1、本科毕业论文（20 届）六氟化硫断路器灭弧特性研究所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- I -六氟化硫断路器灭弧特性研究摘要高压断路器是电力系统中重要的电气设备之一，它使用数量多、范围广，应用在电力系统的各种电压等级中。高压断路器在电能生产、传输、分配过程中的的主要作用是：在正常情况下，控制各种电气设备和电力线路的断开及投入；在电力系统发生故障时，与继电保护及自动控制装置相配合，快速切断故障电流，缩小事故范围，以保证电力系统的正常运行。因此，它是否具有优良的性能，直接影响到电力系统的稳定和安全运行，在经济效益和社
2、会效益方面具有非常重要的意义。迄今为止，全球范围内，应用的各类中、高压断路器中，六氟化硫正以它优良的性能和可靠的质量、维护工作量小等优点受到重视。本文介绍了 SF6 断路器的发展概况和它的优缺点， SF6 气体的物理、化学、电气特性，电弧的产生过程，断路器的灭弧方式及灭弧室结构等。关键词 断路器; SF 6 性能；灭弧方式哈尔滨理工大学学士学位论文- II -SF6 circuit breaker characteristic researchAbstractHigh voltage circuit breaker is one of the important electrical equi
3、pment in power system, it uses the number of a wide range of applications in the power system voltage level. High voltage circuit breaker in the electrical energy production、transmission and distribution process in the main role is to: Under normal circumstances, the control disconnected and put int
4、o a variety of electrical equipment and power lines; power system failure, with relay protection and automatic matched control device, quickly cut off the falut current to reduce the accident range in order to ensure the normal operation of the power system. Therefore, whether it has an excellent pe
5、rformance, a direct impact on the stability and safe operation of the power system, has very important significance in the economic and social .To date, worldwide, in the application of various types of high-voltage circuit breakers, sulfur hexafluoride is its excellent performance and reliable qual
6、ity, maintenance and small amount of advantages to be taken seriously. This article describes the overview of the development of the SF6 circuit breaker and its advantages and disadvantages, the SF6 gas physics, chemistry, electrical characteristics, the arc process, the circuit breaker interrupter
7、way and the arc chamber structure.Keywords circuit breakers; SF6 performance; interrupter way哈尔滨理工大学学士学位论文- III -目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 SF6 断路器的发展概况 .11.2.1 第一代 SF6 断路器 .11.2.2 第二代 SF6 断路器 .21.2.3 第三代 SF6 断路器 .21.3 SF6 断路器的特点 .31.3.1 SF6 断路器的优点 .31.3.2 SF6 断路器的缺点 .41.4 本文的研究内容 .
8、4第 2 章 SF6 气体的性质 .52.1 SF6 气体的性质 .52.1.1 SF6 气体的物理性质 .52.1.2 SF6 气体的化学性质 .52.1.3 SF6 气体的电气特性 .62.1.4 SF6 气体用作电气设备绝缘介质的特点 .72.1.5 接触 SF6 气体的工作人员应注意的事项 .82.2 SF6 气体的电气绝缘特性 .92.3 本章小结 .10第 3 章 SF6 断路器 .113.1 电弧的产生过程 .113.1.1 电弧的形成过程 .113.1.2 电弧的熄灭过程 .123.2 熄灭电弧的方式 .133.2.1 吹弧 .133.2.2 迅速拉长电弧 .163.2.3 将
