参数曲线中可以找到对应的密度曲线，得到气体密度为35kg/m3，那么所需要的SF6气量就是17.5kg，密度曲线与饱和蒸汽曲线的交点就是其液化温度（-35℃），当温度下降时，气体压力也随之下降，当气体压力下降到3.5个大气压（表压）时，其温度为-30℃，这就是能工作的最低环境温度。

　　当SF6气体的温度降低到液化温度后，SF6气体开始液化，但这个过程是一个渐进的过程，如果温度下降，它就沿饱和蒸汽曲线变化，压力和密度都同时下降，这将严重影响到SF6气体的灭弧性能，所以如果断路器工作在很低的环境温度下的时候，就要采取适当的措施，以保证气体的工作压力。 来源:hvsi.cn

　　 SF6气体的稳定性比较好，在一般情况下不会分解，但是，SF6断路器内的情况比较复杂，如果没有电弧的话，SF6气体基本上不会与其他物质发生反应，但是由于断路器内不可能不发生电弧，而电弧又会产生高温、高压以及电晕，在这种情况下，SF6气体会发生分解，生成低氟化物、硫化物和硫、氟的单原子；请注意：这里有一个很重要的特性，就是这时生成的活性物质在电弧熄灭以后一般都能够重新结合成SF6分子，这对于断路器的下一次开断是很有利的，也大大减轻了检修的工作量；比如油断路器开断几次短路故障之后，变压器油的碳化就比较严重了，需要进行换油、检修触头等工作，而SF6断路器的问题就要好很多，它可以多次开断短路故障而不用检修。

　　 SF6断路器里的SF6气体不可能是完全纯净的，会含有一些杂质，如水等，此外在断路器燃弧时也会产生一些触头材料的金属蒸汽，这些物质在电弧的作用下会同SF6气体发生化学反应，生成一些金属氟化物、硫的低氟化物、氢氟酸，还有很少量的剧毒物质，如SOF2，SO2F4等。生成的金属氟化物大都是一些白色的粉状物质，它们会覆盖在导体的表面，影响导电性能；而生成的HF、SF4、SO2会对断路器内的含有硅元素的绝缘体，如玻璃、陶瓷支持件和环氧浇注件等都有较强的腐蚀性，降低这些绝缘件表面的绝缘电阻，所以，在实际工作中，我们要严格控制SF6气体中的水分含量，同时，还要在断路器中尽可能多地采用耐腐蚀的高分子有机材料，如聚四氟乙烯、聚酯树脂和环氧树脂加Al2O3填料的制品；此外，对那些少量的剧毒物质由于它们能长时间的保留在SF6气体中，我们必须在SF6断路器中放置吸附剂，来提高SF6气体的纯度，同时确保人身的安全。

    2．SF6气体的电性能：

　　关于SF6气体的电性能，我们将分别讨论它在常温下的电气绝缘性能和高温下的灭弧性能。

　　在均匀电场中，工频电压的作用下，SF6气体、油和氮气相比，SF6气体的介质强度大约是氮气的五倍，而且当压力大于8个大气压时，其介质强度就能够超过变压器油。

　　下面我们讨论影响SF6气体击穿电压的因素：

　　 SF6气体的击穿电压除了与压力有关以外，还与电极表面的光洁度和洁净度有关；电极表面越洁净、越光洁，其击穿电压就越高。

　　在同一压力下，SF6气体的击穿电压随着触头开距的增大而增大，但不是一个线性的关系，而是有一点饱和的意思，而且压力越大饱和越严重；所以我们在实践中不能单靠增大触头开距来加强绝缘。

　　此外，SF6气体的击穿电压还与电极的几何形状和触头面积有关；如果电极形状使得电场越均匀，其击穿电压就越高，这在这里要注意，和真空开关不同，电极材料对SF6气体的击穿电压没有比较明显的影响。

　　 SF6气体之所以有比较好的绝缘性能，是因为SF6气体具有负电性，就是说SF6分子能够吸附气体中的自由电子，而变成负离子，这种负离子的质量远远大于自由电子的质量，因此运动速度大大降低，此外，间隙中自由电子的数量减少了，就难以形成击穿通道。所以其绝缘性能比较好。另外，这种负电性在高温下，也就是在灭弧时也是十分有利的。

