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1、六氟化硫气体绝缘 目录 SF6气体绝缘 的应用及其理化特点 均匀及稍不均匀电场 中SF6的击穿特性 极不均匀电场 中SF6的击穿特性 SF6气体的冲击击 穿特性 SF6气体中沿固体介质表面的放电 含SF6的混合气体 2 SF6气体绝缘 的应用及其理化特 点 发发发发展展历历历历程程 1940年之后作为绝缘 气体被使用于核物 理高压研究装置 50年代末起，用作断路器的内部绝缘 和 灭弧介质 1965年已出现了SF6金属封闭开关设备 （GIS） 现在电缆 、电流互感器、电压 互感器、 套管、电力变压 器、避雷器和试验变压 器等设备 中 3 SF6气体绝缘 的应用及其理化特 点 绝缘结绝缘结绝缘结绝
2、缘结 构构 SF6气体间隙绝缘 这是设备 中主要的绝缘结 构，要求 电场 尽可能均匀。可采用同轴圆 柱结构 导体拐弯部分应制成圆弧形 4 SF6气体绝缘 的应用及其理化特 点 5 SF6气体绝缘 的应用及其理化特 点 SF6固体介质分界面绝缘 要注意固体介质对电场 的影响，以 及固体介质表面状况对沿面放电过 程的 影响。 6 SF6气体绝缘 的应用及其理化特 点 7 SF6气体绝缘 的应用及其理化特 点 出线绝缘 这是指SF6电力设备 高压引出线的 绝缘 。高压导 体与接地外壳之间采用 SF6为主要绝缘 ，并用瓷套将SF6与其 它介质(如空气、油)隔离。 8 SF6气体绝缘 的应用及其理化特
3、点 9 SF6气体绝缘 的应用及其理化特 点 SF6-薄膜组合绝缘 应用于SF6变压 器和互感器中，作 为导 体的匝间和层间绝缘 10 SF6气体绝缘 的应用及其理化特 点 高高压压压压配配电电电电装置的装置的类类类类型型 空气绝缘 的敞开式开关设备 (AIS) 气体绝缘 金属封闭开关设备 (GIS) 混合技术开关设备 (MTS) 敞开式组合电器 复合式GIS (Hybrid Gas Insulated Switchgear) 11 SF6气体绝缘 的应用及其理化特 点 空气绝缘 的敞开式开关设备 (AIS) AIS以优化投资成本为特征 空气绝缘 的敞开式开关设备 (AIS)以 瓷套作为设备
4、外壳及外绝缘 ,优化了投 资成本。但占地面积大旦因设备 外露部 件多,易受气候环境条件的影响,不利于系 统的安全及可靠运行。 12 SF6气体绝缘 的应用及其理化特 点 13 SF6气体绝缘 的应用及其理化特 点 SF6金属封闭开关设备 （即GIS） （Gas Insulated Switchgear)简称 GIS，它将一座变电 站中除变压 器以外 的一切设备 ，包括断路器、隔离开关、 接地开关、电压 互感器、电流互感器、 避雷器、母线、电缆终 端、进出线套管 等，经优 化设计 有机地组合成一个整体 。 14 SF6气体绝缘 的应用及其理化特 点 实践证明，GIS运行安全可靠、配置 灵活、环境
5、适应能力强、检修周期长、 安装方便。GIS不仅在高压、超高压领 域被广泛应用，而且在特高压领 域变电 站也被使用，在我国，63500kV电力 系统中，GIS的应用已相当广泛 15 SF6气体绝缘 的应用及其理化特 点 16 SF6气体绝缘 的应用及其理化特 点 GIS变电 站优点： 1.占地小。 2.不受环境条件和环境污染的影响。 3.使运行人员不受电场 和磁场的影响。 4.安装工作量小。 17 SF6气体绝缘 的应用及其理化特 点 GIS设备 缺点： 1.造价高 2.故障停电范围广、修复时间长 、查找故 障点困难 3.扩建设备 与原有设备 的参数要严格配合 且施工干扰大 18 SF6气体绝缘
