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1、六氟化硫和气体绝缘电气设备六氟化硫和气体绝缘电气设备 一、六氟化硫的绝缘性能一、六氟化硫的绝缘性能 二、六氟化硫理化特性方面的若干问题二、六氟化硫理化特性方面的若干问题 三、六氟化硫混合气体三、六氟化硫混合气体 四、气体绝缘电气设备四、气体绝缘电气设备 六氟化硫六氟化硫(SF(SF 6 6 ) )气体：气体： 2020世纪世纪6060年代开始作为年代开始作为绝缘介质和灭弧介质绝缘介质和灭弧介质 使用于某些电气设备使用于某些电气设备( (首先是断路器首先是断路器) )中；中； 至今已是除空气外应用最广泛的气体介质。至今已是除空气外应用最广泛的气体介质。 SFSF 6 6 的电气强度约为空气的的电
2、气强度约为空气的2.52.5倍，灭弧能力更倍，灭弧能力更 高达空气的高达空气的100100倍以上，所以在倍以上，所以在超高压和特高压的超高压和特高压的 范畴内，它已完全取代绝缘油和压缩空气而成为范畴内，它已完全取代绝缘油和压缩空气而成为 唯一的断路器灭弧介质。唯一的断路器灭弧介质。 目前目前SFSF 6 6 不但应用于单一电力设备，如：不但应用于单一电力设备，如：SFSF 6 6 断断 路器、气体绝缘变压器等。路器、气体绝缘变压器等。 也被广泛采用于将多种变电设备集于一体并密也被广泛采用于将多种变电设备集于一体并密 闭充闭充SFSF 6 6 气体的容器之内的封闭式气体绝缘组合电器气体的容器之内
3、的封闭式气体绝缘组合电器 （GISGIS）和充气管输电线（和充气管输电线（GIC)GIC)等装置中。等装置中。 一、一、SFSF 6 6 的绝缘性能的绝缘性能 SFSF 6 6 具有较高的电气强度，主要是因为其具有很具有较高的电气强度，主要是因为其具有很 强的强的电负性电负性，容易俘获自由电子而形成负离子，容易俘获自由电子而形成负离子( (电电 子附着过程子附着过程) )，电子变成负离子后，电子变成负离子后, ,其引起碰撞电离其引起碰撞电离 的能力就变得很弱，因而削弱了放电发展过程。的能力就变得很弱，因而削弱了放电发展过程。 与均匀电场中的击穿电压相比，与均匀电场中的击穿电压相比，SFSF 6
4、 6 在极不均匀在极不均匀 电场中击穿电压下降的程度比空气要大得多。电场中击穿电压下降的程度比空气要大得多。SFSF 6 6 优异的绝缘性能优异的绝缘性能只有在电场比较均匀的场合才能得只有在电场比较均匀的场合才能得 到充分的发挥到充分的发挥。 电场的不均匀程度对电场的不均匀程度对SFSF 6 6 电气强度的影响远比对空气电气强度的影响远比对空气 的大。的大。 在设计以在设计以 SFSF 6 6 气体作为绝缘的各种电气设备时气体作为绝缘的各种电气设备时 ，应尽可能使气隙中的，应尽可能使气隙中的电场均匀化电场均匀化，采用屏蔽等措，采用屏蔽等措 施以消除一切尖角处的极不均匀电场，使施以消除一切尖角处
5、的极不均匀电场，使 SFSF 6 6 优异优异 的绝缘性能得到充分的利用。的绝缘性能得到充分的利用。 ( (一一) )均匀和稍不均匀电场中均匀和稍不均匀电场中SFSF 6 6 的击穿的击穿 SFSF 6 6 电负性气体中的碰撞电离和放电过程时，电负性气体中的碰撞电离和放电过程时， 除了考虑第一章中所说的除了考虑第一章中所说的 过程外，还应计及过程外，还应计及 电子附着过程，它可用一个与电子碰撞电离系数电子附着过程，它可用一个与电子碰撞电离系数 的定义相似的电子附着系数的定义相似的电子附着系数 来表示，来表示， 的的 定义是一个电子沿电场方向运动定义是一个电子沿电场方向运动1cm1cm的行程中所