　　 SF6气体的熄弧性能也是非常好的，这有以下几个方面的原因：

　　 SF6气体在电弧的作用下会发生分解和游离，有多原子结构分子分解为单原子或带电粒子的气体，在2000℃左右开始分解为低氟化物，4000℃左右开始游离，6000℃左右时游离的最迅速，当温度高于10000℃时，SF6气体就全部游离了；这种内部的变化将影响气体的导热、导电性能，使它的导热、导电性能大大增强。

　　气体导热性能增强，电弧的散热就加快了，这样就有利于电弧熄灭后间隙中的绝缘介质迅速降温，有利于低氟化物复合成SF6，同时有利于恢复绝缘，大大降低了电弧的复燃，有利于熄唬

　　对于气体导电性能增强有利于熄弧的原因，可能有点不太好理解，导电性能增强了只会有利于燃弧，怎么会有利于熄弧呢？原因是这样的：导电性能增强了确实有利于燃弧，通过几种气体电弧的伏安特性曲线可以发现，SF6气体的伏安特性曲线最低，也就是说，在电流相同的情况下，SF6气体的电弧电压最低，而电弧能量就是Uh*I，也最低，电弧在电流很小的情况下也能维持，不会发生断裂，这样就不会发生截流现象，这也是SF6气体比较优越的地方；我们知道现在的SF6断路器都是在电弧电流过零时熄灭的，电弧在燃弧时电弧能量小，电弧的温度和分解的气体就相对也较少，这对于电流过零后间隙的绝缘强度的恢复非常有利，使得熄弧后很难发生重燃或复燃，所以SF6气体既有利于燃弧，又有利于熄唬
　　此外，SF6气体的负电性（吸附自由电子的特性）和二次复合特性（在电弧中分解的低价氟化物在熄弧后迅速还原成SF6分子），这些特性也使得SF6气体无论是在起始介质强度、介质恢复速度还是最终的介质强度都是比较高的。

　　 3．SF6断路器：

　　 SF6断路器之所以在近年来得到了迅速的发展，其主要的原因就在于SF6气体同其他绝缘介质相比具有很多的优点：

　　 1．SF6气体的绝缘强度高，决定了SF6断路器单个断口所能承受的电压要比其他形式的断路器要高，据介绍已经有500kV的单断口断路器出现了；SF6气体的熄弧性能好，决定了SF6断路器的灭弧能力强，这样它的开断能力要大于其他形式的断路器，单断口已经能够达到100kA，这是其他形式的断路器无法达到的，尤其是在现在，电力系统的容量越来越大，很多变电站的短路容量已经达到了近五十千安，一些枢纽变电站甚至达到了60——70kA，如果没有SF6断路器，那么就无法满足短路容量的要求，在系统短路时，无法切除故障。

　　 2．SF6气体在燃弧时的导电性能比较好，电弧电压比较低，小电流的情况下也能够稳定的燃弧，所以，在切断小电流时很少发生截流现象，这样就不会造成过电压，给设备造成损坏。 来源:hvsi.cn

　　 3．SF6气体在熄弧后介质强度的恢复速度比较快，能承受比较快的瞬时恢复电压，所以在切断空载线路是不会发生多次重击穿，在切断近区故障时特别有利，就是说它不仅开断短路电流的性能强，在一些特别的开断情况下，SF6断路器的开断性能也是很好的。

　　 4．由于SF6气体中不含氧的成分，而且燃弧时电弧能量小，所以，它对内部金属部件，包括触头、导电杆等的氧化作用就很小，触头在燃弧时的烧蚀也比较轻微，而SF6气体在电弧作用下分解后又能够很快的重新复合，所以整个SF6断路器能满容量开断的次数比其他形式的断路器要大大增加了，相应的检修周期就延长了。

　　 5．由于SF6断路器增大了单个断口的额定电压和开断电流，所以它的体积就相应的减小了，尤其是我们可以把整个变电站集成起来，做成全封闭的气体绝缘变电站，就是现在在很多单位都安装了的GIS；它的结构特别紧凑，占地面积很小，只相当于常规变电站的百分之几到百分之十几，而且电压等级越高，效果越明显，这一点在山区和人口稠密的大城市十分有利；此外，它的噪音和污染小，防污染能力强，又没有爆炸和引起火灾的危险。

