SF6斷路器的應用分析

SF6氣體是二十世紀初發(fā)現(xiàn)的，它應用于電工設備是在四十年代，第一次被用于斷路器是在五十年代初。由于SF6氣體同空氣和變壓器油相比有許多優(yōu)異的電氣絕緣和滅弧性能，近年來，SF6在電氣設備上的應用有了很大的發(fā)展，尤其是在高壓和超高壓斷路器上，還有全封閉組合電器。現(xiàn)在，新安裝的110kV及以上電壓等級的斷路器，包括大部分的35kV斷路器已經(jīng)全部是SF6斷路器了。

　　 1．SF6的物理和化學特性

　　 SF6分子由一個硫原子和六個氟原子構成，六個氟原子以共價鍵的形式和硫原子結合成一個中性分子，其原子量為146，大約是空氣的五倍，也就是說它的密度也大約是空氣的五倍。在常溫下，SF6氣體是無色、無味、無毒并且透明的惰性氣體，它非常穩(wěn)定，通常情況下很難分解；它既不溶于變壓器油也不溶于水。

我們都知道，對于理想氣體有一個狀態(tài)方程，即PV=GRT，其中P為氣體壓力；V為氣體的體積；G為氣體的重量；R為一個狀態(tài)常量，對于SF6來說，R=97.2J/g*T；T為絕對溫度。當SF6氣體的狀態(tài)發(fā)生變化時，它沒有完全符合理想氣體的狀態(tài)方程，這主要因為它的分子量較大，當氣體壓力增大時，氣體的密度相應增大，分子間的相互吸引作用開始顯露，所以在實際工作中常用SF6的狀態(tài)參數(shù)曲線來表示；SF6的狀態(tài)參數(shù)曲線是一族曲線，每條線對應一個氣體密度。

在這里有幾個重要的參數(shù)：SF6的熔點：溫度T=-50.8℃,壓力P=2.3kg/cm2,在這一點上，SF6三態(tài)共存，即氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)三種狀態(tài)同時存在；SF6沸點：溫度T=-63.8℃,壓力為一個大氣壓，在這一點上，SF6可以直接由固體變成氣體。如果將飽和蒸汽曲線向上延伸，就得到了SF6氣體的臨界溫度T=45.6℃,臨界壓力P=38.5 kg/cm2,臨界溫度和臨界壓力表明了SF6氣體可以被液化的最高溫度和所需的最小壓力。

　　 SF6的狀態(tài)參數(shù)曲線在實際中有著非常廣泛的的應用。如果一臺SF6斷路器，你知道了它的容積、正常工作時的氣壓和它的最低工作氣壓，你就可以計算出它所需要的SF6氣量，它能夠正常工作的最低環(huán)境溫度和出現(xiàn)液化時的溫度。例如：一臺SF6斷路器的容積時0.5m3,在環(huán)境溫度為20℃時正常工作氣壓為4.5個大氣壓，最低工作氣壓的下限為3.5個大氣壓（表壓），那么在SF6的狀態(tài)參數(shù)曲線中可以找到對應的密度曲線，得到氣體密度為35kg/m3，那么所需要的SF6氣量就是17.5kg，密度曲線與飽和蒸汽曲線的交點就是其液化溫度（-35℃），當溫度下降時，氣體壓力也隨之下降，當氣體壓力下降到3.5個大氣壓（表壓）時，其溫度為-30℃，這就是能工作的最低環(huán)境溫度。

　　當SF6氣體的溫度降低到液化溫度后，SF6氣體開始液化，但這個過程是一個漸進的過程，如果溫度下降，它就沿飽和蒸汽曲線變化，壓力和密度都同時下降，這將嚴重影響到SF6氣體的滅弧性能，所以如果斷路器工作在很低的環(huán)境溫度下的時候，就要采取適當?shù)拇胧?，以保證氣體的工作壓力。 來源:hvsi.cn

　　 SF6氣體的穩(wěn)定性比較好，在一般情況下不會分解，但是，SF6斷路器內的情況比較復雜，如果沒有電弧的話，SF6氣體基本上不會與其他物質發(fā)生反應，但是由于斷路器內不可能不發(fā)生電弧，而電弧又會產生高溫、高壓以及電暈，在這種情況下，SF6氣體會發(fā)生分解，生成低氟化物、硫化物和硫、氟的單原子；請注意：這里有一個很重要的特性，就是這時生成的活性物質在電弧熄滅以后一般都能夠重新結合成SF6分子，這對于斷路器的下一次開斷是很有利的，也大大減輕了檢修的工作量；比如油斷路器開斷幾次短路故障之后，變壓器油的碳化就比較嚴重了，需要進行換油、檢修觸頭等工作，而SF6斷路器的問題就要好很多，它可以多次開斷短路故障而不用檢修。

