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1、1,SF6断路器,清华大学 徐国政联系电话：01062784520（办）01062782591（宅）E-mail:,2,1六氟化硫（SF6）气体的基本特性,SF6无色、无味、无毒、不会燃烧，化学性能稳定,常温下与其它材料不会产生化学反应。绝缘性能优良:0.3MPa 与变压器油相同。（表面、杂质、超净）灭弧性能优良:1.热时间常数小（1s，空气100s)，弧柱体积小，能量少；2.负电性：SF6活动性差，减少导电性，易与SF6复合；3.优良的热特性：ua 低，Ea=10V/cm（0.1MPa）易液化：P 液化T，20 0.6MPa，液化温度25 使用中注意：水分控制、漏气量问题。,3,SF6 分子
2、量为 146 约是空气分子量 28.8 的 5.1倍，因此同样体积的 SF6 气体比空气重得多工业上制造 SF6 是将单质硫和过量气态氟直接化合 S 3F2 SF6Q（放热反应）直接合成的粗品中，一般含有 5%左右的杂质，经一系列净化处理后，才能得到纯度在 99.8%以上的 SF6 精品。SF6 通常以液态保存。,六氟化硫（SF6）气体的基本特性,4,为了保证 SF6 的纯度和质量，除国际电工委员会（IEC）和我国国家标准外，各气体制造厂也多规定了产品的质量标准，有关数据如表 4.1 所示。用户可据此进行复检和验收。临界温度可液化的最高温度。45.6(N2-147)临界压力临界温度下，液化所需
3、压力。3.85 MPa N2 3.46临界温度高，易液化，常温下也可液化。使气体液化的最低压力称为饱和蒸汽压力。与气体种类有关。,六氟化硫（SF6）气体的基本特性,5,2六氟化硫气体的状态参数,主接线曲线AA为饱和蒸汽压力曲线是气态液态、固态的分界线。曲线上的几个特殊点：M熔点，共相点 PM=0.228MPa；TM=50.8 B沸点，0.1MPa下，固体 液体的温度。TB0.1MPa，TB=63.8 由 T、P 延 线 液化温度-30,图5.3 SF6气体的状态参数,6,一般单压式户外 SF6 断路器 20 时的额定气体压力为 0.7 MPa（绝对压力）可以在 25 以上的环境条件下工作。假定
4、SF6电器设备的密封性能良好，没有气体向外泄漏，则电器设备内的气体密度为常数。压力变化并不说明气体一定有泄漏，只有在同一温度下对比不同时间下的压力才能得出正确的结论。为此，SF6电器设备中常常要求装置密度继电器，用以直接反映气体的泄漏情况。,六氟化硫气体的状态参数,SF6 电器设备的最低工作温度与 20时的气体压力有关，表 11.5 给出了最低工作温度与 SF6 气体压力的有关数据。,7,SF6 气体泄漏的监测,假定没有气体向外泄漏，则气体密度为常数。气体压力减小并不说明气体一定有泄漏，只有在同一温度下对比不同时间下的压力才能得出正确的结论。为此，SF6电器设备中常常要求装置密度继电器，用以直
5、接反映气体的泄漏情况。,气体无泄漏，只是由于内部气体温度下降而使压力降低时，双金属片的温度补偿装置,使得压力指示保持不变。能够真实地反应气体的泄漏情况。,8,3六氟化硫气体的化学特性,常温常压下SF6气体是一种可与氮气相比的性能十分稳定的气体。高温下，加上水分的作用会产生有毒气体。,9,3六氟化硫气体的化学特性,常温常压下SF6气体是一种可与氮气相比的性能十分稳定的气体。高温下，加上水分的作用会产生有毒气体。,10,表11.6 SF6气体分解物的化学稳定性与毒性,注1 未曾分解的气体，职工允许每天接触八小时的极限值注2 指的是表中划有横线气体的味觉 注3 老鼠接触60分钟的致命浓度,11,4六
