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SF6断路器与GIS
一、六氟化硫气体特性与灭弧原理
1.六氟化硫气体的基本特性
• SF6是目前高压电器中使用的最优良的灭弧和绝缘介质。它无色、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。
• SF6由卤族元素中最活泼的氟原子与硫原子结合而成。分子结构是个完全对称的八面体，硫原子居中，六个角上是氟原子，氟与硫原子间以共价键联结，SF6分子量为146，约是空气分子量的5.1倍，因此同样体积的SF6气体比空气重得多。 迄今为止，工业上普遍采用的制造方法是将单质硫和过量气态氟直接化合。
（1）六氟化硫气体的状态参数
• 静止气体可以用三个参数来说明气体所处的状态，称为三个状态参数，即压力P、密度γ和温度T。
• SF6气体的分子质量大，分子间的相互作用显著。当气体压力高于0.3MPa时，分子间的吸引力随气体密度的增大、分子间距离的减小而加强，气体的压力变化特性不再符合式理想气体的状态方程。要准确地计算SF6气体状态参数间的关系，可采用比较实用的Beattie—Bridgman公式。
SF6气体的临界温度高。临界温度表示气体可以被液化的最高温度，临界压力则表示在临界温度下使气体液化所需的压力。SF6气体的临界温度高达45.6°C，说明常温下只要SF6气体压力足够高就会液化。
SF6气体能否液化决定于其饱和蒸汽压力。当气体压力高于其饱和蒸汽压力时，气体就液化。
（2）六氟化硫气体的导热率
SF6导热性能不如空气，其热导率比空气低，在常温下比空气低30％。但由于其粘度较低和密度较高，且分子量大，热容量就大，再考虑到对流效应，总的热传输特性比空气要好2－5倍。
（3）六氟化硫气体的一般化学性能
六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。 SF6在生产过程中会有少量伴随的生成物，其中S2F10是公认的剧毒气体，但经过净化处理可以完全将它除净。
纯净的SF6气体虽然无毒，但在工作场所要防止SF6气体的浓度上升到缺氧的水平。
SF6气体通过对流能与空气混合，但速度很慢。气体一旦混合后就形成SF6和空气的混合气体，不会再次分离。
SF6气体的密度大约是空气的五倍， SF6气体如有泄漏必将沉积于低洼处，如电缆沟中。浓度过大会出现使人窒息的危险，设计户内通风装置时要考虑到这一情况。
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。
1)SF4(四氟化硫)
常温下SF4为无色的气体，有类似SO2的刺鼻气味，在空气中能与水分生成烟雾，产生SOF2和HF。 SF4气体可用碱液或活性氧化铝(A12O3)吸收。 SF4气体对肺有侵害作用，
影响呼吸系统
2)S2F2(氟化硫)
常温下为无色气体，有毒，有刺鼻气味，遇水分能完全水解形成S、SO2和HF。 S2F2对呼吸系统有类似光气的破坏作用。
3)SF2(二氟化硫)
SF2的化学性能极不稳定，受热后性能更加活泼，易水解成S、SO2和HF . SF2气体可用碱液或活性氧化铝吸收.
