六氟化硫气体的绝缘特性以及在设备绝缘中的应用

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2SF6气体绝缘的应用及其理化特点•发展历程•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3SF6气体绝缘的应用及其理化特点•绝缘结构•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4SF6气体绝缘的应用及其理化特点5SF6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。6SF6气体绝缘的应用及其理化特点7SF6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。8SF6气体绝缘的应用及其理化特点9SF6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10SF6气体绝缘的应用及其理化特点•高压配电装置的类型•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(HybridGasInsulatedSwitchgear)11SF6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。12SF6气体绝缘的应用及其理化特点13SF6气体绝缘的应用及其理化特点•SF6金属封闭开关设备（即GIS）（GasInsulatedSwitchgear)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。14SF6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，63～500kV电力系统中，GIS的应用已相当广泛15SF6气体绝缘的应用及其理化特点16SF6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。17SF6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18SF6气体绝缘的应用及其理化特点GIS变电站设计应注意的问题：１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）２户内通风装置设计应防止气体泄漏造成窒息事故19SF6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。20SF6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套管和支柱数(仅为常规设备的30~50％)。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21SF6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40~60％22SF6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23SF6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。24SF6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)。25SF6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。26SF6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。27SF6气体绝缘的应用及其理化特点28SF6气体绝缘的应用及其理化特点29SF6气体绝缘的应用及其理化特点•SF6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。30SF6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0.8MPa）内，温度低于-18℃时，需考虑SF6气体的液化问题。31SF6气体绝缘的应用及其理化特点32均匀电场中六氟化硫的击穿•SF6电气强度高的原因(1)氟是卤族元素中电负性最强，因此SF6分子具有很强的电负性，容易吸附电子形成负离子，阻碍放电的形成和发展。(2)SF6分子的直径大，电子在SF6气体中的平均自由行程短(约为0.22um)。而SF6的电离电位又大。因此减小了电子碰撞电离的可能性。33均匀电场中六氟化硫的击穿(3)电子与SF6气体分子相遇时，还会因极化等过程增加能量损失，减弱其碰撞电离能力。34均匀电场中六氟化硫的击穿电子电离系数和附着系数电离系数α、附着系数η、有效电离系数35均匀电场中六氟化硫的击穿对于SF6,仅当E/p大于临界值(E/p)c＝885kv/cm·MPa时放电才有可能发展;而对于空气,其(E/p)c=244kv/cm·Mpa，由此可知，均匀电场中SF6的电气强度约为空气的3倍。36均匀电场中六氟化硫的击穿•自持放电条件当崩头电子数达到放电由非自持转入自持阶段。680.510~10cnI13~18.5cadnnK37均匀电场中六氟化硫的击穿38均匀电场中六氟化硫的击穿对于不同的间隙，当压力不太大时，相同pd值时的击穿电压值落在同一条曲线上；随着压力的增大，击穿电压值偏离上述曲线；间隙距离d越小，开始出现偏离的pd值也越小。这种现象可能是电极表面粗糙和气体中有杂质等原因造成的。39均匀电场中六氟化硫的击穿电极表面状态的影响40均匀电场中六氟化硫的击穿击穿条件41均匀电场中六氟化硫的击穿当SF6气体的压力较低时，(值较大。这时电子崩将延伸至整个间隙(Xc＝d-h)，且间隙内各处场强与气压之比应较高，积分式的值达到而发生击穿。因此p较低时，Eb/P大于（E/P）crit42均匀电场中六氟化硫的击穿当压力p较高时，值较小，电子崩长度较小的情况下，即发生击穿，Eb/P小于（E/P）crit43均匀电场中六氟化硫的击穿对于SF644均匀电场中六氟化硫的击穿以（ph）crit表示（K/β)/(E/P)crit，当ph(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•面积效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：理想环境下Ub与pd成线性关系。随着P的增大，巴申曲线会出现偏移。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，应尽量采用稍不均匀电场结构。同轴圆柱或同心圆球（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=0.1MPa,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x≦U/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XcXc=Xo-r52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=99.5kV53稍不均匀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稍不均匀电场中六氟化硫的击穿•小结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.SF6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