6、氟化硫气体及其分解物的毒性问题,纯净的SF6气体一般公认是无毒的。工作场所要防止SF6气体的浓度上升到缺氧的水平电弧作用下SF6的分解物如 SF4、S2F2、SF2、SOF2、SO2F2、SOF4 和 HF 等，它们都有强烈的腐蚀性和毒性。当工作人员接近 SF6 电器设备闻到有刺鼻性的气味时，应立即设法防止吸入气体并迅速离开。检修 SF6 电器设备不可避免会接触到SF6分解物。为了保证检修人员的安全以及减少对周围环境造成的影响，应该采取一些必要的预防措施。,12,5.六氟化硫电器设备中的水分控制,SF6气体中的水分必须控制在一定限度内，否则将给SF6电器设备的安全运行带来问题。水分造成的危害有
7、两个方面：（1）水分影响有毒物质生成（2）水分影响绝缘 表面凝露SF6气体中的水分含量通常用体积比106（V/V）或重量比106（W/W）表示（国际上也有用parts per million ppm表示的）。制造厂及使用部门都对 SF6 电器设备中 SF6 气体的水分含量作出了明确的规定。,13,水分影响绝缘 表面凝露,某一温度下，当水蒸汽压力（密度）达到或超过该温度下的饱和压力（密度），过量的水蒸汽分子就会凝结，若此时温度 00C，则凝结成水（凝露），温度 0 0C结冰。表 5.7给出，0 0C 时的水蒸汽饱和压力为 611Pa。只要 SF6 气体中水蒸汽的分压力低于 611Pa，水蒸汽只有
8、在温度低于 0 0C 时才能凝结成冰，不会给绝缘性能的降低带来很大的影响。,14,从凝露角度对水分的要求,表11.7 水蒸气的饱和参数,15,SF6电器设备中允许的水蒸气含量（简称水分含量或含水量）通常以体积比或重量比表示,体积比,按照理想气体状态方程：假设0C下水蒸气分压力为611pa（水蒸气的饱和压力），折算到20C下水蒸气分压力,若p 为20C下SF6电器设备的气体总压力，则允许的水分含量（体积比）,如果水蒸气分压力按10C的259 pa 考虑，则,体积比,P264,16,表11.8 不同压力下允许的水分含量106 V/V 假定 0 0C下水蒸汽分压力 PV=611 Pa，折算到 20
9、0C 为 655.8 Pa；10 0C时为 259 Pa 考虑,综合考虑后 表11.9 GB7674中水分含量的允许值 106V/V,SF6电器设备对水分含量的要求是非常严格的。因此，在生产、按装，调试各个节中都应对水分严加控制。,17,6.吸附剂的应用,SF6气体在电弧作用下产生的各种有毒物质以及内部残留的水分，都得通过吸附剂来吸收。只要吸附剂选择正确，数量得当，水分及有毒物质的数量都能控制在允许的范围内。,18,7.六氟化硫气体的绝缘性能,电场不均匀程度对SF6气体击穿电压的影响1.在均匀电场中SF6气体的击穿电场强度大约是空气的三倍。2在极不均匀电场下这一比值将大为缩小。3.大多采用稍不
10、均匀电场的结构，用得较多的是同轴园柱与同心园球。4.有极性效应，高气压下击穿电压，负极性 正极性,19,8.六氟化硫气体中的电弧,电弧具有高温的弧芯和低温的弧焰。电流很小时仍能维持弧芯的导电状态。截流值低。电弧电压低，电弧功率低，对熄灭电弧有利。电负性气体，介质强度恢复快。绝缘性能好，开距小，有利于开断电流的提高。,图.44 SF6气体中电弧径向的温度分布,20,SF6气吹断路器灭弧室的喷口,SF6气吹断路器中，常采用图中的缩放形喷管，又称“拉伐尔喷管”。当入口处气体 p 足够大时，喉部 v 达到当地的音速，过了喉部后气流继续加速和减压。气流速度v 超过音速称为超音速（超临界）流动，而气流入口
11、处到喉部的距离内，气流速度低于音速称为亚音速（亚临界）流动。,由于喷管内各地的流量是相同的，喉部处流量与截面积 S 的比值即流量密度最大，散热效果最好，因此断路器中，电弧的位置常安排在喷管的喉部处。,21,喷管气流中的热堵塞,大电流燃弧期间的一个重要现象是电弧对气流的热堵塞。喷管中有电弧存在时的气流状况必然与无电弧时的冷态气流不同从流量角度考虑，电弧的出现会使喉部的有效面积和流量减小，另外电弧对喉部上游气流的加热又会使上游气体温度和压力升高,极端情况下，电弧截面积会占据整个喉部的面积，喉部处的气体流量减小至零，这种状况称为喷管的完全堵塞，如图。一般认为，出现喷管完全堵塞时，断路器已接近到达它的