4)SOF2(氟化亚硫酰)
SOF2为无色气体，有臭鸡蛋味，化学性能稳定。它与水分反应缓促，并能快速地为活性氧化铝或活性炭吸附。 SOF2为剧毒气体．可造成严重的肺水肿，使动物窒息死亡。
5) SO2F2 (二氟化硫酰)
SO2F2为无色无臭气体，化学性能极为稳定，加热到150 °C时也不会与水和金属反应。SO2F2不易被活性氧化铝吸收，但可被KOH和NH4OH缓慢吸收。 SO2F2是一种能导致痉孪的有毒气体。它的危险性在于无刺鼻性嗅味且不会对服鼻粘膜造成刺激作用，故发现中毒后往往会迅速死亡。
6)SOF4(四氟亚硫酰)
SOF4为无色气体，有刺鼻性气味，能被碱液吸收，与水反应会生成SO2F2 。 SOF4是有害气体，对肺部有侵害作用。
7)HF(氢氟酸)
HF是酸中腐蚀性最强的物质。对皮肤、粘膜有强烈刺激作用，并可引起肺水肿和肺炎等。
检修SF6电器设备不可避免会接触到SF6分解物；另外， SF6电器设备损坏时封闭组合电器由于内部电弧故障使压力释放、装置动作或者外壳烧穿时，会有大量SF6气体及其分解物向外排放到大气中。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。
预防措施有：
1)所有安装有SF6电器设备的场所内应该装置有合适的自然通风或强制通风装置。这些通风装置应能保证在最坏的条件下，例如有大量的SF6气体及其分解物向外排出时，足以使有毒的分解物稀释到可以容许的程度。
在安装场所的入口处，工作人员应能方便地启动通风装置。另外，也可利用SF6的检测装置对部分通风装置实行自动启动。还要防止SF6 气体及其分解物进入其它没有通风装置的房间中。
2)除对检修人员进行安全知识的培训外，还应给检修人员配备合适的保护衣服和轻袜手套、化学型的工业防护照镜、防毒面具、有活性过滤器的呼吸保护装置等。为安全起见，检修现场还应配备有氧气呼吸装置的急救设备。
3)利用真空吸尘器尽快消除SF6电器设备内部存在的分解物。清理后，对残留的分解物可用干烘、不起毛的抹布来清除。清扫过程中已被玷污的清扫材料及固态分解物都应放在双层的塑料袋中。未经处理不得任意抛弃，以免造成对环境的污染。
SF6电器设备的应用己50余年，在这段时间内已经积累了大量SF6气体方面的知识和经验。只要严格按照国家或制造厂的有关规程进行工作，就能确保SF6电器设备安全可靠以及有关人员的人身安全。
2六氟化硫气体的电负性
气体原子或分子能够吸附自由电子而形成负离子的性能称为电负性。 SF6具有强电负性。
SF6气体的灭弧性能与灭弧原理
（1）SF6气体的分解温度（2000K）比空气（主要是氮气，分解温度约7000K）低，而需要的分解能 （22.4eV）比空气（9.7eV）高，因此在分解时吸收的能量多，对弧柱的冷却作用强。由于气体分子的分解，在相应的分解温度上就出现气体导热率的高峰。
（2）SF6在高温时分解出S原子、F原子和正负离子，与其他灭弧介质相比，有较大的游离度。在维持相同游离度时，弧柱温度就较低。因此，SF6气体中电弧电压也较低，燃弧时的电弧能量较小，对灭弧有利。
（3）由于SF6的强电负性，能吸附电子和正离子复合，故复合作用快，去游离作用强。尤其在电流过零前后，可使弧隙中带电粒子减少，导电率下降。SF6气体电弧的时间常数也很小，为微秒级或更小，在电弧电流过零后，弧柱温度将急剧下降，分解物急剧复合。因此SF6弧隙的介质强度及其恢复速度都很高，能耐受很高的恢复电压作用，电弧在电流过零后不易重燃。
SF6气体的灭弧原理
SF6气体中电弧的熄灭原理与空气电弧和油中电弧是不同的，它并不仅依靠气流等的压力梯度所形成的等熵冷却作用，而主要是利用SF6气体特异的热化学性质和强电负性，使得SF6气体具有很强的灭弧能力。。对于灭弧来说，供给大量新鲜的SF6中性分子并使之与电弧接触是有效的方法。
3. SF6气体的绝缘特性
（1） SF6气体具有很强的电负性