6、的行程中所 发生的电子附着次数平均值。可见在电负性气体发生的电子附着次数平均值。可见在电负性气体 中的有效碰撞电离系数中的有效碰撞电离系数 应为：应为： 这时应该注意这时应该注意：在一般气体中，正离子数等：在一般气体中，正离子数等 于新增的电子数；而在电负性气体中，正离子数于新增的电子数；而在电负性气体中，正离子数 等于新增的电子数与负离子数之和。所以在汤逊等于新增的电子数与负离子数之和。所以在汤逊 理论中不能将式理论中不能将式(12)(12)中的中的 简单地用简单地用( ( - - ) )来来 代替而得出电负性气体的自持放电条件。代替而得出电负性气体的自持放电条件。 由于强电负性气体在实用中
7、所处条件均属于由于强电负性气体在实用中所处条件均属于 流注放电的范畴，所以这里不再讨论其汤逊自持流注放电的范畴，所以这里不再讨论其汤逊自持 放电条件，而直接探讨其流注自持放电条件。为放电条件，而直接探讨其流注自持放电条件。为 此，写出均匀电场中电负性气体的流注自持放电此，写出均匀电场中电负性气体的流注自持放电 条件为：条件为： 实验研究证明：对于实验研究证明：对于SFSF 6 6 气体，常数气体，常数K K =10.5=10.5 上式表明，在均匀电场中上式表明，在均匀电场中SFSF 6 6 气体的击穿也遵循气体的击穿也遵循巴巴 申定律申定律。它在。它在0.1MPa(1atm)0.1MPa(1a
8、tm)下的击穿场强下的击穿场强 ，几乎是空气的，几乎是空气的3 3倍。倍。 式中：式中：p p - -气压，气压，MpaMpa，d d - -极间距离，极间距离，mmmm (kV) SFSF 6 6 气体的击穿电压可以用下式计算：气体的击穿电压可以用下式计算： 均匀电场中空气的电气强度大致为均匀电场中空气的电气强度大致为 ：30kV/cm30kV/cm 左图给出出左图给出出R/r=1.67R/r=1.67 4.064.06的同轴圆筒中的同轴圆筒中SFSF 6 6 的击穿场强的击穿场强 E Eb b 与气压与气压 p p 的关系曲线，由图中可的关系曲线，由图中可 见击穿场强并不与气压见击穿场强并
9、不与气压 成正比，而是增加得少成正比，而是增加得少 一些。一些。 前面已经提到，在气体绝缘电气设备中最常见前面已经提到，在气体绝缘电气设备中最常见 的是的是稍不均匀电场气隙稍不均匀电场气隙，例如同轴圆筒间的气隙。，例如同轴圆筒间的气隙。 ( (二二) ) 极不均匀电场中极不均匀电场中SFSF 6 6 的击穿的击穿 在极不均匀电场中在极不均匀电场中 ， SFSF 6 6 气体的击穿有气体的击穿有异异 常现象常现象，主要表现在以，主要表现在以 下两个方面：下两个方面： 如图所示，首先是工如图所示，首先是工 频击穿电压随气压的变频击穿电压随气压的变 化曲线存在化曲线存在“驼峰驼峰”； 其次是驼峰区段
10、内的其次是驼峰区段内的 雷电冲击击穿电压雷电冲击击穿电压明显明显 低于低于稳态工频击穿电压稳态工频击穿电压 ，其冲击系数可低至，其冲击系数可低至 0.60.6左右，如右图所示左右，如右图所示 。 虽然驼峰曲线在虽然驼峰曲线在压缩空气压缩空气中也存在，但一般要中也存在，但一般要 在气压高达在气压高达1MPa1MPa左右才开始出现，而在左右才开始出现，而在SFSF 6 6 气体中，气体中， 驼峰常出现在驼峰常出现在0.10.10.2MPa0.2MPa的气压下，即在工作气的气压下，即在工作气 压以下。因此，压以下。因此，在进行绝缘设计时应尽可能设法避在进行绝缘设计时应尽可能设法避 免极不均匀电场的情
11、况免极不均匀电场的情况。 极不均匀电场中极不均匀电场中SFSF 6 6 气体击穿的异常现象与气体击穿的异常现象与空间空间 电荷的运动电荷的运动有关。有关。 空间电荷对棒极的屏蔽作用会使击穿电压提高空间电荷对棒极的屏蔽作用会使击穿电压提高 ，但在雷电冲击电压的作用下，空间电荷来不及移，但在雷电冲击电压的作用下，空间电荷来不及移 动到有利的位置，故其击穿电压低于稳态击穿电压动到有利的位置，故其击穿电压低于稳态击穿电压 ；气压提高时空间电荷扩散得较慢，因此在气压超；气压提高时空间电荷扩散得较慢，因此在气压超 过过0.10.10.2MPa0.2MPa时，屏蔽作用减弱，工频击穿电压时，屏蔽作用减弱，工频
