淺談SF6斷路器的應(yīng)用分析

【摘要】SF6氣體是二十世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)的，它應(yīng)用于電工設(shè)備是在四十年代，第一次被用于斷路器是在五十年代初。由于SF6氣體同空氣和變壓器油相比有許多優(yōu)異的電氣絕緣和滅弧性能，近年來，SF6在電氣設(shè)備上的應(yīng)用有了很大的發(fā)展，尤其是在高壓和超高壓斷路器上，還有全封閉組合電器?，F(xiàn)在，新安裝的110kV及以上電壓等級(jí)的斷路器，包括大部分的35kV斷路器已經(jīng)全部是SF6斷路器了。

【關(guān)鍵詞】六氟化硫；斷路器；應(yīng)用；分析

1.SF6的物理和化學(xué)特性

SF6分子由一個(gè)硫原子和六個(gè)氟原子構(gòu)成，六個(gè)氟原子以共價(jià)鍵的形式和硫原子結(jié)合成一個(gè)中性分子，其原子量為146，大約是空氣的五倍，也就是說它的密度也大約是空氣的五倍。在常溫下，SF6氣體是無色、無味、無毒并且透明的惰性氣體，它非常穩(wěn)定，通常情況下很難分解；它既不溶于變壓器油也不溶于水。

我們都知道，對(duì)于理想氣體有一個(gè)狀態(tài)方程，即PV=GRT，其中P為氣體壓力；V為氣體的體積；G為氣體的重量；R為一個(gè)狀態(tài)常量，對(duì)于SF6來說，R=97.2J/g*T；T為絕對(duì)溫度。當(dāng)SF6氣體的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，它沒有完全符合理想氣體的狀態(tài)方程，這主要因?yàn)樗姆肿恿枯^大，當(dāng)氣體壓力增大時(shí)，氣體的密度相應(yīng)增大，分子間的相互吸引作用開始顯露，所以在實(shí)際工作中常用SF6的狀態(tài)參數(shù)曲線來表示；SF6的狀態(tài)參數(shù)曲線是一族曲線，每條線對(duì)應(yīng)一個(gè)氣體密度。

在這里有幾個(gè)重要的參數(shù)：SF6的熔點(diǎn)：溫度T=-50.8℃，壓力P=2.3kg/cm2，在這一點(diǎn)上，SF6三態(tài)共存，即氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)三種狀態(tài)同時(shí)存在；SF6沸點(diǎn)：溫度T=-63.8℃，壓力為一個(gè)大氣壓，在這一點(diǎn)上，SF6可以直接由固體變成氣體。如果將飽和蒸汽曲線向上延伸，就得到了SF6 氣體的臨界溫度T=45.6℃，臨界壓力P=38.5 kg/cm2，臨界溫度和臨界壓力表明了SF6氣體可以被液化的最高溫度和所需的最小壓力。

2.SF6斷路器的優(yōu)點(diǎn)

SF6斷路器之所以在近年來得到了迅速的發(fā)展，其主要的原因就在于SF6氣體同其他絕緣介質(zhì)相比具有很多的優(yōu)點(diǎn)：

（1）SF6氣體的絕緣強(qiáng)度高，決定了SF6斷路器單個(gè)斷口所能承受的電壓要比其他形式的斷路器要高，據(jù)介紹已經(jīng)有500kV的單斷口斷路器出現(xiàn)了；SF6氣體的熄弧性能好，決定了SF6斷路器的滅弧能力強(qiáng)，這樣它的開斷能力要大于其他形式的斷路器，單斷口已經(jīng)能夠達(dá)到100kA，這是其他形式的斷路器無法達(dá)到的，尤其是在現(xiàn)在，電力系統(tǒng)的容量越來越大，很多變電站的短路容量已經(jīng)達(dá)到了近五十千安，一些樞紐變電站甚至達(dá)到了60-70kA，如果沒有SF6斷路器，那么就無法滿足短路容量的要求，在系統(tǒng)短路時(shí)，無法切除故障。

（2）SF6氣體在燃弧時(shí)的導(dǎo)電性能比較好，電弧電壓比較低，小電流的情況下也能夠穩(wěn)定的燃弧，所以，在切斷小電流時(shí)很少發(fā)生截流現(xiàn)象，這樣就不會(huì)造成過電壓，給設(shè)備造成損壞。

（3）SF6氣體在熄弧后介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速度比較快，能承受比較快的瞬時(shí)恢復(fù)電壓，所以在切斷空載線路是不會(huì)發(fā)生多次重?fù)舸?，在切斷近區(qū)故障時(shí)特別有利，就是說它不僅開斷短路電流的性能強(qiáng)，在一些特別的開斷情況下，SF6斷路器的開斷性能也是很好的。

3.SF6氣體的管理和試驗(yàn)

對(duì)于SF6氣體我們現(xiàn)在的管理是比較嚴(yán)格的，因?yàn)樗馁|(zhì)量直接影響到SF6斷路器的開斷性能和使用壽命。對(duì)于新的SF6氣體我們要求作氣體的全分析，氣體的全分析一共包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：

（1）空氣含量：我們要檢測(cè)SF6氣體中混入的空氣的比例，我們要將新氣進(jìn)行氣相色譜試驗(yàn)，國(guó)標(biāo)要求新氣中空氣的含量不能大于0.05%（體積比）。

