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1、六氟化硫斷路器,一、六氟化硫氣體特性與滅弧原理,1.六氟化硫氣體的基本特性 SF6是目前高壓電器中使用的最優(yōu)良的滅弧和絕緣介質(zhì)。它無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒，不會(huì)燃燒，化學(xué)性能穩(wěn)定，常溫下與其它材料不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。,SF6由鹵族元素中最活潑的氟原子與硫原子結(jié)合而成。分子結(jié)構(gòu)是個(gè)完全對(duì)稱的八面體，硫原子居中，六個(gè)角上是氟原子，氟與硫原子間以共價(jià)鍵聯(lián)結(jié)，SF6分子量為146，約是空氣分子量的5.1倍，因此同樣體積的SF6氣體比空氣重得多。,迄今為止，工業(yè)上普遍采用的制造方法是將單質(zhì)硫和過(guò)量氣態(tài)氟直接化合。,（1）六氟化硫氣體的狀態(tài)參數(shù) 靜止氣體可以用三個(gè)參數(shù)來(lái)說(shuō)明氣體所處的狀態(tài)，稱為三個(gè)狀態(tài)參數(shù)，即壓
2、力P、密度和溫度T。 理想氣體的狀態(tài)參數(shù)間存在著簡(jiǎn)單的關(guān)系，即理想氣體的狀態(tài)方程 P= RT SF6氣體的分子質(zhì)量大，分子間的相互作用顯著。當(dāng)氣體壓力高于0.3MPa時(shí)，分子間的吸引力隨氣體密度的增大、分子間距離的減小而加強(qiáng)，氣體的壓力變化特性不再符合式理想氣體的狀態(tài)方程。要準(zhǔn)確地計(jì)算SF6氣體狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系，可采用比較實(shí)用的BeattieBridgman公式。,SF6氣體的臨界溫度高。臨界溫度表示氣體可以被液化的最高溫度，臨界壓力則表示在臨界溫度下使氣體液化所需的壓力。SF6氣體的臨界溫度高達(dá)45.6C，說(shuō)明常溫下只要SF6氣體壓力足夠高就會(huì)液化。 SF6氣體能否液化決定于其飽和蒸汽壓力
3、。當(dāng)氣體壓力高于其飽和蒸汽壓力時(shí)，氣體就液化。,（2）六氟化硫氣體的導(dǎo)熱率,SF6導(dǎo)熱性能不如空氣，其熱導(dǎo)率比空氣低，在常溫下比空氣低30。但由于其粘度較低和密度較高，且分子量大，熱容量就大，再考慮到對(duì)流效應(yīng)，總的熱傳輸特性比空氣要好25倍。,（3）六氟化硫氣體的一般化學(xué)性能,六氟化硫氣體及其分解物的毒性問(wèn)題,純凈的SF6氣體一般公認(rèn)是無(wú)毒的。 SF6在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)有少量伴隨的生成物，其中S2F10是公認(rèn)的劇毒氣體，但經(jīng)過(guò)凈化處理可以完全將它除凈。 純凈的SF6氣體雖然無(wú)毒，但在工作場(chǎng)所要防止SF6氣體的濃度上升到缺氧的水平。 SF6氣體的密度大約是空氣的五倍、SF6氣體如有泄漏必將沉積于低洼