　　从SF6断路器发展的过程来看，它主要经历了这么几个阶段：

    1．简单开断：就是说，开断时只通过动、静触头之间距离的不断加长来开断，即没有气吹，也没有通过磁场力让电弧在SF6气体里运动来冷却电弧，这种办法比较简单，效果当然不太理想，现在早已不用了；

　　 2．双压式吹弧：就是在SF6断路器内有两种气压的SF6气体存在，低压的SF6气体只用于内部的绝缘，一般为3—5个大气压，高压的SF6气体一般有十几个大气压，只是在分断过程中，吹气阀才打开，高压的SF6气体从高压区流向低压区，经触头喷口吹向电弧，使电弧熄灭；分断过程结束后，吹气阀关闭，气吹过程结束。这种SF6断路器的优点是灭弧能力强，开断容量大，金属短接时间、固有分闸时间和全开断时间都比单压式的短；但是它的结构比较复杂，辅助设备多，在SF6气体的低压区和高压区之间要有压缩机和管道，此外，高压的SF6气体的压力比较大，很容易液化（如在16个大气压下，SF6气体的液化温度是5℃），因此需要有加热装置。

　　现在随着单压式SF6断路器的发展，双压式的SF6断路器也已经被淘汰了。

　　 3．单压式吹弧：就是在SF6断路器内只有一种气压的SF6气体存在，一般为5—6个大气压，但是在开断时动触头先要带动一个压气罩运动一段距离，在压气室内集聚一部分较高压力的SF6气体后，才断开触头，电弧燃烧，这时喷口打开，这部分高压SF6气体进行吹唬 来源:hvsi.cn

　　单压式SF6断路器又叫做压气式SF6断路器，是现在应用最广的SF6断路器；它的结构比较简单，液化温度一般在-30℃左右，除特别严寒的地区外都不需要用加热装置，而且近年来，单压式SF6断路器的性能参数也已经赶上甚至超过了双压式SF6断路器。

　　单压式SF6断路器又被分为定开距SF6断路器和变开距SF6断路器。

　　 4．自能式吹弧：又有自生压力式和旋弧式。

　　自生压力式是指依靠电弧自身的能量来分解和加热SF6气体，从而增大气体压力，形成吹唬

　　
　　这是西安高压开关厂生产的LW25—126型SF6断路器。

　　
　　1：吸附剂；2：灭弧室瓷套；3：动触头；4：压气缸；5：活塞；6：中间触指；7：下接线端子；8：支柱瓷套；9：绝缘杆；10：上接线端子；11：触头架；12：静弧触头；13：静触头；14：喷口；15：动弧触头；16：活塞杆；17：下法兰；18：操作杆；19：密封。

　　旋弧式是利用电弧电流在线圈中所产生的磁场，用这个磁场产生的电磁力来驱动电弧，让电弧在SF6气体中快速旋转，使电弧受横向相对气流的吹拂和冷却，来达到熄弧的目的；目前这种方式主要用在中、低压配电系统中。

　　自能式吹弧的优点在于它能大大减小分闸时机构要提供的操作功。

　　 SF6断路器又可以按照总体布置被分为瓷柱式和落地罐式。这两种SF6断路器内部灭弧室的结构和工作原理都是相同的，在开断性能上没有什么区别，但是，落地罐式SF6断路器重心比较低，抗震性能比较好，它还可以安装套管CT，减少了一次设备，此外，它的外边可以安装加热装置，能够在严寒地区使用。

　　 SF6断路器还可以按照灭弧室的构造分为定开距SF6断路器和变开距SF6断路器；下面分别介绍一下各自的特点。

　　 4．GIS:

　　 GIS是气体绝缘全封闭组合电器的简称，它是由断路器、隔离开关、接地（快速）开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、母线（三相或单相）、连接管和过渡元件（SF6—电缆头、SF6—套管）等电器元件组成，它用金属筒做外壳，把导电杆和绝缘件封闭在内部，在筒中充入一定压力的SF6气体，SF6气体作为绝缘和灭弧介质。GIS一般在户内布置得比较多，但也有在户外布置的。

　　 GIS与常规变电站相比，它的占地面积和空间显著减少，而且电压等级越高，就越明显；以500kV为例，它的占地面积仅为常规变电站的1.2%—2%，体积只有常规变电站的千分之几。所以它特别适合在山区和人口稠密地区使用。