　　 SF6斷路器里的SF6氣體不可能是完全純凈的，會含有一些雜質，如水等，此外在斷路器燃弧時也會產生一些觸頭材料的金屬蒸汽，這些物質在電弧的作用下會同SF6氣體發(fā)生化學反應，生成一些金屬氟化物、硫的低氟化物、氫氟酸，還有很少量的劇毒物質，如SOF2，SO2F4等。生成的金屬氟化物大都是一些白色的粉狀物質，它們會覆蓋在導體的表面，影響導電性能；而生成的HF、SF4、SO2會對斷路器內的含有硅元素的絕緣體，如玻璃、陶瓷支持件和環(huán)氧澆注件等都有較強的腐蝕性，降低這些絕緣件表面的絕緣電阻，所以，在實際工作中，我們要嚴格控制SF6氣體中的水分含量，同時，還要在斷路器中盡可能多地采用耐腐蝕的高分子有機材料，如聚四氟乙烯、聚酯樹脂和環(huán)氧樹脂加Al2O3填料的制品；此外，對那些少量的劇毒物質由于它們能長時間的保留在SF6氣體中，我們必須在SF6斷路器中放置吸附劑，來提高SF6氣體的純度，同時確保人身的安全。
2．SF6氣體的電性能：

　　關于SF6氣體的電性能，我們將分別討論它在常溫下的電氣絕緣性能和高溫下的滅弧性能。

　　在均勻電場中，工頻電壓的作用下，SF6氣體、油和氮氣相比，SF6氣體的介質強度大約是氮氣的五倍，而且當壓力大于8個大氣壓時，其介質強度就能夠超過變壓器油。

　　下面我們討論影響SF6氣體擊穿電壓的因素：

　　 SF6氣體的擊穿電壓除了與壓力有關以外，還與電極表面的光潔度和潔凈度有關；電極表面越潔凈、越光潔，其擊穿電壓就越高。

　　在同一壓力下，SF6氣體的擊穿電壓隨著觸頭開距的增大而增大，但不是一個線性的關系，而是有一點飽和的意思，而且壓力越大飽和越嚴重；所以我們在實踐中不能單靠增大觸頭開距來加強絕緣。

　　此外，SF6氣體的擊穿電壓還與電極的幾何形狀和觸頭面積有關；如果電極形狀使得電場越均勻，其擊穿電壓就越高，這在這里要注意，和真空開關不同，電極材料對SF6氣體的擊穿電壓沒有比較明顯的影響。

　　 SF6氣體之所以有比較好的絕緣性能，是因為SF6氣體具有負電性，就是說SF6分子能夠吸附氣體中的自由電子，而變成負離子，這種負離子的質量遠遠大于自由電子的質量，因此運動速度大大降低，此外，間隙中自由電子的數(shù)量減少了，就難以形成擊穿通道。所以其絕緣性能比較好。另外，這種負電性在高溫下，也就是在滅弧時也是十分有利的。

　　 SF6氣體的熄弧性能也是非常好的，這有以下幾個方面的原因：

　　 SF6氣體在電弧的作用下會發(fā)生分解和游離，有多原子結構分子分解為單原子或帶電粒子的氣體，在2000℃左右開始分解為低氟化物，4000℃左右開始游離，6000℃左右時游離的最迅速，當溫度高于10000℃時，SF6氣體就全部游離了；這種內部的變化將影響氣體的導熱、導電性能，使它的導熱、導電性能大大增強。

　　氣體導熱性能增強，電弧的散熱就加快了，這樣就有利于電弧熄滅后間隙中的絕緣介質迅速降溫，有利于低氟化物復合成SF6，同時有利于恢復絕緣，大大降低了電弧的復燃，有利于熄唬

　　對于氣體導電性能增強有利于熄弧的原因，可能有點不太好理解，導電性能增強了只會有利于燃弧，怎么會有利于熄弧呢？原因是這樣的：導電性能增強了確實有利于燃弧，通過幾種氣體電弧的伏安特性曲線可以發(fā)現(xiàn)，SF6氣體的伏安特性曲線最低，也就是說，在電流相同的情況下，SF6氣體的電弧電壓最低，而電弧能量就是Uh*I，也最低，電弧在電流很小的情況下也能維持，不會發(fā)生斷裂，這樣就不會發(fā)生截流現(xiàn)象，這也是SF6氣體比較優(yōu)越的地方；我們知道現(xiàn)在的SF6斷路器都是在電弧電流過零時熄滅的，電弧在燃弧時電弧能量小，電弧的溫度和分解的氣體就相對也較少，這對于電流過零后間隙的絕緣強度的恢復非常有利，使得熄弧后很難發(fā)生重燃或復燃，所以SF6氣體既有利于燃弧，又有利于熄唬
　　此外，SF6氣體的負電性（吸附自由電子的特性）和二次復合特性（在電弧中分解的低價氟化物在熄弧后迅速還原成SF6分子），這些特性也使得SF6氣體無論是在起始介質強度、介質恢復速度還是最終的介質強度都是比較高的。 3．SF6斷路器：

　　 SF6斷路器之所以在近年來得到了迅速的發(fā)展，其主要的原因就在于SF6氣體同其他絕緣介質相比具有很多的優(yōu)點：

　　 1．SF6氣體的絕緣強度高，決定了SF6斷路器單個斷口所能承受的電壓要比其他形式的斷路器要高，據(jù)介紹已經(jīng)有500kV的單斷口斷路器出現(xiàn)了；SF6氣體的熄弧性能好，決定了SF6斷路器的滅弧能力強，這樣它的開斷能力要大于其他形式的斷路器，單斷口已經(jīng)能夠達到100kA，這是其他形式的斷路器無法達到的，尤其是在現(xiàn)在，電力系統(tǒng)的容量越來越大，很多變電站的短路容量已經(jīng)達到了近五十千安，一些樞紐變電站甚至達到了60——70kA，如果沒有SF6斷路器，那么就無法滿足短路容量的要求，在系統(tǒng)短路時，無法切除故障。