SF6气体的绝缘和灭弧性能

SF6气体的绝缘和灭弧性能
一、绝缘性能 (2)
1 SF6气体的物理化学性能 (2)
1.1 SF6气体的密度 (2)
1.2 SF6气体具有“负电性” (2)
1.3 SF6气体的电弧温度 (2)
1.4 SF6气体能增加地球的温室效应 (2)
1.5 SF6气体的临界温度 (2)
1.6 SF6气体在电弧作用下分解 (2)
2 SF6气体的绝缘性能 (3)
2.1均匀电场、极不均匀电场和稍不均匀电场的说明 (3)
2.2 SF6气体间隙的绝缘特性 (3)
2.3 SF6气体中绝缘件的沿面放电特性 (5)
二、灭弧性能 (6)
一、绝缘性能
1 SF6气体的物理化学性能
1.1 SF6气体的密度是6.07kg/m3(200C，0.1Mpa时)，空气是1.19。

SF6比空
气重得多，因此户内GIS站内漏泄出来的SF6气体会沉积在室内的低处，排风机应设臵在地面上方1m处为宜。

1.2 SF6气体具有“负电性”，即具有很强的电子吸附能力，它比空气的负
电性高几十倍，因此SF6气体具有很优良的绝缘性能。

1.3 SF6气体的电弧温度达到2000-3000K时就急剧分解成F和S的单原子，
在分解时要从电弧吸取大量的热能，即具有“高导热性”，因此SF6气体具有很优良的灭弧性能。

1.4 SF6气体能增加地球的温室效应，是一种不环保的气体。

在中压开关领
域，采用N2气体作为绝缘介质，用真空灭弧室开断电弧，称之为绿色环保产品。

在高压开关领域，还没有找到一种能替代SF6的绝缘和灭弧介质,但可以使用SF6/ N2混合气体，以减少SF6的使用量。

1.5 SF6气体的临界温度是45.6C,临界压力是3.77Mpa，因此在常温下压缩
SF6气体就可以将SF6从气态转化成液态（回收装臵的原理）。

1.6 SF6气体在电弧作用下分解成S和F的单原子，正负离子和电子，其大
部分很快（10-5S之内）复合再生成SF6，只有少数与金属蒸汽、喷嘴材料的蒸汽和可能被电弧灼伤的灭弧室绝缘件的蒸汽发生化学反应，危险最大的是与水分子的化学反应，产生氢氟酸（HF），它对绝缘材料和金属材料都能产生腐蚀作用，尤其
是能严重腐蚀含硅（Si）绝缘件。

因此在GIS能产生电弧的气隔中不能使用含硅的盘式绝缘子，其填料用Al2O3。

同时，要严格控制气隔内的水分含量在150PPm以内（体积比，即水分的压力与SF6气体的压力的比值，PPm是10-6）。

此处，SF6气体的分解物是有毒的，检修人员必须有很好的防护措施。

2 SF6气体的绝缘性能
GIS中用SF6气体作为绝缘介质，主要绝缘结构有SF6气体间隙的绝缘和SF6中绝缘件的沿面放电两种。

2.1均匀电场、极不均匀电场和稍不均匀电场的说明
均匀电场：平行平板间的电场，同轴圆柱体之间的电场和同心球体之间的
电场等等（在GIS中难以绝对做到）。

极不均匀电场：针对针或针对平板之间的电场（在GIS中应极力避免）。

稍不均匀电场：介于上述两者之间的电场。

对具体的绝缘结构可用ANSYS 软件进行有限元法计算。

一般来讲，处于高电位处，等电位突变处和绝缘介质的介电系数突变处等部位的电位梯度高。

放电是从高电位梯度处首先开始的，然后再继续发展。

2.2 SF6气体间隙的绝缘特性
(1)最重要的影响因素是电场的均匀性，即电位梯度的最大值越小越好。

SF6
气体在均匀电场中的绝缘性能十分优良，SF6间隙的击穿场强大约是相同空气间隙的三倍。

但随电场的不均匀性增大，其绝缘性能急剧下降。

在极不均匀电场中，SF6间隙的击穿放电电压甚至低于空气间隙的击穿放电电压。

例如：户外高压隔
离开关，随着电压的升高，首先出现电晕放电（此时没有发生击穿放电），电压再升高后才发生击穿放电。

但在SF6间隙中，电晕起始电压与击穿放电电压很接近。

在结构设计中必须避免尖角毛刺，采用圆弧表面、屏蔽罩等措施来获得比较均匀的电场。

圆弧表面越小，电场的不均匀性越高，SF6间隙的放电电压降低。

所以，圆弧表面应尽量大一点。

(2)足够的绝缘距离是必要的（对我们的GIS，至少需要50mm），但不是绝缘距离越大，绝缘能力就越高，两者之间的关系曲线类似于饱和曲线。

在增大绝缘距离的同时还要保持电场的均匀性。

(3)足够的SF6气体工作压力（密度）是必要的（我们的GIS规定额定SF6气压为0.6Mpa,但在最低工作压力0.5Mpa时仍能保持规定的绝缘和开断能力），但SF6气体压力也不与SF6间隙的绝缘能力成正比关系。

