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SF6与高压开关设备

发布时间：2010.10.22 新闻来源： 浏览次数：

SF6具有优异的灭弧和绝缘性能，可说是跨世纪的气体。

1.性能优异的SF6气体
SF6气体已有百年历史，它是法国两位化学家Moissan和Lebeau于1900年合成的，1947年提供商用。当前SF6气体主要用于电力工业中。SF6气体用于4种类型的电气设备作为绝缘和/或灭弧；SF6断呼器及GIS、SF6负荷开关设备，SF6绝缘输电管线，SF6变压器及SF6绝缘变电站。从用气量讲，80％用于高中压电力设备。
SF6气体之所以适用于电力设备，因它主要有如下特性：
·强电负性，具有优异的灭弧性能；
·绝缘强度高，在大气压下为空气的3倍；
·热传导性能好且易复合，特别是当SF6气体由于放电或电弧作用出现离解时；
·可在小的气罐内储存，这是因为室温下加高压力易液化。
·供气方便，价格不贵且稳定。

2.SF6气体的化学特性
SF6气体的主要化学性能见表1。如上所述，SF6是一种非常稳定的且呈惰性的气体，它无色、无味、无毒、不燃且不溶于水。它是最不活泼的已知气体之
一，而且在通常条件下，它不侵蚀与它接触的物质。
3.SF6气体的物理特性
SF6是最重的已知气体之一。在通常条件下，它大约比空气重5倍。在同空气未充分混合的条件下，此气体有向低处积聚的倾向。
靠对流和扩散同空气混合缓慢，但一经混合，则不再分离。
虽然SF6气体的热导率低，但由于其粘度较低且密度较高，故总的热导率好于空气2～5倍。
在输配电设备中，SF6通常的压力范围在0.1MPa和0.9MPa?绝对压力　之间。此气体的压力/温度/密度特性示于图1中。表2给出SF6主要物理特性。
4.SF6气体的电气特性
SF6气体具有优异的绝缘性能，是由于其分子的电负性。SF6气体具有吸附自由电子而构成重离子的明显趋向。重离子的迁移率低，使之电子崩的发展很困难。
SF6的击穿场强为空气的2.5～3倍。在高压开关设备中，SF6气体的工作压力如为0.6MPa，此时的击穿场强高出0.1MPa时空气的10倍。因此，使用SF6气体的高压开关设备，能大幅度地减小占地面积和体积。空气与SF6开关设备的占地面积之比为30：1。
SF6是一种具有优异灭弧性能的气体，这是因为它的离解温度低，且离解能量大。
在SF6中，电流过零前的截流小，且由此避免了高的过电压，这是由于电弧在SF6内冷却时直至相当低的温度，它仍导电。SF6的主要性能见表3。
5.SF6气体的纯度
由于制造过程的缘故，市场上提供的SF6气体不是很纯的。IEC376标准规定出SF6中****允许的杂质水平见表4。
纯SF6气体无毒，在生物学上不活泼。用动物和人进行试验表明，当存在直至80％SF6和20％O2时，没有感受到不良的影响。
因此，当大气中含有较高比例的SF6时，对于工作人员每天工作8h，每周工作5天的场所，规定****含量为1000×10－6。对SF6气体而言，这个界限值要低于危险水平两个数量级以上。
新SF6对健康无生态中毒、致变和致癌?既无基因中毒，也无后天生成　的作用。
6.SF6气体的分解特性
SF6气体的分解主要有三种情况：在电弧作用下的分解；在电晕、火花和局部放电下的分解；在高温下的催化分解。
纯SF6无腐蚀，但其分解物遇水后会变成腐蚀性电解质，会对设备内部某些材料造成损害及运行故障。通常使用的材料如铝、钢、铜、黄铜几乎不受锓蚀，但玻璃、瓷、绝缘纸及类似材料易受损害，而且与腐蚀物质的含量有关。其他绝缘材料如环氧树脂、聚酯、聚乙烯、氧化聚甲烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯等所受影响不大。
在这里，重要的是设计时，一定要采取结构措施。可以采用彻底排除潮气和采用合适的材料防止腐蚀。
清除运行中设备内的潮气和SF6分解物，可以用吸附剂将其减少到可接受的水平。为此，可采用氧化铝、碱石灰、分子筛或它们的混合物。
处理从设备中取出的分解物，若是酸性成分可用碱性化合物生成硫化钙或氟化钙来降低。
大多数固态反应物不溶于水，或难溶解，但某些金属氟化物能同水反应成氢氟酸。因此，必须用氧化钙?石灰　去处理固态分解物。
7.SF6气体与温室效应