4、處，如電纜溝中。濃度過(guò)大會(huì)出現(xiàn)使人窒息的危險(xiǎn)，設(shè)計(jì)戶內(nèi)通風(fēng)裝置時(shí)要考慮到這一情況。 SF6氣體通過(guò)對(duì)流能與空氣混合，但速度很慢。氣體一旦混合后就形成SF6和空氣的混合氣體，不會(huì)再次分離。 問(wèn)題嚴(yán)重的是，電弧作用下SF6的分解物如SF4，S2F2，SF2，SOF2，SO2F2，SOF4和HF等，它們都有強(qiáng)烈的腐蝕性和毒性。,1)SF4(四氟化硫) 常溫下SF4為無(wú)色的氣體，有類似SO2的刺鼻氣味，在空氣中能與水分生成煙霧，產(chǎn)生SOF2和HF。 SF4氣體可用堿液或活性氧化鋁(A12O3)吸收。 SF4氣體對(duì)肺有侵害 作用，影響呼吸系統(tǒng)，其毒性與光氣相當(dāng)。 2)S2F2(氟化硫) 常溫下為無(wú)色
5、氣體，有毒，有刺鼻氣味，遇水分能完全水解形成S，SO2和HF。 S2F2對(duì)呼吸系統(tǒng)有類似光氣的破壞作用。 3)SF2(二氟化硫) SF2的化學(xué)性能極不穩(wěn)定，受熱后性能更加活潑，易水解成S，SO2和HF 。 SF2氣體可用堿液或活性氧化鋁吸收。 4)SOF2(氟化亞硫酰) SOF2為無(wú)色氣體，有臭雞蛋味，化學(xué)性能穩(wěn)定。它與水分反應(yīng)緩促，并能快速地為活性氧化鋁或活性炭吸附。 SOF2為劇毒氣體可造成嚴(yán)重的肺水腫，使動(dòng)物窒息死亡。,5) SO2F2 (二氟化硫酰) SO2F2為無(wú)色無(wú)臭氣體，化學(xué)性能極為穩(wěn)定，加熱到150 C時(shí)也不會(huì)與水和金屬反應(yīng)。SO2F2不易被活性氧化鋁吸收，但可被KOH和
6、NH4OH緩慢吸收。 SO2F2是一種能導(dǎo)致痙孿的有毒氣體。它的危險(xiǎn)性在于無(wú)刺鼻性嗅味且不會(huì)對(duì)服鼻粘膜造成刺激作用，故發(fā)現(xiàn)中毒后往往會(huì)迅速死亡。 6)SOF4(四氟亞硫酰) SOF4為無(wú)色氣體，有刺鼻性氣味，能被堿液吸收，與水反應(yīng)會(huì)生成SO2F2 。 SOF4是有害氣體，對(duì)肺部有侵害作用。 7)HF(氫氟酸) HF是酸中腐蝕性最強(qiáng)的物質(zhì)。對(duì)皮膚、粘膜有強(qiáng)烈刺激作用，并可引起肺水腫和肺炎等。,（4）六氟化硫氣體的電負(fù)性,氣體原子或分子能夠吸附自由電子而形成負(fù)離子的性能稱為電負(fù)性。 SF6具有強(qiáng)電負(fù)性。,2.六氟化硫氣體的滅弧性能與滅弧原理,（1）SF6氣體的分解溫度（2000K）比空氣（主要
7、是氮?dú)?，分解溫度約7000K）低，而需要的分解能 （22.4eV）比空氣（9.7eV）高，因此在分解時(shí)吸收的能量多，對(duì)弧柱的冷卻作用強(qiáng)。由于氣體分子的分解，在相應(yīng)的分解溫度上就出現(xiàn)氣體導(dǎo)熱率的高峰。,（2）SF6在高溫時(shí)分解出S原子、F原子和正負(fù)離子，與其他滅弧介質(zhì)相比，有較大的游離度。在維持相同游離度時(shí)，弧柱溫度就較低。因此，SF6氣體中電弧電壓也較低，燃弧時(shí)的電弧能量較小，對(duì)滅弧有利。,幾種氣體中電弧的伏安特性,（3）由于SF6的強(qiáng)電負(fù)性，能吸附電子和正離子復(fù)合，故復(fù)合作用快，去游離作用強(qiáng)。尤其在電流過(guò)零前后，可使弧隙中帶電粒子減少，導(dǎo)電率下降。SF6氣體電弧的時(shí)間常數(shù)也很小，為微秒級(jí)或更