12、极限开断电流。再增大电流，喷管会严重烧伤，弧柱中的金属蒸汽也会剧激增大，使交流电流过零后的弧隙绝缘性能的恢复变得非常困难，交流电弧就难以熄灭了。,22,对喷管热堵塞现象新的认识。电弧热堵塞对上游气体的加热能使 p 升高加强了压气式灭弧室的气吹作用。只要大电流期间喷管热堵塞的时间不是太长，触头不会严重烧伤产生大量的金属蒸汽。,喷管气流中的热堵塞,因而，在SF6压气式灭弧室中出现一定程度的热堵塞是有利的。这样在满足同一开断电流要求下，喷管喉部面积可以适当的减小，操动机构的操作能量也能因此而减少。,1.压力曲线（ta=23ms）；2.压力曲线（ta=20ms）；3.电流曲线（ta=20ms）；4.电
13、流曲线（ta=23ms）；5.压力曲线（空载时）,23,550kV断路器dead tank CB,550kV断路器live tank CB,9.结构与灭弧原理,24,SF6断路器几种常见灭弧室,双压式单压式,定开距压气式变开距压气式热膨胀+助吹（自能式）热膨胀室+辅助压气室（自能式）混合式一（自能式）混合式二（自能式）双室十双动结构（自能式）,25,图11.51 双压式SF6断路器,根据压缩空气断路器的气吹灭弧原理设计的。低压气体0.3MPa（表压力）作为绝缘介质，高压气体1.5Mpa（表压力）用作灭弧。结构复杂，价格昂贵,低温环境下需要加热才能工作，很快被第二代即单压压气式所取代。,26,单
14、压式SF6断路器,单压压气式SF6断路器内部只有一种压力，气体压力低，0.6MPa（表压力），毋需加热装置就能在不低于25的低温环境下工作。它是依靠压气作用实现气吹来灭弧的。具有结构简单，开断电流大的优点。要求操动机构具有很大的操作功。需要配备大功率的液压操动机构或压缩空气操动机构。,27,结构：两个固定的金属喷口保持不变的开距，动触桥与绝缘材料制成的压气室一起运动，当动触桥金属离开喷口时压气室内的高压力气体经电弧、喷口向外排出。,定开距压气式,1.压气室；2.动触桥；3.金属喷口；4.活塞；5.电弧 a.关合位置；b.开始气吹 c.气吹电弧；d.分断结束,西门子3AS型断路器定开距灭弧室,2
15、8,变开距压气式,变开距的压气式灭弧室内的触头开距，随压气室向下运动而逐渐加长，喷口通常采用聚四氟乙烯耐弧材料,1.静主触头；2.静弧触头；3.动弧触头；4.动主触头；5.压气缸；6.活塞；7.操作杆；8.喷嘴；9.压气室,29,与变开距结构相比，定开距的开距较小，电弧电压低，电弧能量小，对提高开断电流较为有利。压气室离电弧区较远，不易出现绝缘材料的烧损问题，因此触头间的绝缘强度较高，触头开距可稍小一些。压气室内气体的利用率不如变开距的结构。为了保证气吹时间不致过短，压气室的总行程就得增大。压气室内的气体经喷口内腔向外排出，形状及尺寸受一定的限制。影响气流场U，矛盾不好解决，开距大，不好配合，
16、径向速度不能大，绝缘性能、Ud，不可能很高，变开距，可拉的比较大。最早喷口材料，石墨喷口，发展过程中的结构，500 kV就不好做了。,特点比较,30,SF6断路器的发展,第一代产品“双压”式断路器 结构复杂、环境适应能力差、需要压气泵和加热装置第二代产品“单压”式断路器 靠机械运动产生灭弧所需气压操作功大、机械寿命低、开断小电流时易产生截流过电压，固分时间长。采用液压、气动机构、第三代产品“自能”式断路器 电弧自身的热量产生灭弧所需气压，开断小电流采用辅 助压气，不易产生截流过电压，操作功小、机械寿命高采用弹簧机构，操作可靠，固分时间短,31,“自能”压气灭弧技术,开断短路电流时利用电弧自身的
17、热效应开断负荷电流时利用压气效应提高断路器的机械操作寿命延长检修周期，减少维护量降低操作噪声,32,热膨胀室和压气室隔开，两者之间设有单向阀。在压气室底部设有释压阀。,热膨胀室+辅助压气室 灭弧室,33,双室十双动结构,采用双动运动系统，上、下触头在开断时反向运动。在不增加操作功的基础上，提高了刚分速度，以保证大电流的开断。,双动过程演示,34,操动机构（第14章）,传统的高压断路器都是带触头的电器，通过触头的分、合动作达到开断与关合电路的目的，因此必须依靠一定的机械操动系统才能完成。,在断路器本体以外的机械操动装置称为操动机构，而操动机构与断路器动触头之间连接的传动部分称为传动机构和提升机构
