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1、第七章第七章 SF6断路器与断路器与GIS 本章要点：本章要点：1.SF6气体的物理化学性质气体的物理化学性质2.2.具有优良熄弧能力的原因具有优良熄弧能力的原因3.3.SFSF6 6断路器介绍断路器介绍4.4.全封闭组合电器（全封闭组合电器（GIS）SF6断路器的优势断路器的优势n在特高压领域，在特高压领域，SF6断路器更是独占鳌头。现断路器更是独占鳌头。现有的有的SF6断路器已可做到单断口，发电机保护断路器已可做到单断口，发电机保护断路器已做到断路器已做到200kA的分断能力。的分断能力。第一节 SF6的基本物理化学性质 一一 SF6的物理化学性能的物理化学性能 SF6是一种无色、无味、无
2、毒、不可燃的气体,其化学性能稳定，500以下不分解，纯SF6气体对金属和绝缘材料均无腐蚀作用.是已知化学稳定性最好的物质之一，其惰性与氮气相似。它的临界温度为45.5，临界压力为3.68 MPa兆帕。在临界温度以上时，SF6始终为气体。SF6的分子结构是一个正八面体，以硫原子S为中心，六个氟原子F对称布置在正八面体的各顶端。SF6分子的直径为4.56埃，S和F为共价键，键距为1.58埃。其基本物理参数如表7-1所示。分子结构临界温度、临界压力概念n通常。气体在一定温度和压力下都可以液化，温度越高，液化所需要的压力也越高。n但是当温度超过某一数值时，即使再增但是当温度超过某一数值时，即使再增加多
3、大的压力也不能液化，这个温度叫加多大的压力也不能液化，这个温度叫临界温度临界温度，那么，那么，在这个温度下使气体变在这个温度下使气体变为液体的最小压力就叫临界压力为液体的最小压力就叫临界压力。n在临界温度及临界压力下，气态与液态已无在临界温度及临界压力下，气态与液态已无明显差别；超过临界压力时，温度降至临界明显差别；超过临界压力时，温度降至临界温度以下就全部变为液体，没有相变阶段和温度以下就全部变为液体，没有相变阶段和相变潜热。反之的气化过程也相同。相变潜热。反之的气化过程也相同。表表7-1 SF6与与N2的基本物理参数的基本物理参数气体的状态方程nSF6是重分子气体，容易液化，与理想气体模型
4、差异较大。用理想气体的状态方程来计算，在低温或高压下会产生很大的误差。工程上可用经验公式来描述其三个状态参量之间的关系 ABtp24)1(1057.0（7-2）式中P为压力（MPa）；t为温度（K）；为密度（kg/m3）；系数A、B分别为：)10727.01(1075.034A)10846.01(1051.233B（7-3）（7-4）SF6状态参数曲线n图中F FA段为液化曲线，FO段为固化（升华）曲线。由这条曲线可以方便地查出对应于不同压力的液化温度或固化温度。例如当p=0.55MPa，液化温度约为-25。因此SF6的使用压力不宜太高，当p0.55Mpa 时，在低温下使用就需有加热措施。图7
5、-1 SF6状态参数曲线。卓越的电绝缘特性n六氟化硫具有卓越的电绝缘性和灭弧特性.在相同条在相同条件下，其绝缘能力为空气、氮气的件下，其绝缘能力为空气、氮气的2.5倍以上，灭弧倍以上，灭弧能力为空气的能力为空气的100倍。倍。n由于SF6的优良性能，从50年代末开始广泛用作高压断路器的灭弧介质和绝缘介质。nSF6气体的有效电离系数随电场的增大而激增，因此SF6气体在不均匀电场中其优越性减弱，即使局部微小的电场畸变也会使其击穿强度大大降低。所以在设计SF6气体绝缘装置时，应使电极间电场尽量均匀，电极表面光洁度要高，在安装和运行中要设法去除各种导电微粒，以充分利用其优良的绝缘特性。SF6气体的合成
6、n目前化工行业制造SF6气体的方法主要是采用单质硫磺与过量气态氟直接化合反应而成。即 S+3F2SF6+Q（放出热量）n在合成的粗品中含有多种杂质，其组成有硫氟化合物，如：S2、F2、SF2、SF4、S2F10O等。净化SF6中杂质n为了净化粗品中的杂质，合成后的SF6气体还需要经过水洗、碱洗、热解（去除剧毒的十氟化水洗、碱洗、热解（去除剧毒的十氟化物）、干燥、吸附、冷冻、蒸馏提纯物）、干燥、吸附、冷冻、蒸馏提纯等一系列净化处理过程才能得到纯度在99.8%以上的产品。然后再用压缩机加压，充入降温至-80左右的钢瓶中，以液态形式存在。在使用时减压放出，呈气态充入电气设备中。n六氟化硫带料气瓶不允