8、小，在電弧電流過(guò)零后，弧柱溫度將急劇下降，分解物急劇復(fù)合。因此SF6弧隙的介質(zhì)強(qiáng)度及其恢復(fù)速度都很高，能耐受很高的恢復(fù)電壓作用，電弧在電流過(guò)零后不易重燃。,六氟化硫氣體的滅弧原理,六氟化硫氣體中電弧的熄滅原理與空氣電弧和油中電弧是不同的，它并不僅依靠氣流等的壓力梯度所形成的等熵冷卻作用，而主要是利用六氟化硫氣體的特異的熱化學(xué)性質(zhì)和強(qiáng)電負(fù)性，使得六氟化硫氣體具有很強(qiáng)的滅弧能力。。對(duì)于滅弧來(lái)說(shuō)，供給大量新鮮的六氟化硫中性分子并使之與電弧接觸是有效地方法。,3.六氟化硫氣體的絕緣特性,（1）六氟化硫氣體具有很強(qiáng)的電負(fù)性 （2）六氟化硫氣體分子直徑大，電子在六氟化硫氣體中的平均自由行程短，不易積累足夠
9、的動(dòng)能，碰撞電離的可能性減小。,二、 六氟化硫斷路器的滅弧裝置,六氟化硫斷路器的優(yōu)點(diǎn)： 可以提高單斷口的額定電壓和開斷電流 切小電感電流時(shí)較少發(fā)生截流現(xiàn)象；切空載架空線時(shí)不會(huì)發(fā)生多次重?fù)舸荒艹惺芸焖偕仙乃矐B(tài)恢復(fù)電壓，尤適于開斷近區(qū)故障 滿容量開斷次數(shù)多，檢修周期長(zhǎng) 可集合成GIS,按所利用能源的不同，將SF6滅弧裝置分為三類：,外能式滅弧裝置：利用運(yùn)行貯存的高壓力SF6氣體或開斷過(guò)程中依靠操作力產(chǎn)生SF6的壓力差，在開斷時(shí)將SF6氣體吹向電弧而使之熄滅。 自能式滅弧裝置：利用電弧本身的能量使SF6氣體受熱膨脹而產(chǎn)生壓力差，在開斷時(shí)將SF6氣體吹向電弧而使之熄滅。或者利用開斷電流本身依靠線圈
10、形成垂直于電弧的磁場(chǎng)，使電弧在SF6氣體中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而使之熄滅。 混合式滅弧裝置：既利用電弧（或開斷電流）自身的能量，也利用部分外界能量的綜合式滅弧裝置,按開斷過(guò)程中，滅弧裝置工作特點(diǎn)的不同，將SF6滅弧裝置分為：氣吹式，熱膨脹式，磁吹旋轉(zhuǎn)電弧式，混合式,（1）雙壓力式SF6斷路器,最早的SF6斷路器是根據(jù)壓縮空氣斷路器的氣吹滅弧原理設(shè)計(jì)的。通常設(shè)計(jì)采用全密封結(jié)構(gòu)，0.3MPa（表壓力）的低壓氣體作為斷路器內(nèi)部的絕緣介質(zhì)， 1.5MPa （表壓力）的高壓氣體用作滅弧。 由于這種斷路器內(nèi)部有兩種不同的壓力，故稱為雙壓力式SF6斷路器，又稱為第一代SF6斷路器。在60年代，它被譽(yù)為開斷電流最大、工作
11、性能最好的斷路器，大有取代當(dāng)時(shí)壓縮空氣斷路器的趨勢(shì)。,1.氣吹式SF6斷路器滅弧裝置,（2）單壓力式SF6斷路器,雙壓力式SF6斷路器工作性能雖然良好但必須配置一臺(tái)在密封循環(huán)中工作的氣體壓縮機(jī)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴。另外，1.5MPa（表壓力）高壓SF6氣體的液化溫度高，工作溫度必須保持在8C以上，低溫環(huán)境下需要加熱才能工作，這也是一個(gè)致命的弱點(diǎn)。因此很快被第二代SF6斷路器，即單壓力（壓氣）式SF6斷路器所取代。 單壓力（壓氣）式SF6斷路器，外形上與雙壓式無(wú)多大差別。斷路器內(nèi)部只有一種壓力，一般為0.6MPa(表壓力)，它是依靠壓氣作用實(shí)現(xiàn)氣吹來(lái)滅弧的。,壓氣式滅弧室的開斷過(guò)程分為兩個(gè)階段：
