电力开关翻译1Word文档格式.docx
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此外,SF6气体的优秀的灭弧特性也是由于这种气体经过一段时间的电弧非常迅速恢复其介电强度的特殊能力,和其电流过零附近决定电导的变化时典型的小时间常数。
第一个特点对于总线终端故障非常重要,而第二是成功开断短路故障必不可少的。
5.5.2电弧分解副产品
在温度高于500摄氏度,SF6会开始分解。
解离的过程中可以通过将SF6气体暴露于火焰中,电气火花,或电弧来进行。
在此过程中的SF6分子被分解成硫,氟离子,在约3000度的温度下。
应当指出,在开断过程中电弧的中心将达到超过10000开尔文的温度,但是,当电弧熄灭后,电弧区域开始降温,当温度低于约1000度时,气体将开始几乎完全重组,只有一小部分会与其它物质反应。
少量不重组的气体与空气、水汽、汽化电极和用于断路器金属部分的固体材料发生反应。
在这些分解的副产物可以是气态的或固态的,但它们基本上是由较低含量的硫氟化物和金属氟化物组成,其中最显着的是CuF2,A1F3,WF6和CF4。
在二硫氟化合物中混合有S2F2和SF4,但他们很快就与水分反应生成氟化氢(HF),二氧化硫(SO2)和其他更稳定的氧氟化物,如氟化亚硫(SOF2)。
金属氟化物通常以不导电粉尘的形式存在,沉积于墙壁上和断路器外壳的底部。
在铜电极的情况下,固体物质暴露在空气中产生为略带蓝色的乳白色粉末,这是由于产生了一个脱水盐反应。
5.5.2.1SF6的腐蚀作用
六氟化硫在其纯净和未受污染的形式时是一种非活性气体,因此根本不会出现可能是任何类型由于SF6的腐蚀。
当熄弧的SF6产品与水分接触,可能会形成腐蚀性电解质。
最常用的金属一般不被腐蚀,非常稳定。
但是,尼龙,酚醛树脂,玻璃,玻璃纤维增强材料和瓷器就会受到严重影响。
其他类型的绝缘材料,例如聚氨酯,聚四氟乙烯(PTEE)和环氧树脂,双酚A或脂环族类型,则不受影响。
因此,很重要的是要采取适当的措施来选择材料和保护性涂层的利用。
在正常操作期间的腐蚀可通过提供有效的隔离水汽的措施和商业用干燥剂来有效避免。
5.5.2.2副产品中和
较低的氟化物和许多副产物其他苏打石灰(各50%的NaOH+CaO的混合物),可以通过活性氧化铝(尤其是干燥Al2O3),或通过分子筛有效地中和。
钠钙或氧化铝的优选颗粒大小是8至12个网格,但这些不排除其他可能使用的网目尺寸。
建议使用的量约等于10%的气体的重量。
酸性和气态污染物的去除是通过循环含有上述材料中的气体通过过滤器。
这些过滤器可以被连接到断路器本身,或者它们可以安装在专门设计的、商用气体填海车。
中和SF6已经进行到电弧时,建议使用碱性石灰水,碳酸钠或碳酸氢钠处理。
5.5.3SF6环境注意事项
人造材料的释放到大气中已经创建了两个主要问题。
一个是平流层臭氧层的枯竭,另一个是全球变暖或“温室效应”。
5.5.3.1臭氧耗损剂
SF6气体不会消耗臭氧的原因有两个:
首先是因为由于SF6气体的紫外线吸收光谱的结构不能被激活,除非是在地面以上约60公里的中间层,这个高度是远高于平流层约30至45公里的范围内。
第二个原因是SF6不包含氯,这个主要的破坏臭氧剂。
5.5.3.2温室效应剂
SF6已经被评估气候变化政府间专门委员会的科学家标记为有史以来最有力的温室气体(IPCC)。
使SF6这样一个潜在的强大的全球变暖的是SF6类似所有化合物具有稳定的超分子结构这一事实。
这种结构使得这些化合物是长期的,从这个意义上讲,在人类的时间框架这些气体是不可破坏的。
SF6是一种良好的红外辐射吸收剂。
其热量的吸收特性,结合其寿命长(3200年)导致科学家给SF6赋予了一个非常高的全球变暖潜能值(GWP)。
全球变暖潜能值的评估是一个分配给的化合物的比较的数值。
该值的整合,使用时间跨度1公斤中的气体释放的辐射,除以CO2在这个类似的程序释放所产生的辐射强迫值。
由于CO2被认为是最常见的污染物,它已被选中作为基础比较物来衡量其他污染物的GWP值。
辐射强迫,根据其定义,是瓦每平方米的净辐射变化。
表5.1中给出了CO2和最常见的全氟化合物集成超过一百年的时间跨度的GWP值。
表5.1最常见的FFC同CO2的全球变暖潜值(GWP)比较
目前据称SF6浓度体积只有约3.2万亿分之(PPTV)。
这个浓度是比较低的,但它已被注意到每年以约8%的速率增加。
这意味着,如果浓度以这样的速度继续增加,在不到30年的时间里浓度可以达到约50pptv的。