7、许在高于45摄氏度下使用，保管和运输 n另外，在气体的充装过程中还可能混入少 量的空气、水分、和矿物油等杂质 SF6气体热分解n纯净的纯净的SF6气体是无毒的，有很好的化学稳定性和耐气体是无毒的，有很好的化学稳定性和耐热性有很好的化学稳定性和耐热性。热性有很好的化学稳定性和耐热性。n在150下不与水、酸、碱、变压器油、金属及绝缘材料作用；SF6在500 以下不分解，超过600 后将产生热分解。SF6气体在电弧的高温（4000K以上）作用下将分解为硫、氟原子或低氟化物，大部分熄弧后可重新结合为SF6，但一小部分会与电弧金属蒸汽、电极或绝缘材料表面的氧分子作用，而生成低氟化物SOF2、SOF4、S
8、OF4、SO2F2和金属氟化物。SF6高温拉弧放电的分解物高温拉弧放电的分解物n氟化亚硫酰（氟化亚硫酰（SOF2）：）：无色，强烈恶心臭味，剧毒气体，引起肺组织急性水肿，影响肺部氧气交换，导致缺氧而窒息性死亡。白鼠和兔子的致死浓度分别为10PPM和50ppm。n氟化硫酰（氟化硫酰（SO2F2）：）：无色无臭痉挛性化合物，对肺组织有刺激作用，引起肺泡出血。白鼠和兔子的致死浓度分别为200ppm和400ppm。n四氟化硫（四氟化硫（SF4）：）：无色，有类似SO2的刺激性臭味的气体，毒性与光气相当，对肺有危害。n二氟化硫（二氟化硫（SF2）：）：易水解成S，O2，HF等，毒性与HF相当。n氟化硫（
9、氟化硫（S2F2）：）：常温下为无色气体，毒性很强，遇水后生成HF。n氟化氢（氟化氢（HF）：）：无色，具有强烈刺激性臭味的气体或液体，极易溶解于水形成氢氟酸，氢氟酸是一种强腐蚀性物质。在高温电弧作用下,SF6会产生硫的低氟化物和金属氟化物6246WF+CuF+4SFW+Cu+4SF6226WF+CuF+2SFW+Cu+2SF2F+SFSF 4 68F+2SOF O+2SF 2264F+2SOFO+2SF 4 2 66F+SSF 64F+F2SO O+2SOF 222 4续46 63SF+)(WF W+3SF 气态态粉末）(ALF AL+3F 3固2332 23SO+)(2ALF OAL+3S
10、OF 固态粉末42 6SF+)固态态粉(CuFCu +SFSF6气体水解n在高温下，SF6气体和生成的低氟化物SOF2、SOF4、SOF4、SO2F2和水发生反应，生成一些强腐蚀化学物，如：222612262OHFSOOHSF（7-4）HF、SF4、SO2对绝缘材料、金属材料都有很大的腐蚀性，如HF、SF4等，对含硅材料（如玻璃、电瓷等）有很强的腐蚀性，所以，SF6气体绝缘装置中要避免使用含硅材料，环氧树脂的填料也不得采用二氧化硅，应采用氧化铝。因此要严格控制SF6气体中的含水量。国际电工委员会曾推荐（IEC-376号出版物）SF6气体中的含水量应小于150ppm（1ppm为百万分之一）。HF
11、SOOHSOF222222248242OHFSOOHSOFHFSOOHFSO232222HF+SOFOH+SF224SF6中水分的吸附nSF6绝缘设备中通常都装有活性氧化铝、活性碳或活性氧化铝、活性碳或分子筛分子筛等，它们都是应用效果较好的吸附剂，对吸收水份是很有效的。n实践证明，只要有适当的气体质量监督与安全管理措施，SF6断路器在运行和检修中的毒性问题是不难解决的，但也不可粗心大意，掉以轻心，使用中的安全问题要予以充分重视。分子筛介绍(补充)n分子筛是一种具有立方晶格的硅铝酸盐化合物，主要由硅铝通过氧桥连接组成空旷的骨架结构，在结构中有很多孔径均匀的孔道和排列整齐、内表面积很大的空穴。此外
