SF6断路器应用

SF6断路器应用分析

【摘要】sf6气体是二十世纪初发现的，它应用于电工设备是在四十年代，第一次被用于断路器是在五十年代初。由于sf6气体同空气和变压器油相比有许多优异的电气绝缘和灭弧性能，近年来，sf6在电气设备上的应用有了很大的发展，尤其是在高压和超高压断路器上，还有全封闭组合电器。现在，新安装的110kv及以上电压等级的断路器，包括大部分的35kv断路器已经全部是sf6断路器了。

【关键词】六氟化硫；断路器；应用；分析 1.sf6的物理和化学特性

（1）sf6分子由一个硫原子和六个氟原子构成，六个氟原子以共价键的形式和硫原子结合成一个中性分子，其原子量为146，大约是空气的五倍，也就是说它的密度也大约是空气的五倍。在常温下，sf6气体是无色、无味、无毒并且透明的惰性气体，它非常稳定，通常情况下很难分解；它既不溶于变压器油也不溶于水。 我们都知道，对于理想气体有一个状态方程，即pv=grt，其中p为气体压力；v为气体的体积；g为气体的重量；r为一个状态常量，对于sf6来说，r=97.2j/g*t；t为绝对温度。当sf6气体的状态发生变化时，它没有完全符合理想气体的状态方程，这主要因为它的分子量较大，当气体压力增大时，气体的密度相应增大，分子间的相互吸引作用开始显露，所以在实际工作中常用sf6的状态参数曲

线来表示；sf6的状态参数曲线是一族曲线，每条线对应一个气体密度。

（2）sf6的状态参数曲线在实际中有着非常广泛的的应用。如果一台sf6断路器，你知道了它的容积、正常工作时的气压和它的最低工作气压，你就可以计算出它所需要的sf6气量，它能够正常工作的最低环境温度和出现液化时的温度。例如：一台sf6断路器的容积时0.5m3,在环境温度为20℃时正常工作气压为4.5个大气压，最低工作气压的下限为3.5个大气压（表压），那么在sf6的状态参数曲线中可以找到对应的密度曲线，得到气体密度为35kg/m3，那么所需要的sf6气量就是17.5kg，密度曲线与饱和蒸汽曲线的交点就是其液化温度（-35℃），当温度下降时，气体压力也随之下降，当气体压力下降到3.5个大气压（表压）时，其温度为-30℃，这就是能工作的最低环境温度。

（3）sf6气体的稳定性比较好，在一般情况下不会分解，但是，sf6断路器内的情况比较复杂，如果没有电弧的话，sf6气体基本上不会与其他物质发生反应，但是由于断路器内不可能不发生电弧，而电弧又会产生高温、高压以及电晕，在这种情况下，sf6气体会发生分解，生成低氟化物、硫化物和硫、氟的单原子；请注意：这里有一个很重要的特性，就是这时生成的活性物质在电弧熄灭以后一般都能够重新结合成sf6分子，这对于断路器的下一次开断是很有利的，也大大减轻了检修的工作量；比如油断路器开断几次短

路故障之后，变压器油的碳化就比较严重了，需要进行换油、检修触头等工作，而sf6断路器的问题就要好很多，它可以多次开断短路故障而不用检修。 2.sf6气体的电性能

关于sf6气体的电性能，我们将分别讨论它在常温下的电气绝缘性能和高温下的灭弧性能。

在均匀电场中，工频电压的作用下，sf6气体、油和氮气相比，sf6气体的介质强度大约是氮气的五倍，而且当压力大于8个大气压时，其介质强度就能够超过变压器油。

2.1下面我们讨论影响sf6气体击穿电压的因素

sf6气体的击穿电压除了与压力有关以外，还与电极表面的光洁度和洁净度有关；电极表面越洁净、越光洁，其击穿电压就越高。 在同一压力下，sf6气体的击穿电压随着触头开距的增大而增大，但不是一个线性的关系，而是有一点饱和的意思，而且压力越大饱和越严重；所以我们在实践中不能单靠增大触头开距来加强绝缘。 此外，sf6气体的击穿电压还与电极的几何形状和触头面积有关；如果电极形状使得电场越均匀，其击穿电压就越高，在这里要注意，和真空开关不同，电极材料对sf6气体的击穿电压没有比较明显的影响。

sf6气体之所以有比较好的绝缘性能，是因为sf6气体具有负电性，就是说sf6分子能够吸附气体中的自由电子，而变成负离子，这种

负离子的质量远远大于自由电子的质量，因此运动速度大大降低，此外，间隙中自由电子的数量减少了，就难以形成击穿通道。所以其绝缘性能比较好。另外，这种负电性在高温下，也就是在灭弧时也是十分有利的。

2.2 sf6气体的熄弧性能也是非常好的，这有以下几个方面的原因 sf6气体在电弧的作用下会发生分解和游离，有多原子结构分子分解为单原子或带电粒子的气体，在2000℃左右开始分解为低氟化物，4000℃左右开始游离，6000℃左右时游离的最迅速，当温度高于10000℃时，sf6气体就全部游离了；这种内部的变化将影响气体的导热、导电性能，使它的导热、导电性能大大增强。 气体导热性能增强，电弧的散热就加快了，这样就有利于电弧熄灭后间隙中的绝缘介质迅速降温，有利于低氟化物复合成sf6，同时有利于恢复绝缘，大大降低了电弧的复燃，有利于熄弧。 对于气体导电性能增强有利于熄弧的原因，可能有点不太好理解，导电性能增强了只会有利于燃弧，怎么会有利于熄弧呢？原因是这样的：导电性能增强了确实有利于燃弧，通过几种气体电弧的伏安特性曲线可以发现，sf6气体的伏安特性曲线最低，也就是说，在电流相同的情况下，sf6气体的电弧电压最低，而电弧能量就是uh*i，也最低，电弧在电流很小的情况下也能维持，不会发生断裂，这样就不会发生截流现象，这也是sf6气体比较优越的地方；我们知道现在的 sf6断路器都是在电弧电流过零时熄灭的，电弧在燃弧

时电弧能量小，电弧的温度和分解的气体就相对也较少，这对于电流过零后间隙的绝缘强度的恢复非常有利，使得熄弧后很难发生重燃或复燃，所以sf6气体既有利于燃弧，又有利于熄弧。 3.sf6断路器

（1）sf6断路器之所以在近年来得到了迅速的发展，其主要的原因就在于sf6气体同其他绝缘介质相比具有很多的优点： 1）sf6气体的绝缘强度高，决定了sf6断路器单个断口所能承受的电压要比其他形式的断路器要高，据介绍已经有500kv的单断口断路器出现了；sf6气体的熄弧性能好，决定了sf6断路器的灭弧能力强，这样它的开断能力要大于其他形式的断路器，单断口已经能够达到100ka，这是其他形式的断路器无法达到的，尤其是在现在，电力系统的容量越来越大，很多变电站的短路容量已经达到了近五十千安，一些枢纽变电站甚至达到了60-70ka，如果没有sf6断路器，那么就无法满足短路容量的要求，在系统短路时，无法切除故障。

2）sf6气体在燃弧时的导电性能比较好，电弧电压比较低，小电流的情况下也能够稳定的燃弧，所以，在切断小电流时很少发生截流现象，这样就不会造成过电压，给设备造成损坏。

3）sf6气体在熄弧后介质强度的恢复速度比较快，能承受比较快的瞬时恢复电压，所以在切断空载线路是不会发生多次重击穿，在切断近区故障时特别有利，就是说它不仅开断短路电流的性能强，

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