　　 GIS的带电导体和绝缘件全部被封闭在金属壳内，不受外界环境的影响，适合用于环境条件恶劣和污染严重的地区。 来源:高压开关网

　　 GIS的重心和落地罐式断路器的重心相当，都是比较低的，所以抗震能力强，适合用于高地震烈度地区。

　　 GIS的检修周期比较长，一般在10—20年，也有一些厂家提出不需要检修，这就大大降低了检修的人工和费用。

　　但是，GIS的一个最大并且是最致命的缺陷是造价昂贵，而且安装和检修时必须要有一个比较清洁的环境，如果SF6气体中含有较多的水分或GIS内夹杂有直径大于30微米的微粒，都会对绝缘强度造成比较大的影响。此外，GIS一旦发生故障，造成的后果也远比常规的变电站严重，而且检修和恢复供电的时间也要长得多。所以，GIS的交接验收试验的项目比较多，而且也比较严。

　　早期的GIS因为加工工艺的原因，出现了比较多的漏气现象，GIS内部用于分割气室和支撑导电杆的盆式绝缘子发生过一些闪络故障，现在这些问题已经得到了初步的解决。省内也有几台110kV的GIS投运了，情况还是比较好的。但是也出了一些问题，例如，上安电厂的500kVGIS是法国梅兰日兰公司（也叫MG公司）的产品，共有五组断路器，在投运后一年左右的时候，有一台断路器的断口发生了闪络，造成了比较严重的后果；还有一次，这台GIS有一个隔离开关气室内发出了流水似的声音，通过探视孔看进去也没有看到有电晕或放电火花类的亮光，经过分析后判断为某个带电的导体固定的不够坚固，或者螺丝松动，后来法国公司来人进行处理时发现是隔离开关屏蔽罩的固定螺丝松动，屏蔽罩在电动力的作用下震动，发出的声响。 来源:http://www.hvsi.cn

　　 GIS的主要元件中，断路器的结构与落地罐式断路器大致相当，多采用压气式结构；CT都是套管式CT，这时GIS的一个好处，即可以减少一个一次元件；PT现在大都采用电磁式PT；现在的避雷器都采用了ZnO避雷器；母线有三项共箱式的，也有单相的。

　　 5．SF6断路器的操作机构：

　　 SF6断路器的操作机构和高压少油断路器的操作机构的在种类上没有什么区别，在早期，SF6断路器的机构大多采用液压机构，后来随着SF6断路器断口数的减少和操作功的减小，弹簧机构越来越多的应用到SF6断路器上，而在超高压SF6断路器上大多采用气动机构或液压机构。以后我们在结合LW8-35来讲一讲弹簧机构。

　　 6．SF6气体的管理和试验：

　　对于SF6气体我们现在的管理是比较严格的，因为它的质量直接影响到SF6断路器的开断性能和使用寿命。

　　对于新的SF6气体我们要求作气体的全分析，气体的全分析一共包括九项内容：

　　 1．空气含量：我们要检测SF6气体中混入的空气的比例，我们要将新气进行气相色谱试验，国标要求新气中空气的含量不能大于0.05%（体积比）；

　　 2．CF4含量：我们要检测SF6气体中混入的CF4的含量，这也是通过气相色谱试验测定的，国标要求新气中CF4的含量不能大于0.05%（体积比）； 来源:hvsi.cn

　　 3．SF6气体的纯度：这也是通过气相色谱试验测定的，国标要求新气的纯度不得小于99.8%（体积比）；

　　 4．酸度：这个试验先要用碱液将SF6气体中的酸性成分吸收出来，再用滴定法测定其中的盐的含量，从而推算出SF6气体中含有多少酸性物质，国标要求新气中的酸度不得大于0.3ppm（质量比）；

　　 5．可水解氟化物：因为可水解氟化物水解后能够生成酸性物质，所以其测定方法同酸度的测定方法相同，只是所用的碱液不同，国标要求新气中的可水解氟化物含量不得大于1.0ppm（质量比）；

　　 6．矿物油含量：这个试验先要用CCl4将SF6气体中的矿物油成分吸收出来，再用2930㎝-1波长的红外线进行定波长红外光谱分析，就能测出其中的矿物油的含量；

　　 7．水分含量：这个试验比较重要，不仅新气要做，而且充到SF6断路器以后还要进行，他的实验方法主要有三种：

　　（1）电解法：在一个容器中放入两个用铂金丝制成的电极，再在容器中加入浓磷酸，先将浓磷酸电解，生成P2O5，它有很强的吸水性，再将SF6通入其中，P2O5就将气体中的水吸收出来，生成少量磷酸，再测量其中磷酸的含量，就可以得到SF6中的含水量了；