在1997年防止全球变暖的京都议定书中，将连接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CO2，CH4，N2O，PFC，HFC，SF6。其中CO2气体对温室效应的影响****，占64％，而SF6气体的影响为最小，仅占0.07％。CO2气体在大气中的浓度为360ppm?ppm：parts per million 百万分之一，而SF6气体的浓度仅4ppt?ppt：parts pertrillion亿万分之一　。从最严酷的条件看?以SF6在大气中的寿命为无限大计，预期SF6气体对温度升高的影响2010年为0.0043℃，2100年为0.02℃，而CO2对温度的升高2010年约0.8℃，2100年预计2～5℃。由此可见，造成温室效应的元凶是CO2气体，而SF6对温室效应的影响很小很小。在温室效应方面，不能夸大SF6气体的影响。
由以上可见，SF6气体对温室效应的实际影响很小，但为什么将SF6气体列为温室效应气体，主要是SF6气体对温室效应有着相当大的潜在危险。其原因有二：一是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?假如寿命为100年　。这就是说，一个SF6分子对温室效应的影响为CO2的23900倍。另一个是SF6气体排放大气后，它的寿命长，约为3200年。总之，SF6气体虽被列为温室效应气体，但它的实际排放量很小，故影响很小。即使SF6气体每年的排入量为10000t，假使它是CO2的影响倍数23900倍，也不过相当于CO2气体2.39亿t，而CO2年排放量多达235亿t，而2.39亿t相比235亿t小得多了。
在全球防止全球变暖方面，各国都在减少温室效应气体的排放量，特别是CO2气体的排放量。但从全球看，CO2的排放量有增无减，据DIW统计资料，2001年全球CO2的排放量为235亿t，相比1990年增加14％。其中美国CO2排放量****，为55.60亿t，增加15％。中国CO2的排放量为31.10亿t，增加3.36％。但也有的国家CO2的排放量减少了，如德国CO2的排放量为8.50亿t，减少了14％。
CO2的排放量主要来自火力发电，美国和中国火电居多?如我国2000年底火力发电占74.4％。火力发电每发1KWh电量需要400g煤碳，同时排放800gCO2气体。为了减少CO2的排放量，再生能源发电兴起。如德国大力发展风力发电。全球风力发电容量2000年为1780万KW，2001年就增加到2300万KW，欧盟2000年风力发电容量为1282.2万KW，而2001年达到1731.6万KW。德国风力发电最快，如2000年底，风力发电容量为613.3万KW，2001年底达到875.4万KW，而2002年8月已达到1003万KW。我国则大力发展水力发电，以减少CO2排放量。到2005年，我国水电装机容量将超过1亿KW，占总装机容量的26.4％，到2005年，全国装机容量将达到3.95亿KW。
8.SF6气体与混合气体
长期以来，人们为寻找SF6气体的替代气体，进行了大量的研究，但未获得成功。研究表明，从绝缘角度看，能替代SF6气体的只有氮{BANNED}N2　和空气。它们的绝缘能力仅为SF6气体的三分之一。但用这些气体，则要对设备重新设计，并耗用大量的材料。
SF6/N2混合气体从生态和经济角度看，是个很好的替代气体。SF6/N2混合气体的击穿强度与氮中SF6的浓度及压力有关。从技术上讲，氮的组分至40％，电强度几乎没有什么变差。即使80％N2/20％SF6的混合气体也还有纯N2或空气二倍以上的电强度。
SF6混合气体只能用作纯缘介质，而不能作断路器中的灭弧介质。
9.SF6混合物气体与GIS
SF6/N2混合气体可用于GIS中只承担绝缘任务的所有部分，但不能用于需要灭弧的隔室。在GIS中，混合气体可占总容积的20％?最少　至52％?最多，这视设备的结构而定。当纯绝缘隔室充入15％SF6/85％N2混合气体，并将压力从0.4MPa升至0.8MPa时，在保证绝缘强度的情况下，SF6气体的节约量介于14％～36.4％之间。
10.SF6混合气体与GIL
充气输电管线?GIL　由同轴铝合金管体组成。管线在地上直接铺设如同管路一样。GIL铝管具有弹性，弯曲半径可在400m以上，而且可任意改变方向，使用弯角组件。各个管段的无气孔连接用导轨焊进行。当铺设长度1200m后进行气室分隔。此时每个分段用压力传感器监视。GIL欧姆电阻很小，因而热损耗和排入地面的热量很小。GIL的电容也小，输送大容量不需补偿装置。
若绝缘气体用纯SF6气体，对于420kVGIL来说，以标准尺寸和压力0.4MPa及单相壳体?一相一个管线　计，则每km长度需要SF6气体20t。
