SF6断路器的应用分析

SF6气体是二十世纪初发现的，它应用于电工设备是在四十年代，第一次被用于断路器是在五十年代初。由于SF6气体同空气和变压器油相比有许多优异的电气绝缘和灭弧性能，近年来，SF6在电气设备上的应用有了很大的发展，尤其是在高压和超高压断路器上，还有全封闭组合电器。现在，新安装的110kV及以上电压等级的断路器，包括大部分的35kV断路器已经全部是SF6断路器了。

　　 1．SF6的物理和化学特性

　　 SF6分子由一个硫原子和六个氟原子构成，六个氟原子以共价键的形式和硫原子结合成一个中性分子，其原子量为146，大约是空气的五倍，也就是说它的密度也大约是空气的五倍。在常温下，SF6气体是无色、无味、无毒并且透明的惰性气体，它非常稳定，通常情况下很难分解；它既不溶于变压器油也不溶于水。

我们都知道，对于理想气体有一个状态方程，即PV=GRT，其中P为气体压力；V为气体的体积；G为气体的重量；R为一个状态常量，对于SF6来说，R=97.2J/g*T；T为绝对温度。当SF6气体的状态发生变化时，它没有完全符合理想气体的状态方程，这主要因为它的分子量较大，当气体压力增大时，气体的密度相应增大，分子间的相互吸引作用开始显露，所以在实际工作中常用SF6的状态参数曲线来表示；SF6的状态参数曲线是一族曲线，每条线对应一个气体密度。

在这里有几个重要的参数：SF6的熔点：温度T=-50.8℃,压力P=2.3kg/cm2,在这一点上，SF6三态共存，即气态、液态、固态三种状态同时存在；SF6沸点：温度T=-63.8℃,压力为一个大气压，在这一点上，SF6可以直接由固体变成气体。如果将饱和蒸汽曲线向上延伸，就得到了SF6气体的临界温度T=45.6℃,临界压力P=38.5 kg/cm2,临界温度和临界压力表明了SF6气体可以被液化的最高温度和所需的最小压力。

　　 SF6的状态参数曲线在实际中有着非常广泛的的应用。如果一台SF6断路器，你知道了它的容积、正常工作时的气压和它的最低工作气压，你就可以计算出它所需要的SF6气量，它能够正常工作的最低环境温度和出现液化时的温度。例如：一台SF6断路器的容积时0.5m3,在环境温度为20℃时正常工作气压为4.5个大气压，最低工作气压的下限为3.5个大气压（表压），那么在SF6的状态参数曲线中可以找到对应的密度曲线，得到气体密度为35kg/m3，那么所需要的SF6气量就是17.5kg，密度曲线与饱和蒸汽曲线的交点就是其液化温度（-35℃），当温度下降时，气体压力也随之下降，当气体压力下降到3.5个大气压（表压）时，其温度为-30℃，这就是能工作的最低环境温度。

　　当SF6气体的温度降低到液化温度后，SF6气体开始液化，但这个过程是一个渐进的过程，如果温度下降，它就沿饱和蒸汽曲线变化，压力和密度都同时下降，这将严重影响到SF6气体的灭弧性能，所以如果断路器工作在很低的环境温度下的时候，就要采取适当的措施，以保证气体的工作压力。 来源:hvsi.cn

　　 SF6气体的稳定性比较好，在一般情况下不会分解，但是，SF6断路器内的情况比较复杂，如果没有电弧的话，SF6气体基本上不会与其他物质发生反应，但是由于断路器内不可能不发生电弧，而电弧又会产生高温、高压以及电晕，在这种情况下，SF6气体会发生分解，生成低氟化物、硫化物和硫、氟的单原子；请注意：这里有一个很重要的特性，就是这时生成的活性物质在电弧熄灭以后一般都能够重新结合成SF6分子，这对于断路器的下一次开断是很有利的，也大大减轻了检修的工作量；比如油断路器开断几次短路故障之后，变压器油的碳化就比较严重了，需要进行换油、检修触头等工作，而SF6断路器的问题就要好很多，它可以多次开断短路故障而不用检修。

　　 SF6断路器里的SF6气体不可能是完全纯净的，会含有一些杂质，如水等，此外在断路器燃弧时也会产生一些触头材料的金属蒸汽，这些物质在电弧的作用下会同SF6气体发生化学反应，生成一些金属氟化物、硫的低氟化物、氢氟酸，还有很少量的剧毒物质，如SOF2，SO2F4等。生成的金属氟化物大都是一些白色的粉状物质，它们会覆盖在导体的表面，影响导电性能；而生成的HF、SF4、SO2会对断路器内的含有硅元素的绝缘体，如玻璃、陶瓷支持件和环氧浇注件等都有较强的腐蚀性，降低这些绝缘件表面的绝缘电阻，所以，在实际工作中，我们要严格控制SF6气体中的水分含量，同时，还要在断路器中尽可能多地采用耐腐蚀的高分子有机材料，如聚四氟乙烯、聚酯树脂和环氧树脂加Al2O3填料的制品；此外，对那些少量的剧毒物质由于它们能长时间的保留在SF6气体中，我们必须在SF6断路器中放置吸附剂，来提高SF6气体的纯度，同时确保人身的安全。
2．SF6气体的电性能：