6、 的应用及其理化特 点 GIS变电 站设计应 注意的问题 ： 主接线设计 和气室划分应充分考虑扩 建 和故障检修的灵活性（单元化，相互独 立的气室有利于防止事故范围扩 大） 户内通风装置设计应 防止气体泄漏造成 窒息事故 19 SF6气体绝缘 的应用及其理化特 点 混合技术开关设备 (MTS) 复合式GIS (H-GIS)是三相空气绝缘 且 不带母线的单相GIS。基本型号为ZHW， 国内将H-GIS亦称为准GIS,简化GIS等。 20 SF6气体绝缘 的应用及其理化特 点 H-GIS的优势 (1)MTS开关设备 完全解决了户外隔 离开关运行可靠性问题 。同时由于各元 件组合,大大减少了对地绝缘
7、 套管和支柱 数(仅为 常规设备 的3050)。这也减 少了绝缘 支柱因污染造成对地闪络 的概 率,有助于提高运行的可靠性 21 SF6气体绝缘 的应用及其理化特 点 (2)由于元件组合,缩短了设备间 接 线距离,节省了各设备 的布置尺寸。相对 于传统 的AIS,大大缩小了高压设备纵 向 布置尺寸,减少占地面积达4060 22 SF6气体绝缘 的应用及其理化特 点 (3)由于采用在制造厂预制式整体组 装调试 、模块化整体运输和现场 施工安 装的方式,现场 施工安装更为简单 、方便 。同时减少了变电 站支架、钢材需用量 。又由于基础小,工程量少,混凝土用量少 ,大大减少了基础工作和费用开支 23
8、 SF6气体绝缘 的应用及其理化特 点 (4)由于MTS模块化,非常灵活,特别 适用于老式变电 站的改造。MTS正是适 应欧洲50年代和60年代老电站需要改造 而兴起。MTS减少了老变电 站升级改造 的施工难度和投资规 模,同时提高了可靠 性。 24 SF6气体绝缘 的应用及其理化特 点 混合技术开关设备 (MTS)目前发展状况 目前国内三家大型企业(西开电气、 平高集团和新沈高)正在积极研制 1100kVGIS和H-GIS(MTS)。 25 SF6气体绝缘 的应用及其理化特 点 根据广东的经验,H-GIS相比GIS具有明显 的价格优势。如550kV一间隔设备费用约为 720万美元(2002年
9、到岸价),而H-GIS一间隔约 为183万美元(横沥站2002年DDV价),约为GIS 价格的1/4,同时GIS扩建麻烦,而H-GIS不带母 线,分相布置,当一相断路器需维护或扩建时,只 需断开与三相母线的连接线,因此H-GIS相比 GIS占有价格低和扩建维修的优势。 26 SF6气体绝缘 的应用及其理化特 点 H-GIS综合费用比AIS虽贵些,但它的 技术经济指标优越,特别减少了套管数量( 约为AIS的50),支柱绝缘子数(约为其 20),设备支架数(为其20%),占地面积( 为其60),安装工作量(为其50),维护 工作量(为其20)等。 27 SF6气体绝缘 的应用及其理化特 点 28
10、SF6气体绝缘 的应用及其理化特 点 29 SF6气体绝缘 的应用及其理化特 点 SF6SF6的物理化学特性的物理化学特性 无色、无味，具有的气体较高的电 气强度，优良的灭弧性能，良好的冷却 特性，不可燃。SF6气体的缺点是：放 电时 SF6会发生分解形成硫的低氟化物 。这些产物有毒，并能腐蚀许 多绝缘 材 料和导电 材料，在较高的压力下，SF6 会液化。 30 SF6气体绝缘 的应用及其理化特 点 分子量较大，（复 合性强）较高压力 下易液化，SF6绝 缘通常使用范围（- 40温度80， 压力(ph)crit时，突出物即会产生影响而使 Eb/p小于（E/P）crit，即在高压下，即使 是一个
11、很微小的突出物，也会对击穿电 压产生很大影响，使Ub值降低。 45 均匀电场 中六氟化硫的击穿 导电导电导电导电 微粒的影响微粒的影响 SF6气体对于灰尘和导电 微粒十分敏感。 1.形成突出物，造成电场 局部强化。 2.交流场中，导电 微粒在某一极充电，然 后在极性相反的电极上产生微弱放电， 并导致整个间隙击穿；冲击电压 作用下 ，微粒来不及移动，影响很小。 46 均匀电场 中六氟化硫的击穿 随着球形微粒直 径的增加，击穿 电压逐步下降。 47 均匀电场 中六氟化硫的击穿 面面积积积积效效应应应应 随着电极面积增大，击穿电压 下降 的现象称为面积效应。 电极表面越光滑，气压越高，面积 效应也越