20tSF6气体，若以每kgSF6气体120元计，则一相需240万元。由此可见，GIL因用气量大，若纯用SF6气体，则需很大一笔费用，从而使GIL的费用飙升。
1998年和2000年国际大电网会议第21研究委员会、第23研究委员会?变电站　及第33研究委员会?绝缘配合　就气体输电管线?GIL　技术作了共同讨论。讨论中一致认为，从环境、经济和绝缘观点看，GIL的****绝缘气体为SF6/N2混合气体。其中SF6占20％组份，即混合气体为80％N2/20％SF6。
西门子公司最新研发出第二代GIL。该公司通过采取各种措施，使550kVGIL的总费用减少一半以上。降低费用的一个主要原因，就是使用80％N2/20SF6混合气体，使用N2作为主绝缘。
GIL具有一系列优势，如输送容量大?可达2000MVA　、电阻和容性损耗小、电磁场很小、运行如同架空线、安全性高、适用于自动重合闸，也可沿地面铺设等。西门子第二代GIL技术数据见表5。
11.SF6气体的产量及使用情况
根据IEC1634?1995－04　号技术报告提供的资料，全世界SF6气体的全年产量介于5000～8000t之间?1990年　，其中2000～4000t用于高压电器及设备。这就是说，高压电器及设备占了约一半SF6气体量。
另据报道，电力行业的SF6气体用量（参考值）1990年实际4100t，1991年实际4600t，1992年实际4900t，1993年实际5400t，1994年实际5900t，1995年实际6300t，2000年预测9000t，2005年预测11500t，2010年预测14000t。由此可见，SF6气体主要用于电力行业，而高压开关行业的用气量在电力行业中最多，约占80％。
又根据IEC1634?1995－04　号技术报告，世界上正在运行的敞开式高压SF6断路器约有4万台，GIS?SF6气体绝缘金属封闭式开关设备　约2万间隔。SF6气体总用量在10000～20000t之间。按年漏气率1％?实际漏气率远小于此值计，则从高压、超高压设备排向大气的SF6气体在100～200t之间。而世界上正在运行的中压SF6断路约有50万台，中压负荷开关150万台，SF6气体的总用量在1000～1500t之间。若以漏气率1％?实际漏气率远小于此值　计，每年向大气中排放的SF6气体在10～15t之间。由此可见，中压SF6开关向大气排放的SF6量仅为高压开关的1/10。
关于SF6气体的产量和使用情况，还可举德国和日本为例。据德国发电厂联合会?VDEW　的调查，德国电力工业目前SF6气体的年总用量为1000t。其中90％用于高压电器。在高压电器的用气量中，断路器、互感器的用气量不到1/3，而GIS的用气量占2/3强。从高压?包括超高压　和中压的用气量看，中压的用气量仅为总用气量的11％，也就是1/10强。在中压用气量中，负荷开关设备的用气量又是重点。从补气量看，每年电力工业的补气量为9000kg，也就是说，补气量是用气量的0.9％。而补气量中的90％用于高压电器。德国的情况具有典型性，它提供的调查数据具有普遍性。
日本又是一个典型例子。日本用气量****。据统计，1995年全球SF6气体产量约为8500t，而日本约占30％，实际为2300t。因日本的高压开关设备主要为用气量大的罐式断路器和GIS，而且罐式断路器做到550kV级，GIS做到550kV和1100kV级。中压等级越高，用气量越大。举例来说，日本于1966年就建成第一座GIS变电站，截止1991年日本GIS数量达到6769间隔，1995年已达10000间隔。日本新建变电站一半以上都采用GIS。这是因为GIS具有占地面积小和抗震性能好的明显优势。
在日本生产的2300tSF6气体中，国内使用2100t，向国外出口200t。在国内使用的2100tSF6气体中，1500用于SF6绝缘电器设备，550SF6用于电力公司，其他用于其他产业。
12.SF6气体排放量的限制
尽管SF6气体相比起来对温室效应的影响最小，但它被列为温室效应气体本身，却引起电力部门的极大关注。
SF6气体被列为温室效应气体这一事实，在SF6气体制造厂、SF6电器设备制造厂和用户中引起极大反响。为此SF6电器设备制造厂要在产品设计中减少SF6气体的使用量，并减少泄漏量以至排气量，用户在SF6气体电器设备用到寿命终了时不得向大气中排放，由SF6气体制造厂家要对寿命终了的电器设备中的SF6气体进行回收，经过处理，再提供使用。这三方面的配合，形成一个良性循环，就能有效地减少SF6气体向大气的排放量。