12、击穿电压 会下降。会下降。 （三）影响击穿场强的其它因素（三）影响击穿场强的其它因素 气体绝缘电气设备的设计场强值远低于理论气体绝缘电气设备的设计场强值远低于理论 击穿场强，这是因为有许多影响因素会使它的击穿击穿场强，这是因为有许多影响因素会使它的击穿 场强下降。此处仅介绍其中两种主要影响因素，即场强下降。此处仅介绍其中两种主要影响因素，即 电极表面缺陷电极表面缺陷和和导电微粒导电微粒。 1 1、电极表面缺陷、电极表面缺陷 右图表示电极表面右图表示电极表面 粗糙度粗糙度 R Ra a 对对SFSF 6 6 气体电气气体电气 强度强度 E Eb b 的影响。的影响。 可以看出：可以看出：GISG
13、IS的工的工 作气压越高，则作气压越高，则 R Ra a 对对 E Eb b 的影响越大，因而对电的影响越大，因而对电 极表面加工的技术要求极表面加工的技术要求 也越高。也越高。 电极表面粗糙度大时，表面突起处的局部电场电极表面粗糙度大时，表面突起处的局部电场 强度要比气隙的平均电场强度大得多，因而可在宏强度要比气隙的平均电场强度大得多，因而可在宏 观上平均场强尚未达到临界值时就诱发击穿。观上平均场强尚未达到临界值时就诱发击穿。 除了表面粗糙度外，电极表面还会有其它零星除了表面粗糙度外，电极表面还会有其它零星 的随机缺陷，电极表面积越大，这类缺陷出现的概的随机缺陷，电极表面积越大，这类缺陷出现
14、的概 率也越大。所以电极表面积越大，率也越大。所以电极表面积越大，SFSF 6 6 气体的击穿场气体的击穿场 强越低，这一现象被称为强越低，这一现象被称为“面积效应面积效应”。 2 2、导电微粒、导电微粒 设备中的导电微粒有两大类，即固定微粒和自设备中的导电微粒有两大类，即固定微粒和自 由微粒，前者的作用与电极表面缺陷相似，而后者由微粒，前者的作用与电极表面缺陷相似，而后者 因会在极间跳动而对因会在极间跳动而对SFSF 6 6 气体的绝缘性能产生更大的气体的绝缘性能产生更大的 不利影响。不利影响。 二、六氟化硫理化特性方面的若干问题二、六氟化硫理化特性方面的若干问题 气体要作为绝缘介质应用于工
15、程实际，不但应气体要作为绝缘介质应用于工程实际，不但应 具有高电气强度，而且还要具备良好的理化特性。具有高电气强度，而且还要具备良好的理化特性。 SFSF 6 6 气体是唯一获得广泛应用的强电负性气体的原因气体是唯一获得广泛应用的强电负性气体的原因 即在于此。下面对即在于此。下面对 SFSF 6 6 气体实际应用中的理化特性气体实际应用中的理化特性 作一介绍：作一介绍： 2 2、毒性分解物、毒性分解物 1 1、液化问题、液化问题 3 3、含水量、含水量 1 1、液化问题、液化问题 现代现代SFSF 6 6 高压断路器的气压在高压断路器的气压在0.7MPa0.7MPa左右，而左右，而GISGIS 中除断路器外其余部分的充气压力一般不超过中除断路器外其余部分的充气压力一般不超过 0.45MPa0.45MPa。如果如果2020 C C时的充气压力为时的充气压力为0.75MPa(0.75MPa(相当于相当于 断路器中常用的工作气压），则对应的液化断路器中常用的工作气压），则对应的液化温度约为温度约为 -25-25 C C，如果，如果2020 C C时的充气压力为时的充气压力为0.45MPa0.45MPa，则对应的，则对应的 液化温度为液化温度为-40-40 C C，可见一般不存在液化问题，只有，可见一般不存在液化问题，只有 在在高寒地区