12、大。冲击电压 下，因电压 作用 时间较 短，影响击穿电压 的偶然因素出 现的概率减少，所以面积效应也较工频 电压 下弱。 48 均匀电场 中六氟化硫的击穿 小结1： 理想理想环环环环境下境下UbUb与与pdpd成成线线线线性性关系。关系。 随着随着P P的增大，巴申曲的增大，巴申曲线线线线会出会出现现现现偏移。偏移。 电极表面状态的影响 导电微粒的影响 面积效应 49 稍不均匀电场 中六氟化硫的击穿 电子崩转变为 流注的条件即为间 隙 击穿的条件。 实际设备 中，电场 不可能完全均匀 ，而极不均匀电场 又使SF6的优越性不 能充分发挥 。因此设计 SF6气体绝缘 的 电气设备时 ，应尽量采用稍
13、不均匀电场 结构。同同轴圆轴圆轴圆轴圆 柱或同心柱或同心圆圆圆圆球（半球）球（半球） 50 稍不均匀电场 中六氟化硫的击穿 条件：同轴圆柱电极 ， r=1cm,R/r=e,p=0.1MP a,施加电压U，电极表 面光滑 51 稍不均匀电场 中六氟化硫的击穿 Ex=U/(xIn(R/r)=U/x =27.7(Ex-85.5)=27.7(U/x)-2451 当 0，即在xU/Ecrit=x0区域内，电子崩 可不断发展，若电子崩能转化成流注， 则间 隙击穿，此时存在临界电子崩长度 Xc Xc=Xo-r 52 稍不均匀电场 中六氟化硫的击穿 通过试算法可求得击穿电压 Ub=99.5kV 53 稍不均匀
14、电场 中六氟化硫的击穿 随着间隙距离的增 加，击穿电压 的增 加出现饱和现象。 这是因为随着间隙 距离的增加，电场 的不均匀程度增加 ，击穿电压 的增加 越来越慢的缘故。 54 稍不均匀电场 中六氟化硫的击穿 稍不均匀电场 中，根据经验 公式：不均 匀度f=Emaxd/U,U为外施电压 ,f与电场 分 布中的最大场强Emax成正比。 击穿电压 Ub=E0d/f, f越小，Ub越大（E0 为临 界击穿场强）。 在稍不均匀电场 中，应在可能的情况下 尽量降低最大场强，来提高击穿电压 。 为降低最大场强，经常采用的数据是： 对同轴圆 柱结构，R=3r；对同心圆球 结构，R=2.2r。 55 稍不均匀
15、电场 中六氟化硫的击穿 小小结结结结2 2 实际中，一般采用稍不均匀场的电极布 置结构，例如同轴圆柱或同心圆球（半 球）。 为降低最大场强，经常采用的数据是： 对同轴圆柱结构，R=3r；对同心圆球结 构，R=2.2r。 56 极不均匀场中六氟化硫的击穿 与均匀电场 中的击穿电压 相比，SF6气 体在极不均匀电场 中击穿电压 下降的 程度比空气大。 当电极曲率半径小、 气压低的时候，尖电 极在SF6中的局部放 电起始电压约为 在空 气中的2倍，只有当尖 电极的曲率半径加大 才增加到3倍左右 57 极不均匀场中六氟化硫的击穿 极不均匀电场 中SF6的击穿电压 与空气 相比，提高得不会很多。 1.S
16、F6气体中有效电离系数随电场 强度而 增加的速率比空气的大，约为 空气的几 十倍。这就缩小了极不均匀电场 中的 SF6和空气的Uc的差值。 2.SF6气体电离后在高气压下不容易形成 能改善电极附近电场 分布的均匀空间电 荷层（气压提高时空间电 荷扩散得较慢 ，屏蔽作用减弱）。 58 极不均匀场中六氟化硫的击穿 极不均匀场，随着 间隙距离增加，击 穿电压的增加有饱 和现象，由于曲率 较大的电极处局部 放电产生的空间电 荷的影响，SF6的正 极性击穿电压比负 极性的低。 59 极不均匀场中六氟化硫的击穿 压力增大 时，负极 性击穿电 压低于正 极性击穿 电压，这 可能和高 气压下球 电极附近 不易形成 空间电荷 层有关 60 六氟化硫气体的冲击击 穿特性 放放电时电时电时电时 延延 SF6气体中，由于分子对电 子的强烈 吸附作用而减少了有效电子出现