　　关于SF6气体的电性能，我们将分别讨论它在常温下的电气绝缘性能和高温下的灭弧性能。

　　在均匀电场中，工频电压的作用下，SF6气体、油和氮气相比，SF6气体的介质强度大约是氮气的五倍，而且当压力大于8个大气压时，其介质强度就能够超过变压器油。

　　下面我们讨论影响SF6气体击穿电压的因素：

　　 SF6气体的击穿电压除了与压力有关以外，还与电极表面的光洁度和洁净度有关；电极表面越洁净、越光洁，其击穿电压就越高。

　　在同一压力下，SF6气体的击穿电压随着触头开距的增大而增大，但不是一个线性的关系，而是有一点饱和的意思，而且压力越大饱和越严重；所以我们在实践中不能单靠增大触头开距来加强绝缘。

　　此外，SF6气体的击穿电压还与电极的几何形状和触头面积有关；如果电极形状使得电场越均匀，其击穿电压就越高，这在这里要注意，和真空开关不同，电极材料对SF6气体的击穿电压没有比较明显的影响。

　　 SF6气体之所以有比较好的绝缘性能，是因为SF6气体具有负电性，就是说SF6分子能够吸附气体中的自由电子，而变成负离子，这种负离子的质量远远大于自由电子的质量，因此运动速度大大降低，此外，间隙中自由电子的数量减少了，就难以形成击穿通道。所以其绝缘性能比较好。另外，这种负电性在高温下，也就是在灭弧时也是十分有利的。

　　 SF6气体的熄弧性能也是非常好的，这有以下几个方面的原因：

　　 SF6气体在电弧的作用下会发生分解和游离，有多原子结构分子分解为单原子或带电粒子的气体，在2000℃左右开始分解为低氟化物，4000℃左右开始游离，6000℃左右时游离的最迅速，当温度高于10000℃时，SF6气体就全部游离了；这种内部的变化将影响气体的导热、导电性能，使它的导热、导电性能大大增强。

　　气体导热性能增强，电弧的散热就加快了，这样就有利于电弧熄灭后间隙中的绝缘介质迅速降温，有利于低氟化物复合成SF6，同时有利于恢复绝缘，大大降低了电弧的复燃，有利于熄唬

　　对于气体导电性能增强有利于熄弧的原因，可能有点不太好理解，导电性能增强了只会有利于燃弧，怎么会有利于熄弧呢？原因是这样的：导电性能增强了确实有利于燃弧，通过几种气体电弧的伏安特性曲线可以发现，SF6气体的伏安特性曲线最低，也就是说，在电流相同的情况下，SF6气体的电弧电压最低，而电弧能量就是Uh*I，也最低，电弧在电流很小的情况下也能维持，不会发生断裂，这样就不会发生截流现象，这也是SF6气体比较优越的地方；我们知道现在的SF6断路器都是在电弧电流过零时熄灭的，电弧在燃弧时电弧能量小，电弧的温度和分解的气体就相对也较少，这对于电流过零后间隙的绝缘强度的恢复非常有利，使得熄弧后很难发生重燃或复燃，所以SF6气体既有利于燃弧，又有利于熄唬
　　此外，SF6气体的负电性（吸附自由电子的特性）和二次复合特性（在电弧中分解的低价氟化物在熄弧后迅速还原成SF6分子），这些特性也使得SF6气体无论是在起始介质强度、介质恢复速度还是最终的介质强度都是比较高的。 3．SF6断路器：

　　 SF6断路器之所以在近年来得到了迅速的发展，其主要的原因就在于SF6气体同其他绝缘介质相比具有很多的优点：

　　 1．SF6气体的绝缘强度高，决定了SF6断路器单个断口所能承受的电压要比其他形式的断路器要高，据介绍已经有500kV的单断口断路器出现了；SF6气体的熄弧性能好，决定了SF6断路器的灭弧能力强，这样它的开断能力要大于其他形式的断路器，单断口已经能够达到100kA，这是其他形式的断路器无法达到的，尤其是在现在，电力系统的容量越来越大，很多变电站的短路容量已经达到了近五十千安，一些枢纽变电站甚至达到了60——70kA，如果没有SF6断路器，那么就无法满足短路容量的要求，在系统短路时，无法切除故障。