12、还含有电价较低而离子半径较大的金属离子和化合态的水。由于水分子在加热后连续地失去，但晶体骨架结构不变，形成了许多大小相同的空腔，空腔又有许多直径相同的微孔相连，这些微小的孔穴直径大小均匀，能把比孔道直径小的分子吸附到孔穴的内部中来，而把比孔道大得分子排斥在外,因而能把形状直径大小不同的分子，极性程度不同的分子，沸点不同的分子，饱和程度不同的分子分离开来，即具有“筛分”分子的作用，故称为分子筛。n目前分子筛在化工，电子，石油化工，天然气等工业中广泛使用。n分子筛吸湿能力极强,用于气体的纯化处理,保存时应避免直接暴露在空气中。存放时间较长并已经吸湿的分子筛使用前应进行再生。分子筛忌油和液态水。使用
13、时应尽量避免与油及液态水接触。工业生产中干燥处理的气体有,空气,氢气,氧气,氮气,氩气等.用两只吸附干燥器并联，一只工作，同时另一只可以进行再生处理。相互交替工作和再生，以保证设备连续运行。干燥器在常温下工作，在加温至350下冲气再生。SF6气体泄漏n由于SF6气体比较重，泄漏时会积聚在地面附近，因此在检修时要注意防止因缺氧而窒息。n泄漏应急处理 ：迅速撤离泄漏污染区人员至上风处，并进行隔离，严格限制出入。建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器，穿一般作业工作服。尽可能切断泄漏源。合理通风，加速扩散。漏气容器要妥善处理，修复、检验后再用。六氟化硫电气设备的事故处理n防止六氟化硫气体漫延，必须将该系
14、统所有通风机全部开启，进行强力排换。电气值班人员应做好处理的组织准备，穿好安全防护服併佩戴隔离式防毒面具、手套和护目眼镜，采取充分的措施准备后，才能进入事故设备装置室进行检查。n设备防爆膜破裂，说明内部出现了严重的绝缘问题，电弧使设备部件损坏，引起内部压力超过标准。因此，必须停电进行处理，查明事故原因，保障工作人员人身安全的前提下进行处理。n认真消除故障所造成的设备外部污染，应使用六氟化硫的熔剂汽油或丙酮将其擦洗乾净。进行这项工作也应按现场运行规程的规定做好安全防护。SF6对环境的危害 n减少温室气体排放、减缓气候变化是联合国气候变化公约和京都议定书的主要目标。n目前，发现人类活动排放的温室气
15、体有六种，它们是二氧化二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳合物、全氟化碳、六氟化硫碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳合物、全氟化碳、六氟化硫(CO2，CH4，N2O，PFC，HFC)，nSF6。其中CO2 气体对温室效应的影响最大，占64，而SF6 气体的影响为最小，仅占0.07(每年排放SF6400600吨)。nSF6气体分子对温室效应具有潜在的危害，这是因为SF6气体一个分子对温室效应的影响为CO2分子的25000倍，同时，排放在大气中的SF6气体寿命特长，约3400年。现今，每年排放到大气中的CO2气体约210亿吨，而每年排放到大气中的SF6气体相当与0.15亿吨CO2气体。SF6的使用情况n现在全
16、球每年生产的大约8500吨 SF6气体中，约有一半以上用于电力工业。而在电力工业中，高压开关设备约占用气量的80%以上，中压开关的用气量约占1/10；主要是用在126252kV的高压、330800kV的超高压领域，特别是126kV252kV550kV的断路器（GCB 发电机出口断路器）、SF6封闭组合电器（GIS）、充气柜（C-GIS）、SF6气体 绝缘管道母线（GIL）中。n因此，合理、正确的使用管理SF6气体，减少排放量是非常必要的。六氟化硫使用引用标准nGB89051996 六氟化硫电气设备中气体管理和检测导则 nGB1165189 劳动保护用品选用规则nGB1202289 工业六氟化硫 nDL/T5951996 六氟化硫电气设备气体监督细则nDL/T5961996 电力设备预防性试验规程nSD31089 六氟化硫气体生物毒性试验方法nIEC3761972 新六氟化硫的规范及验收nIEC4801974 电气设备中六氟化硫气体检测导则第二节第二节 SFSF6 6中的电弧特性中的电弧特性 SF6绝缘性能优良的原因绝缘性能优良的原因nSF6有很强的电负性，在温度不高的情况下（1000K