12、 （1）預(yù)壓縮階段 為使觸頭分離產(chǎn)生電弧時(shí)就能實(shí)行有效的氣吹，壓氣滅弧室應(yīng)先進(jìn)行一段預(yù)壓縮過(guò)程，使壓氣室中的氣體壓力提高后再打開噴口產(chǎn)生吹弧作用。壓氣滅弧室要求有較大的預(yù)壓縮行程(超行程)，達(dá)到全行程的40。壓氣式SF6斷路器的分閘時(shí)間比其它斷路器要長(zhǎng)些。 （2）氣吹階段 要保證電弧可靠熄滅，在氣吹階段中，要壓氣室中的氣體壓力仍保持較高的比值。這就要求壓氣室體積的壓縮率足夠高，足以補(bǔ)償噴口流出氣體引起的壓力下降。,變熄弧距滅弧方式：觸頭開距在整個(gè)分閘過(guò)程中是不斷改變的。 優(yōu)點(diǎn)是開距大，斷口電壓可以做得較高，熄弧后介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度較快，噴口形狀不受限制，可以設(shè)計(jì)得比較合理，有利于改善吹弧效果。,
13、定熄弧距滅弧方式： 兩個(gè)靜觸頭式中保持固定的開距，氣流向靜觸頭噴口處對(duì)電弧進(jìn)行雙向?qū)ΨQ縱吹。 優(yōu)點(diǎn)是觸頭開距小，行程短，電弧能量小，熄弧能力強(qiáng)，燃弧時(shí)間短。,2.自能式SF6斷路器,自能式SF6斷路器是在壓氣式基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，又稱第三代SF6斷路器。用電弧能量建立滅弧所需要的壓力差。 自能式SF6斷路器的開斷能力與電弧能量有關(guān)。 可采用彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu),3.旋弧式SF6斷路器,旋弧式SF6斷路器利用SF6氣體中電弧在磁場(chǎng)作用下快速轉(zhuǎn)動(dòng)而使電弧熄滅。,三、SF6斷路器的結(jié)構(gòu),瓷柱式 開斷元件放在絕緣支柱上，使處于高電位的觸頭、導(dǎo)電部分及滅弧室與地電位絕緣，絕緣支柱則安裝在接地的基座上。稱為外殼帶電
14、斷路器，也稱之為絕緣支柱式斷路器。 罐式 開斷元件放在接地的箱殼中，其間的絕緣依靠氣體來(lái)承擔(dān)，導(dǎo)電部分經(jīng)套管引入，結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，常在額定電壓高的高壓和超高壓斷路器中使用，抗地震性能好，稱為外殼接地?cái)嗦菲?又稱落地罐式),四、 六氟化硫氣體與溫室效應(yīng),1997年防止全球變暖的京都議定書中，將包括SF6氣體的6種氣體列為溫室效應(yīng)氣體，它們對(duì)溫室效應(yīng)的影響依次為C02，CH4，N2O，PFC，HFC，SF6。 將SF6氣體列為溫室效應(yīng)氣體的原因，主要是SF6氣體對(duì)溫室效應(yīng)有著相當(dāng)大的潛在危險(xiǎn)，其原因有二：(1)SF6分子對(duì)溫室效應(yīng)的潛在影響大。若以CO2氣體的全球變暖系數(shù)為1，則SF6氣體為23900。這就是說(shuō)，一個(gè)SF6分子對(duì)溫室效應(yīng)的影響為CO2的23900倍。（2） SF6氣體排放大氣后，它的壽命長(zhǎng)，約為3200年。,
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