(4)零件表面的粗糙度的影响
零件的表面是凹凸不平的，凸出部分场强集中，击穿放电电压降低。

而凹陷的部分必然导致其周围的凸出。

SF6电器电极表面粗糙度的最低要求：
带电体表面Ra≤6.3μm
地电位壳体内表面Ra≤50μm
常用加工方式能达到的粗糙度水平：
精车(铣、镗) Ra=3.2μm
普通车(铣、镗) Ra=6.3μm
铸件电极外表面、壳体内表面打磨砂光Ra=6.3～50μm
钢板壳体内表面喷丸Ra=50μm
SF6电器零部件在制造装配过程中不允许有碰撞、划伤。

(5)导电微粒对SF6绝缘的影响
导电微粒附着在电极表面的现象是普遍存在的，经常发生的。

如切削加工后的削末未擦干净，砂光后的电极表面残留的金属粉末未擦干净，运行中的产品在分合操作若干次后磨损脱落的金属粉末等，都会在电极表面形成突出的细小的放电尖端，这相当于增大电极表面粗糙度，势必降低击穿电压，同时增大局放。

2.3 SF6气体中绝缘件的沿面放电特性
SF6气体中的绝缘件包括盘式（或盆式）绝缘子，支撑用的绝缘子和绝缘筒，绝缘操作杆等。

由于环氧树脂和真空浸渍管的绝缘强度高，从它们的内部击穿的可能性不大，因此它们的放电主要是沿面放电。

它们的沿面电场分布情况是决定它们的绝缘水平的主要因素。

附图（1）是用ANSYS软件计算的我们的盘式绝缘子的电场分布，供参考。

影响绝缘件的沿面放电特性的其他因素有：
(1)嵌件间隙的影响
在绝缘子的浇注过程中，空气或SF6进入嵌件间隙，由于空气、SF6气
体的介电常数比环氧树脂的介电常数小，导致气隙中的电场强度增高，降低了电晕起始电压，随着电晕的发展，闪络电压也下降。

消除气隙的措施是在嵌件外表面涂一层半导体的液压橡胶，利用其弹性来避免在接触处因热胀冷缩而出现空穴。

(2)绝缘件表面浇注质量的影响，表面污染及水分的影响等，上文已经提及，这里不再多说。

二、灭弧性能
在正常的状况下SF6气体分子是不导电的，所以在常温下SF6气体是良好的绝缘介质。

但是，当动静触头逐渐分离时就要产生电弧，电弧使SF6气体的温度升高。

当SF6气体的温度升高到几千度时，SF6气体的分子大量产生游离，分解成正离子和负电子，这些带电的粒子在电极间（触头间）电场的作用下产生定向运动，因而造成气体导电现象。

离子电流和电子电流合起来就是放电（电弧）电流。

此时的SF6气体就成导体了。

SF6气体在1000K以下几乎没有分解，在2000K时开始分解成SF4,SF2以及正离子S+和负离子F-。

其中负离子F-就是氟元素的负电性。

一旦弧柱的温度冷却，S+和F-还会复合成SF6，使得弧柱的电导率下降，形成弧隙的介质恢复强度。

这个复合过程进行的很快，即“时间常数”很小。

电弧的燃烧和熄灭过程首是一个输入能量和散热能量的能量竞争过程。

输入能量是外界的电力线路施加到弧隙中的能量，散热能量是电弧在灭弧室中散发的能量。

当输入能量大于散热能量时，电弧燃烧，当散热能量大于输入能量时，电弧弧柱中的温度下降，上述正离子S+和负离子F-才会复合还原成SF6。

但电弧的最终熄灭还是取决于弧隙的介质恢复强度和断口间的暂态恢复电压两者之间的竞争过程。

如果弧隙的介质恢复强度大于断口间的暂态恢复电压，则电弧最终熄灭；如果断口间的暂态恢复电压大于弧隙的介质恢复强度，则在电流过零点后电弧复燃。

电弧的散热方式有下列三种：
（1）对流散热：这是最主要的散热方式。

当断路器分闸时，热膨胀室和辅助压气室中的高压力的SF6气体经喷口吹拂弧柱，从而带走电弧中的能量。

（2）传导散热：由于弧柱的温度很高（2000-3000K），弧柱的高温向周围的区域传导散热。

这也是重要的散热方式。

（3）辐射散热：在开断大电流时，辐射散热作用大。

关于断口间的输入能量计算，可以找到近似的计算公式。

但由于电弧电压（即电弧电阻或导电率）是变化的，与开断条件有关，所以这种计算是在一定的假设条件下进行的。

对这种计算，我们不作深入的介绍。

关于弧隙的介质恢复强度，是一个复杂的过程，至今还没有一个理论上的计算公式。

因此断路器的开断能力只能通过试验来确定。