9、长电弧分成几段短电弧 .183.2.4 利用固体介质的狭缝熄弧 .193.3 灭弧室结构 .203.4 本章小结 .21结论 .22致谢 .23哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -参考文献 .24附录 .27哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题背景高压断路器的发展始终与电力系统电压等级的提高密切相关。当交流330kV 及以上电压等级的电力系统在 20 世纪 50 年代开始发展的时候，1952 年，瑞士率先投入运行了世界上第一条 400kV 电压等级的交流电力线路，使电力系统的最高电压等级突破了 300kV 的水平，向更高电压等级发展。以后欧、美、前苏联等相继建造了
10、 330、400、500、750kV 等各种电压等级的交流超高压和特高压电力系统。随着电力系统向大容量、高电压的不断发展，相应地高压断路器的种类也日益增多。高压断路器主要可分为压缩空气断路器、油断路器、真空断路器、SF 6 断路器及 SF6 混合气体断路器等类型。据有关资料介绍，现在国外主要的电力设备厂商已将245kV 及以上高电压和超高电压电气产品全部转向了生产 SF6 气体绝缘电气设备或装置方面。SF6 断路器从八十年代进入中国以后，已经逐渐占据了开关电器的主导地位。近年来又从单压式变开距灭弧室逐渐被自能式灭弧室所代替。自能式断路器以其小操作功、无油化深受广大用户青睐，但在今后相当长的时间
11、内。压气式断路器以其开断容量大、可靠性高等优点，在超高压、特高压领域仍将占据不可替代的地位。同时压气式灭弧室也已融入了自能式的灭弧原理，在自能式的基础上增强了热膨胀效应，合理地利用了喷口的电弧堵塞效应，从而提高了自身的开断性能 。1对开关电器中的电弧进行分析，是开关电器的基本理论之一。如果掌握了电弧理论知识，懂得电弧的特性，对于更好地了解开关电器的结构特点和工作原理及其性能，正确地使用、维护和保证开关电器长周期安全运行，是十分重要的。1.2 SF6 断路器的发展概况根据 SF6 断路器灭弧室结构的变化， SF6 断路器的发展过程可划分为以下 3 个阶段。1.2.1 第一代 SF6 断路器第一代
12、 SF6 断路器是指早期的 SF6 断路器，它是沿用压缩空气断路器的原理，配置压缩机将 SF6 气体压缩到高压罐（1.2 1.5MPa）内。当触头哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -开断时打开主气阀，高压力的 SF6 气体通过主气阀，在灭弧室喷口中形成高速气流经过弧隙喷向低压区（0.20.3MPa） ，使电流过零时熄灭。因为灭弧室结构有两种气体压力，所以称它为双压式灭弧室。这种 SF6 断路器需要压气泵和加压装置，结构复杂，环境适应能力差，已经被淘汰。1.2.2 第二代 SF6 断路器随着各国对 SF6 断路器的不断研制和开发，设计出了单压式（又称压气式）灭弧室，产生了单压式 SF6 断路器。
13、它与第一代 SF6 断路器相比，具有结构简单、灭弧性能好、生产成本低的特点。这种 SF6 断路器只充入较低压力的 SF6 气体（一般为 0.50.7MPa，20） ，分闸时靠动触头带动压气缸，产生瞬时压缩气体吹弧。但是，依靠机械运动产生灭弧高气压，所需操动机构操动功率大，机械寿命短，开断小电感电流和小电容电流时易产生截流过电压。一般配用较大输出功率的液压操动机构或压缩空气操动机构，固有分闸时间比较长。1.2.3 第三代 SF6 断路器第三代 SF6 断路器是指具有 “自能”灭弧功能的 SF6 断路器。它具有开断能力强，操动机构操动功率小的优点，有利于新型操动机构的小型化，应用前景广阔。这种 S
14、F6 断路器在开断短路电流时，依靠短路电流电弧自身的能量加热 SF6 气体，产生灭弧所需要的的高气压；在开断小电感电流和小电容电流时，电弧自身的能量不足于加热 SF6 气体，产生灭弧所需要的高气压，这时依靠机械辅助压气建立气压，不易产生截流过电压。所需操动机构操动功率小，可配用弹簧操动机构等，操作可靠，机械寿命长，固有分闸时间短，可以制造成断口少、单断口电压等级很高的 SF6 断路器。目前，国内外主要的电力设备生产厂商都已生产这种 SF6 断路器，并大量投入了运行。例如：日本的三菱公司、日立公司、法国的 MG 公司、瑞士的 ABB 公司、德国的西门子公司等等，都已生产这种 SF6 断路器。有的
15、公司到我国办厂或合作生产，在我国电力系统 110500kV 电压等级中已得到广泛的使用，大大提高了电力系统的可靠、稳定、经济运行水平。20 世纪 70 年代末我国从国外引进了一批先进的 SF6 气体绝缘电气设备制造技术。例如：1979 年 7 月，平顶山高压开关厂同法国 MG 公司签定了引进支柱式 72.5765kVSF6 断路器及 72.5550kVSF6 气体绝缘金属封闭式组合电器系列制造技术的合同；1980 年 5 月，西安高压开关厂与前南斯拉夫动力投资公司开关厂签定了共同研制 245kV 单断口和 525kV 双断口支柱式 SF6 断路器的专项合同。此后，西安高压开关厂、沈阳高压开关厂
16、、上海华通开关厂与日本三菱公司（产品系列 SFM、SFMT 型） 、日本日立公司（产品系列 OFPI、OFPT 型） 、瑞士 BBC 公司（现在的 ABB 公哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -司，产品系列 ELF 型）签定了 63500kV SF6 断路器等开关设备技术转让或合作生产的协议。随着我国改革开放的进一步发展，也有一些外国知名电力设备生产厂商在我国投资办厂，如德国的西门子公司在我国杭州、上海等地办厂，生产 63500kV（系列产品 3AP、3AQ、3AT2/3 型）SF 6 断路器、GIS 及其他开关电气设备；瑞士的 ABB 公司在我国北京及其他城市合作办厂等 。随着新技术、新材料
