SF6断路器原理、结构及性能特征

SF6断路器原理、结构及性能特征

青海电力科学试验研究院

2009年7月

1、SF6气体

1.1 SF6气体的基本特性

纯净的SF6是一种无色、无嗅、无毒、不可燃的卤素化合物。SF6气体的化学性质非常稳定，在空气中不燃烧，不助燃，与水、强碱、氨、盐酸、硫酸等不反应，在低于150℃时，SF6气体呈化学惰性，极少溶于水，微溶于醇。与传统绝缘油相比，其绝缘性能和灭弧性能都较为突出。

SF6气体是由最活泼的氟原子和硫原子结合而成，分子结构是个全对称的八角体。其分子量较大，为146；SF6气体难溶于水，在常温甚至较高温度下都不会发生化学反应；SF6气体的热传导性能差，仅为空气的2/3，但是其散热性能比空气要好。

图1 SF6分子结构

1.2 SF6气体的绝缘性能

断路器开断后，触头间间隙绝缘能力的恢复是电弧熄灭的重要因素，间隙中带电粒子的多少决定了绝缘能力的大小。当触头分开产生

电弧后，带电粒子主要是热游离和碰撞游离产生的，由于SF6气体是负电性的气体，而且体积比较大，对电子捕获较易，并能吸收其能量生成低活动性的稳定负离子，其自由行程短，使间隙间难以再产生碰撞游离，大大减少了间隙中的带电粒子。因此，在一个大气压下，SF6气体的绝缘能力超过空气的两倍，在三个大气压下，其绝缘能力和变压器油相当。

1.3 SF6气体优良的灭弧性能

SF6气体在电弧的作用下，接受电能而生成低氟化合物，但电弧电流过零时，低氟化合物能迅速再合成SF6气体。故弧隙介质强度恢复较快，所以SF6气体的灭弧能力相当于同等条件下空气的100倍。

1.4 影响SF6气体击穿电压的部分因素

SF6气体的自屏蔽效应：在极不均匀电场下，当棒电极发生电晕放电后，放电所产生的空间电荷，因热运动向周围扩大，从而形成较为均匀的电晕层，它改善了棒极周围的电场分布，相当于扩大了棒极的半径一样，这种作用叫做电极的自屏蔽效应。由于SF6气体的分子直径大，分子量大，故与空气相比，它的空间电荷热运动低，使棒极周围的空间电荷密集，而不易向外扩散，因此SF6气体的自屏蔽效应不如空气好。从而使得SF6气体的击穿电压和起晕电压比较接近。不象空气那样，击穿电压和起晕电压相差较大。

由于当电场强度不断增大时，SF6气体中的带电质子的增长速度较空气大的多，而电晕的自屏蔽效应又不如空气，所以SF6气体在不均匀电场中的击穿电压，要比均匀场低很多。因此电场是否均匀，对

SF6气体的击穿电压影响很大。在高压开关设备尤其是GIS设备的设计和制造中要求所有转角之处都要呈圆弧形，不能有棱角。电极周围要用均压罩屏蔽。安装中不能有划痕和凹凸不平之处存在。采用这些措施的所有目的就是为了保证电场均匀。

1.5 低温环境和含水量对SF6气体的影响

从机理上讲，SF6气体属卤族化合物，具有强负电性，对电子有较强的吸附能力。在一定条件下，SF6气体发生SF6+e=SF6-的反应，生成负离子，使绝缘空间的电子数减少，而且负离子的体积大，活泼性差，可抑制绝缘空间的电子游离过程，从而提高了绝缘强度。

SF6气体有如下特点：与空气、水分作用会产生较强的绝缘效果。在一定体积的空气中，渗入少量的SF6气体，可显著提高空气的绝缘强度。但在SF6气体中加入少量的空气，则SF6气体的绝缘强度会明显下降，这叫做空气对SF6气体绝缘强度的负作用，因而控制空气的渗入是一个重要问题。为此，在电气设备充入SF6气体前，必须对设备内部先进行真空处理和密封性试验。。此外，电弧在SF6气体中燃烧时，电弧电压较低，燃弧时间也短。因此，触头断开后触头烧损很轻微，不仅适用于频繁操作，也延长了检修周期。

SF6气体也有如下缺点：含有水分的SF6气体在电弧的高温下，会分解出一些硫的低氟化合物，这些低氟化合物有较强的毒性和刺激性，对人体有危害,，对许多绝缘材料、导电材料也有腐蚀作用。当SF6气体中水分含量大得足以引起在绝缘表面结露时，击穿电压会显著下降，尤其在温度较低时更易造成水分的凝结。

由此我们可以得出以下结论，SF6气体为了适应在高海拔低温地区运行，必须要解决一下几个问题：

首先，控制SF6气体中水分含量是一个重要问题。控制水分含量的方法是：严格控制所使用的SF6气体的含水量，防止水分进入开关设备本体。同时在充气的过程中，也有可能从充气管道和阀门带入水分，或者开关内部的其它固体部件吸附的水分也有可能在运行中释放出来。这些环节如果任何一个出现疏忽，都有可能把水分带入气体中。还有进行SF6微水测量时，由于气体温度的影响也有可能给测量结果引入误差，这些在现场安装和试验过程中都要引起充分的重视。

其次是SF6气体的低温液化问题。SF6气体在一个大气压时的临界液化温度约为－45.6℃，而当断路器内的工作压力约为0.6Mpa，此时它的临界液化温度约为－28.5℃如图2。对于户外罐式断路器，目前国内部分设备在低温运行中采取了一些措施如使用SF6-N2、

SF6-CF4混合气体。这些混合气体断路器可用于-45℃的高寒地区，但由于混合气体吸收电子的性能比SF6差，造成混合气体灭弧能力下降，故混合气体目前仅在部分电压等级较低的断路器中有过实际的应用，还没有在超高压和特高压等级的开关设备中使用。

图2 SF6气体压力与环境温度关系曲线

解决低温地区高压SF6断路器可靠运行的另一种经济实用和行之有效的方法就是直接对高压sF6断路器内的气体进行加热。通过加热装置向断路器输入热量，使设备在-30℃～-45℃的低温环境下仍能保持在闭锁气压之上，以保持绝缘水平和额定开断能力。在环境温度高于产品允许的最低温度时，不必投入加热装置。目前这种设计已被国内外的部分开关制造厂家所采用,并取得了一些运行经验。俄联邦核中心高压电器研究所研制的126kV罐式SF6断路器，额定断路开断电流40kA，SF6气体的额定电压为0．55MPa(20℃)，该产品可以在一5O℃的低温环境下正常工作，其技术关键就是在罐体外侧加装了两个300W 的电加热带。国内新东北电气沈阳开关有限公司生产的550kV GIS设备采用2组4500W的罐体加热装置，工作方式为“一工作一备用”，目前该型号GIS设备已在极限温度为-48℃的伊敏变电站挂网运行。