（2） SF6气体分子直径大，电子在SF6气体中的平均自由行程短，不易积累足够的动能，碰撞电离的可能性减小。
二、 SF6断路器的灭弧装置
SF6断路器的优点：
可以提高单断口的额定电压和开断电流；
切小电感电流时较少发生截流现象；
切空载架空线时不会发生多次重击穿；
能承受快速上升的瞬态恢复电压，尤其适于开断近区故障；
满容量开断次数多，检修周期长；
可集合成GIS。
1.气吹式SF6断路器灭弧装置
（1）双压力式SF6断路器
• 最早的SF6断路器是根据压缩空气断路器的气吹灭弧原理设计的。
• 通常设计采用全密封结构，0.3MPa（表压力）的低压气体作为断路器内部的绝缘介质， 1.5MPa （表压力）的高压气体用作灭弧。
• 由于这种断路器内部有两种不同的压力，故称为双压力式SF6断路器，又称为第一代SF6断路器。在60年代，它被誉为开断电流最大、工作性能最好的断路器，大有取代当时压缩空气断路器的趋势。
（2）单压力式SF6断路器
双压力式SF6断路器工作性能虽然良好．但必须配置一台在密封循环中工作的气体压缩机，结构复杂、价格昂贵。另外，1.5MPa（表压力）高压SF6气体的液化温度高，工作温度必须保持在8°C以上，低温环境下需要加热才能工作，这也是一个致命的弱点。因此很快被第二代SF6断路器，即单压力（压气）式SF6断路器所取代。
• 单压力（压气）式SF6断路器，外形上与双压式无多大差别。断路器内部只有一种压力，一般为0.6MPa(表压力)，它是依靠压气作用实现气吹来灭弧的。
压气式灭弧室的开断过程分为两个阶段：
（1）预压缩阶段
为使触头分离产生电弧时就能实行有效的气吹，压气灭弧室应先进行一段预压缩过程，使压气室中的气体压力提高后再打开喷口产生吹弧作用。压气灭弧室要求有较大的预压缩行程(超行程)，达到全行程的40％。压气式SF6断路器的分闸时间比其它断路器要长些。
（2）气吹阶段
要保证电弧可靠熄灭，在气吹阶段中，要使压气室中的气体压力仍保持较高的比值，这就要求压气室体积的压缩率足够高，足以补偿喷口流出气体引起的压力下降。
变熄弧距灭弧方式：
触头开距在整个分闸过程中是不断改变的。
优点是开距大，断口电压可以做得较高，熄弧后介质强度恢复速度较快，喷口形状不受限制，可以设计得比较合理，有利于改善吹弧效果。
定熄弧距灭弧方式：
两个静触头始终保持固定的开距，气流向静触头喷口处对电弧进行双向对称纵吹。
优点是触头开距小，行程短，电弧能量小，熄弧能力强，燃弧时间短。
2.自能式SF6断路器
• 自能式SF6断路器是在压气式基础上发展起来的，又称第三代SF6断路器。用电弧能量建立灭弧所需要的压力差。
• 自能式SF6断路器的开断能力与电弧能量有关。
• 可采用弹簧操动机构。
3.旋弧式SF6断路器
• 旋弧式SF6断路器利用SF6气体中电弧在磁场作用下快速转动而使电弧熄灭。
三、 SF6断路器的结构
• 瓷柱式
开断元件放在绝缘支柱上，使处于高电位的触头、导电部分及灭弧室与地电位绝缘，绝缘支柱则安装在接地的基座上。称为外壳带电断路器，也称之为绝缘支柱式断路器。
• 罐式
开断元件放在接地的箱壳中，其间的绝缘依靠气体来承担，导电部分经套管引入，结构比较稳定，常在额定电压高的高压和超高压断路器中使用，抗地震性能好，称为外壳接地断路器(又称落地罐式)
四、 六氟化硫气体与温室效应
• 1997年防止全球变暖的京都议定书中，将包括SF6气体的6种气体列为温室效应气体，它们对温室效应的影响依次为C02，CH4，N2O，PFC，HFC，SF6。
• 将SF6气体列为温室效应气体的原因，主要是SF6气体对温室效应有着相当大的潜在危险，其原因有二：
(1) SF6分子对温室效应的潜在影响大。若以CO2气体的全球变暖系数为1，则SF6气体为23900。这就是说，一个SF6分子对温室效应的影响为CO2的23900倍。
（2）SF6气体排放大气后，它的寿命长，约为3200年。