18、。,35,操动机构的合闸能源从根本上讲是来自人力或电力。这两种能源还可转变为其它能量形式，如电磁能、弹簧位能、重力位能、气体或液体的压缩能等。根据能量形式的不同，操动机构可分为手动操动机构（CS）、电磁操动机构（CD）、弹簧操动机构（CT）、电动机操动机构（CJ）、气动操动机构（CQ）和液压操动机构（CY）等。,操动机构,36,操动机构,各类操动机构的优缺点,37,操动机构,各类操动机构的优缺点,38,操动机构,各类操动机构的优缺点,39,断路器的分闸操动力可以依靠安装在断路器上的分断弹簧来提供能量、但有些气动操动机构与液压操动机构也可利用操动机构本身提供的能量来完成断路器的分闸操作。按照操动
19、机构对电源的要求，一般分为：非储能式操动机构 对电源要求高储能式操动机构（失电操作能力）,操动机构,40,操动机构按照分、合闸信号进行操作。根据运行与维护要求，操动机构除了应有分、合闸的电信号指标外，在操动机构及断路器上还应具有反映分、合闸位置的机械指示器。1合闸;2保持合闸 3分闸 操动机构不仅要求能够电动（自动或遥控）分闸，在某些特殊情况下，应该可以在操动机构上进行手动分闸，而且要求断路器的分闸速度与操作人员的动作快慢和下达命令的时间长短无关。4自由脱扣;5防跳跃;6复位7连锁（1）分合闸位置连锁。（2）低气（液）压与高气（液）压连锁。（3）弹簧操动机构中的位置连锁。,操动机构,41,高压
20、断路器与操动机构,SF6断路器的发展，经历了 双压式 单压式 自能式（热膨胀式灭弧技术）三个阶段。混合式：热膨胀压气助推（ALSTOM结构）、热膨胀减少压气行程、热膨胀旋弧助吹、热膨胀辅助压气双动在 SF6 断路器发展过程中，操动机构与灭弧室灭弧方式间的相互促进、相互制约、相互依存的关系是密不可分的。,操动机构,42,强有力的液压操动机构使得单压式灭弧方式得以实现，并在很长一段时间内，占据主导产品的地位。而自能式（热膨胀式）灭弧技术的实现，减小了断路器所需的操作功，才能采用，维护方便的弹簧操动机构（复合式）。在积极开发新的灭弧室的同时，提高操动机构的可靠性和性能，也是一个很重要的问题。成熟的液
21、压机构、弹簧机构、气动机构，仍将有广阔的市场。,操动机构,43,1.手动操动机构（CS）2.电磁操动机构（CD）,靠电磁力合闸的操动机构称为电磁操动机构。优点:结构简单、工作可靠、制造成本较低;缺点:合闸线圈消耗的功率太大因而用户需配备价格昂贵的蓄电池组。电磁操动机构的结构笨重，合闸时间长（0.20.8 s），主要用来操作126 kV及以下的断路器。,44,永磁操动机构,在ABB率先推出永磁操动机构之后，中国市场上陆续出现一些永磁操动机构，但大部分客户对此持观望态度。永磁与弹簧操动那种好？各自更适合于那种应用场合？等等，仍是一个值得继续探讨的问题。,45,永磁操动机构,46,ABB弹簧操动机构
22、（BLK222 操作机构）,运行、维护方便，监测管理问题,47,ABB弹簧操动机构（BLG1002 A操作机构）,48,ABB弹簧操动机构（BLG1002 A操作机构）,49,储能式液压操动机构原理,储能部分。由储压器、油泵与电动机组成。执行元件。工作缸，压缩能转变为机械能，完成分合操作。控制元件。各种阀门，用以实现分、合操作的控制、连锁与保护等要求辅助元件。包括低压力油箱、连接管道与油过滤器、压力表、继电器等,采用差动式工作缸,50,CY3液压操动机构,1工作缸；2油泵；3储压器；4合闸控制阀 5主控阀；6、7单向阀（逆止阀）；8分闸控制阀 9油箱；10节流孔；11合闸电磁铁12分闸电磁铁,CY3是一种简易型储能式液压操动机构。采用差动式工作缸，液压与连杆混合传动。,51,液压弹簧操动机构原理,52,ABB公司AHMB型液压弹簧操动机构，性能好，多家厂商采用,液压弹簧操动机构,53,Thank You!,