（2）CF4含量：我們要檢測(cè)SF6氣體中混入的CF4的含量，這也是通過氣相色譜試驗(yàn)測(cè)定的，國(guó)標(biāo)要求新氣中CF4的含量不能大于0.05%（體積比）。

（3）SF6氣體的純度：這也是通過氣相色譜試驗(yàn)測(cè)定的，國(guó)標(biāo)要求新氣的純度不得小于99.8%（體積比）。

（4）酸度：這個(gè)試驗(yàn)先要用堿液將SF6氣體中的酸性成分吸收出來，再用滴定法測(cè)定其中的鹽的含量，從而推算出SF6氣體中含有多少酸性物質(zhì)，國(guó)標(biāo)要求新氣中的酸度不得大于0.3ppm（質(zhì)量比）。

（5）可水解氟化物：因?yàn)榭伤夥锼夂竽軌蛏伤嵝晕镔|(zhì)，所以其測(cè)定方法同酸度的測(cè)定方法相同，只是所用的堿液不同，國(guó)標(biāo)要求新氣中的可水解氟化物含量不得大于1.0ppm（質(zhì)量比）。

（6）礦物油含量：這個(gè)試驗(yàn)先要用CCl4將SF6氣體中的礦物油成分吸收出來，再用2930-1波長(zhǎng)的紅外線進(jìn)行定波長(zhǎng)紅外光譜分析，就能測(cè)出其中的礦物油的含量。

（7）水分含量：這個(gè)試驗(yàn)比較重要，不僅新氣要做，而且充到SF6斷路器以后還要進(jìn)行，他的實(shí)驗(yàn)方法主要有三種：

1）電解法：在一個(gè)容器中放入兩個(gè)用鉑金絲制成的電極，再在容器中加入濃磷酸，先將濃磷酸電解，生成P2O5，它有很強(qiáng)的吸水性，再將SF6通入其中，P2O5就將氣體中的水吸收出來，生成少量磷酸，再測(cè)量其中磷酸的含量，就可以得到SF6中的含水量了。

2）阻容法：就是把一張鋁箔的一面氧化，使之生成一層致密的Al2O3膜，再在膜上加一層鋁箔，這就組成了一個(gè)電容，當(dāng)SF6氣體流過其間時(shí)，Al2O3膜會(huì)吸收氣體中的水分，從而改變自身的介電常數(shù)，使這個(gè)電容的電容量發(fā)生微小的變化，通過測(cè)量這個(gè)變化量，就可以得到SF6中的含水量了。

3）露點(diǎn)法：就是有一個(gè)金屬的表面非常光潔的露鏡，它的背面有一個(gè)能夠制冷的裝置，測(cè)試時(shí)制冷裝置工作，給露鏡降溫，同時(shí)SF6氣體流過露鏡的鏡面，當(dāng)露鏡的溫度下降到一定程度時(shí)，SF6氣體中的水分就會(huì)在露鏡上開始凝露，這個(gè)溫度就叫做露點(diǎn)，SF6氣體中含的水分越多，它的露點(diǎn)就越高，這樣就可以測(cè)出 SF6氣體的含水量了。

4.SF6斷路器的現(xiàn)場(chǎng)檢查試驗(yàn)

SF6斷路器在安裝完成后也要進(jìn)行一系列的檢查試驗(yàn)，除了常規(guī)的試驗(yàn)項(xiàng)目外，對(duì)于SF6斷路器還要進(jìn)行氣體中水分含量的測(cè)定和SF6氣體年漏氣率的測(cè)定。

（1）SF6氣體中水分含量的測(cè)定方法同SF6氣體全分析時(shí)測(cè)定水分含量的方法相同，在這里就不再介紹了。

（2）SF6氣體年漏氣率的測(cè)定方法主要有兩種，一種是扣罩法，一種是局部包扎法。

扣罩法就是將整個(gè)的SF6斷路器都罩在其中，罩子中的容積是已知的，測(cè)定扣罩24小時(shí)后罩子中的SF6氣體的濃度，就可以計(jì)算出24小時(shí)內(nèi)SF6斷路器泄漏出的SF6氣體的量，將這個(gè)量乘以365，再除以SF6斷路器中所充的SF6氣體的重量，就得到了SF6氣體的年漏氣率。

這種測(cè)量方法是最準(zhǔn)確的，但是它受到了多方面的限制，現(xiàn)在SF6斷路器的體積都比較大，尤其是高壓和超高壓的落地罐式斷路器的體積就更大，這樣要把它完全罩起來，罩子也就要大得多，再者，SF6斷路器的體積測(cè)量也是一個(gè)難題；而且在現(xiàn)場(chǎng)還有引線布置等許多原因要考慮，所以現(xiàn)在很少用這種方法。

局部包扎法就是將SF6斷路器的每一個(gè)密封面都用塑料布包扎起來，在24小時(shí)后測(cè)量每個(gè)包扎部位的SF6氣體濃度，再用近似的方法算出SF6氣體的年漏氣率，甚至有些廠子只要求定性測(cè)量那些密封面是否漏氣就可以了；這種測(cè)量方法是很不準(zhǔn)確的，在實(shí)際中沒有太大的意義，但是因?yàn)榉椒ê?jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，所以現(xiàn)在基本上都采用這種方法。