17、、新工艺、新设备的不断研制和开1发，技术含量更高、性能更加优良的 SF6 断路器将不断生产出来，投入到电力系统各电压等级中去，将为我国电力科技水平和装备水平的提高、供电质量和供电能力的提高、电力事业的快速发展发挥重要的作用。这些 SF6 断路器根据不同的特性和要求，分别配置了多种不同型式和型号的操动机构。例如：气动机构，液压机构，弹簧机构等。1.3 SF6 断路器的特点由于 SF6 断路器使用了优异的 SF6 气体作为绝缘和灭弧介质，故 SF6断路器具有下列优缺点。1.3.1 SF6 断路器的优点（1）SF 6 气体绝缘强度高。电气设备的绝缘距离可以大幅度减小，可优化灭弧室结构，单元电压可以做
18、得很高，同样的电压等级下串联断口减少，有利于高压断路器的小型化。（2）灭弧能力强，触头烧损轻微，检修周期长。目前 SF6 断路器一般都能够达到额定开断短路电流 1025 次，大修周期达 1520 年之久。（3）开断容量大，额定开断短路电流可达 4063kA ，最大的已达到了 80kA。断开大短路电流时灭弧快，不重燃，不会有火灾危险。（4）断开小电感电流和小电容电流时，灭弧特性好，恢复电压不高，过电压值很小，不易产生操作过电压。（5）操作所需操动能量小，操动机构体积小，分、合闸特性好。（6）模块化结构简单，体积小，重量轻，安装、调试方便，适用于各种不同的地理和环境要求。（7）封闭的 SF6 气体
19、保持了内部的干燥，不受潮，不受外部环境条件的影响。（8）操作简单，安全，无火灾危险，检查巡视方便，运行维护工作量少。（9）技术含量高，工艺精良，机械、电气特性好，使用寿命长 。21.3.2 SF6 断路器的缺点（1）价格昂贵，一次性投资大。哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -（2）技术标准、工艺要求高，一般要求安装、调试、大修由制造厂家或制造厂委派专业技术人员并在其指导下进行作业。（3）试验项目、试验条件、试验标准等要求严格，试验设备复杂、精确度高，要求操作人员技术水平较高。（4）因为价格昂贵，检修技术标准、条件、工艺等要求高，一些单位安装有 GIS 的终端变电站，有一些主接线为单母线分段的，
20、以分段隔离开关代替分段断路器。进线断路器不装设继电保护装置，其主要目的是只让这些断路器接通、断开负荷电流，不让其断开短路电流，发生故障时，让线路对侧的断路器跳闸切断短路电流，依次来延长 GIS 的检修周期。（5）安装、检修、试验时，对 SF6 气体的管理、回收、处理等要求严格。（6）安装、检修、试验时，对水分含量的要求特别严格，处理方法复杂。（7）由于技术含量高，所需知识范围广，致使现场人员对一些现象的正确分析、判断、处理比较困难 。21.4 本文的研究内容SF6 断路器作为新技术、新产品以其优越的性能，在电力系统中得到广泛的应用，对电力系统的满发多供、安全可靠、稳定运行起到了重要作用。本文主
21、要对 SF6 气体的绝缘性能、灭弧性能，SF 6 断路器的灭弧方式及灭弧室的结构等进行综述。哈尔滨理工大学学士学位论文- 5 -第 2 章 SF6 气体的性质SF6 气体在 1900 年被发现后，在前半个世纪，主要是解决 SF6 气体的提纯问题，并研究其物理、化学、电气等性能。20 世纪 50 年代初开始使用 SF6 气体作为断路器的绝缘和灭弧介质， SF6 气体广泛应用于断路器还是 60 年代之后，特别在 70 年代才得到迅速发展。虽然 SF6 气体在高压电气设备和其他领域得到了广泛的应用，但对于它的一些性质和机理还需进一步的研究。因此，更深一步地了解 SF6 气体的有关性质，对于正确地使用
22、 SF6 断路器具有一定的实际意义。2.1 SF6 气体的性质SF6 气体广泛应用于支柱式 SF6 断路器、落地罐式 SF6 断路器、变压器、电压互感器、电流互感器、避雷器、电容器、电缆等单一设备中，以及气体绝缘金属封闭式组合电器（GIS） 、插接式开关系统（PASS）等组合电气设备中，这是由于 SF6 气体的物理化学性质决定的， SF6 气体具有良好的电气绝缘性能和灭弧性能。2.1.1 SF6 气体的物理性质SF6 气体无色、无味、无毒、不燃烧、也不助燃的非金属化合物，在常温、常压下呈气态 。SF 6 气体是已知的质量最重的气体之一，有关实3验资料表明，SF 6 气体在 21.1时，其密度为
23、 6.139g/L,约为空气的 5 倍。分子量为 146.05，由 21.95%的硫和 78.05%的氟组成。SF 6 气体冷冻后成为白色固体，其沸点和熔点很低，在 0.1MPa 下，其升华温度为 -63.8，在0.22MPa 下，熔融温度为-50.8。常温（20）下直至 2.1MPa 仍为气态。临界温度为 45.64，临界压力为 3.8MPa。在 SF6 所有的物理性能中，我们最感兴趣的是由分子结构形成的负电性和较低的游离温度形成的高导热性 。42.1.2 SF6 气体的化学性质SF6 是一种非常稳定且呈惰性的气体，它是已知的最不活泼的气体之一。SF6 的电子结构具有如图 2-1 (a)所示的共价键结构，其分子结构如图 2-1 (b)所示，组成以 1 个硫原子为中心，6 个氟原子位于顶端的正八面体，硫原子被 6 个氟原子紧紧地包围着。由于氟原子是一种负电性很强的元素，具有极强的吸附电子的能力。而 1 个 SF6 分子中有 6 个氟原子，