　　（2）阻容法：就是把一张铝箔的一面氧化，使之生成一层致密的Al2O3膜，再在膜上加一层铝箔，这就组成了一个电容，当SF6气体流过其间时，Al2O3膜会吸收气体中的水分，从而改变自身的介电常数，使这个电容的电容量发生微小的变化，通过测量这个变化量，就可以得到SF6中的含水量了；

    （3）露点法：就是有一个金属的表面非常光洁的露镜，它的背面有一个能够制冷的装置，测试时制冷装置工作，给露镜降温，同时SF6气体流过露镜的镜面，当露镜的温度下降到一定程度时，SF6气体中的水分就会在露镜上开始凝露，这个温度就叫做露点，SF6气体中含的水分越多，它的露点就越高，这样就可以测出SF6气体的含水量了。

　　国家标准规定：新的SF6气体中水分的含量不得大于10ppm（质量比）；而对于新安装的SF6断路器中的水分含量，则要求不大于150ppm（体积比），对于运行中的SF6断路器，则要求不大于300ppm（体积比）；对于GIS，还有一个特殊的地方，就在于GIS中的某些气室是没有电弧的，如母线、CT、PT、避雷器等气室，对于没有电弧的气室中的SF6气体的水分含量，国标要求交接时不大于250ppm（体积比），运行时不大于500ppm（体积比），而对于有电弧的气室，则按照断路器的标准要求。

　　在这里顺便介绍一下SF6气体含水量的体积比和质量比的关系：

　　对于相同体积的气体来说，它所含有的气体分子的数目是相同的，也就是说，气体的体积比就等于气体的分子数之比，而气体的质量又等于气体分子的数量乘以它的分子量，因此，我们得到了下面的计算公式： 来源:http://www.hvsi.cn

　　 所以，R(V/V)=8.11R(M/M)

　　 8．毒性试验：国标要求毒性试验要用小白鼠来进行，先将SF6气体和氧气按照空气中N2和氧气的比例混合，比例大约是4比1，也就是说用SF6气体取代空气中的N2，将小白鼠放置在装有SF6气体和氧气混合气的容器中一段时间，再将小白鼠去处，进行解体，检查其中毒情况，从而确定SF6气体的毒性。

　　目前我们都不做这项试验，但是不要误解不做的意义，这不是说不做这个试验就是说SF6气体完全没有毒，而是要严格管理，按照有毒来对待。

　　 9．密度试验：SF6气体的密度是6.25㎏/m3，当然这是在一个大气压下，20℃时。

　　 7．SF6断路器的现场检查试验：

　　 SF6断路器在安装完成后也要进行一系列的检查试验，除了常规的试验项目外，对于SF6断路器还要进行气体中水分含量的测定和SF6气体年漏气率的测定。

　　 1．SF6气体中水分含量的测定方法同SF6气体全分析时测定水分含量的方法相同，在这里就不再介绍了。

　　 2．SF6气体年漏气率的测定方法主要有两种，一种是扣罩法，一种是局部包扎法；扣罩法就是将整个的SF6断路器都罩在其中，罩子中的容积是已知的，测定扣罩24小时后罩子中的SF6气体的浓度，就可以计算出24小时内SF6断路器泄漏出的SF6气体的量，将这个量乘以365，再除以SF6断路器中所充的SF6气体的重量，就得到了SF6气体的年漏气率。

    这种测量方法是最准确的，但是它受到了多方面的限制，现在SF6断路器的体积都比较大，尤其是高压和超高压的落地罐式断路器的体积就更大，这样要把它完全罩起来，罩子也就要大得多，再者，SF6断路器的体积测量也是一个难题；而且在现场还有引线布置等许多原因要考虑，所以现在很少用这种方法。

　　局部包扎法就是将SF6断路器的每一个密封面都用塑料布包扎起来，在24小时后测量每个包扎部位的SF6气体浓度，再用近似的方法算出SF6气体的年漏气率，甚至有些厂子只要求定性测量那些密封面是否漏气就可以了；这种测量方法是很不准确的，在实际中没有太大的意义，但是因为方法简单，容易实现，所以现在基本上都采用这种方法。