减少高压产品的SF6用气量和排气量尤为重要，因为高压产品用气量最多，约占用气量的90％，同时排气量也大，标准规定漏气量应不大于1％/年。
高压SF6开关设备包括作为元件的断路器和作为成套的GIS。
对断路器来说，从总体上可分为瓷柱式和罐式两大类。在这两大类中，从SF6用气量来说，瓷柱式优越于罐式。瓷柱式仅用SF6气体灭弧，而用瓷柱作为对地绝缘，罐式既用SF6气体灭弧又用它作绝缘，因此，罐式的用气量远高于瓷柱式。举例来说，250kV瓷柱式断路器的用气量约为30kg，而252kV罐式断路器的用气量约为180kg。因此，从用气量看，应多使用瓷柱式SF6断路器。但制约两种型式产品使用的因素并不只是用气量，还有别的因素要考虑，如地震。从抗震角度讲，瓷柱式属高位布置，重心高而抗震性差，而罐式属低位布置，重心低而抗震性好。
不管是瓷柱式还是罐式断路器，减少用气量以至漏气量的最有效方法是提高断口电压，减少断口数。
我国在减少断路器断口数方面有了很大进步。对220kV而言，已从原来的双断口发展到现在的单断口。但距国外产品还有很大差距，如日本三家公司?日立、三菱和东芝　都已研制出550kV单断口SF6断路器，并已投运。
这里以日本东芝公司的550kVSF6断路器为例，若以双断口断路器为100％，则单断口断路器的重量减至约70％，零件数减至约70％，充气量减至约60％。罐式断路器本身用气量大，若以550kV罐式断路器用气量500kg计，单断口相比双断口减至60％，一台断路器就减少用气量200kg，我国电力正处于大发展时期，若以2000年新增装机2000万kW计，则需210台500kVSF6断路器。若500kV罐式断路器由双断口变为单断口，可少用气量42000kg。因此，据日本资料介绍，日本550kV罐式断路器1976年SF6充气量为2000kg，1993年则减为720kg，SF6气体减少了64％。1976年550kV罐式断路器为4断口，而1993年则为单断口。这说明减少断口数对减少SF6气量有明显效果。
在这里，日本三菱公司还对550kVSF6断路器的灭弧单元作了分析比较。在减少零件方面，若以4断口灭弧单元的零件数为100％（4只断口，4只合闸电阻，4只电容器单元），则双断口灭弧单元将零件数减为31％（2只断口，2只合闸电阻，2只电容器单元），单断口来弧单元改进开断能力，取消电容器单元，将零件数减为14￥（1只灭弧室，1只合闸电阻），单机口来弧单元又进一步采用同步受控操作，将零件数减为11％（1只灭弧室）。在减少SF6气量方面，单断口灭弧单元的用气量为4断口灭弧单元的40％。这又进一步说明减少断口数，就能有效地减少用气量，从而减少排气量，这对减少温室效应大大有利。
将550kV单断口断路器用于GIS，则会大大减少GIS零件数，使GIS小型化、轻量化且减少了用气量。日本提供这样的经验：1971年日本550kVGIS的断路器为4断口，GIS零件数为106825个?100％，到1984年减为双断口，零件数减为5023个?47％，到1994年减为单断口，零件数进而减为3355个?31％。这就是说，从4断口减为单断口，GIS零件数不到1/3。SF6气体用量也减为36％。
在较低电压等级?72.5～300kV，GIS从分相式发展到三相共筒式——复合式——新型复合式，从而使SF6气体用量也大为减少。这里举日本66/77kVGIS为例，若以分相式用气量为100％?250kg　，占地面积为100％，则三相共筒式将用气量减为90％?225kg，占地面积略有增加，复合型将用气量为减为60％?150kg，占地面积减为64％，新型复合式又将用量进而减为40％?100kg，占地面积减为27％。
在C－GIS方面，为了减少SF6气体用量，将配用的SF6断路器最新用真空断路器取代。如日本富士公司最新开发的77/84kVC－GIS。相比第一代C－GIS，占地面积减为18％，体积减为15％，重量减为40％，SF6气体用量减为35％。这就是说，SF6用量仅为1/3多点。在新一代C－GIS中，SF6气体仅用作绝缘，SF6气体的压力为0.07MPa。
同时SF6GIS壳体浇铸质量同样影响SF6的漏气量。据德国调查，1980年以前的GIS，部分壳体的浇铸技术达不到今天的质量标准，这是造成补气量大的主要原因。新一代的补气率仅为0.5％/年，明显低于制造厂保证的****漏气率1％/年。
正是由于电力工业对减少SF6气体排放量的不懈努力，SF6气体的排放量据Mxa－Planck研究所的测定，1995～1998年间下降了3.20％，SF6气体对温室效应的影响也从IEC1634?1995　技术报告中的1％下降到0.07％。