更为现实的,假设最坏的情况下,预计到2100年要达到的浓度为50PPTV。
较为乐观的估计是30PPTV。
在这些浓度占SF6预期全球变暖已计算为0.02和0.014°
C。
最悲观和最乐观的情景。
其他数据表明由于SF6全球变暖的预期到2010年约0.004°
C。
与百万分之300(体积)的CO2的增加相比较,预计在全球的温度变化为0.8°
很明显,基于估算SF6的浓度的排放率将是非常小的。
不过,由于SF6时间寿命长,这将是一个潜在的危险,特别是如果排放率持续增加而不是达到的平衡值。
因此,各类SF6气体的释放应当减少或至少降低到绝对最低它是非常必要的。
这是可以通过严格遵守气体处理所有新产品设计的程序和适当的密封来做到的。
图5.30电弧径向温度曲线
5.5.4SF6的回收
SF6气体对未来的影响已在所有气体释放到大气中的假设下确定。
然而,在电气设备中使用的SF6并非有意释放到大气中,并且设备的设计师总是努力寻找方法,组件和解决方案,最大限度地减少气体泄漏。
然而,在正常的操作条件下,气体污染和功能恶化的气体带来的随之而来的污染是可以预期的。
污染可通过以下机制形成:
*气体处理不当
*湿度和空气的固体材料,包括干燥剂
*分解气体放电引起的
*分解材料的化学反应
正如前面所述,气体污染问题最终会导致设备的劣化,在某些情况下甚至可能导致完全失效。
为了避免这种风险,保持气体的纯度,使其在一个新的条件下尽可能地接近所需的气体,这是很有必要的;
在一定程度上,做到这一点可以使用内部的吸收剂,有助于保持相对低的污染水平。
使用这些吸收器的另一个好处是,维持低的污染水平,也将简化清洗气体回收操作过程中的任务。
在大多数情况下,有可能在现场进行循环操作,但即使是在罕见的情况下,受污染的程度要高得多,更复杂的过程,需要净化的气体,这是可以做到使用的服务,其中的许多公司已出现了专门弧形SF6回收。
它也可能是低的SF6的用户可能会发现它是不经济实用,拥有自己的回收设备。
SF6被成功地重新使用它是必不可少的,它满足一定的最低要求。
目前推荐的最大污染水平:
*有毒和腐蚀性的分解产物含量小于50ppmv的
*湿度不到120ppmv的
*少于2%(体积)的污染用其他气体
在那些SF6气体不能被适当的再循环得情况下,它可以安全地通过加热气体的温度高于1200℃来处置,然后使用填充有氢氧化钙溶液中的湿式涤气器擦洗得到的解离的产品。
5.5.5SF6电流开断
正如我们所知道的,电弧是存在的电离气体气氛中自我维持的放电的等离子体组成的。
我们也知道,等离子具有极热的核心,而周围气体温度较低。
图5.30表示典型的电弧的温度曲线,其半径为一个函数,当电弧被冷却而导通。
该图显示了非常高的温度相对应的电弧的核心,有一个相对较薄的中心区域。
它也显示了存在一个更广泛的,较低的温度区域,这两个区域之间的过渡点,那里是一个相当尖锐的温度上升。
温度特征曲线表明,大部分的电流被位于靠近于中心轴线的电弧最热的区域的保持,我们都知道其原因是温度的增加相对应的增加的导电性。
由于电弧总是试图保持热平衡,它的温度和自动调整电流的大小有关。
然而,一旦达到完全电离,电流进一步增加不会导致温度的升高。
然而,随着电流为零,核心温度开始下降,结果该区域开始失去其导电性。
在图5.31中可以看到SF6峰值导热系数,发生在大约2000°
K,因此,电流过零附近时,中断需要快速冷却,SF6非常有效的将电弧熄灭,仅仅是因为在此温度下的电气导电性是非常低的。
图5.31SF6气体的导热系数
在频谱的另一侧,当有大电流时,SF6气体的热导率与其他气体没有太大的不同,因此不管正在使用的气体是什么种类,在该区域的电弧冷却过程是一样的。
在空气和SF6中断之间的主要差别是最大的热传导性发生时的温度。
空气的温度约6000°
K和SF6的为2000°
K。
这种差异说明了SF6是能够在较低的温度比空气更有效地冷却的事实,因此,它能够更快的承受较高的恢复电压。
换句话说的SF6的时间常数大大短于空气。
SF6的时间常数为0.1微秒,而空气是大于10微秒。
在将来考虑预计TRY率很高的应用程序,如在较短的线路故障的情况下,这个时间常数的意义表示赞赏。
经验的确表明,SF6气体比空气可承受更高的回收率。
5.5.6双压SF6断路器
西屋电气公司于1959年商业化引进SF6断路器,应用在高于230千伏的电压和额定电流中断能力为25kA。
这种类型的断路器的原始设计是一个为空中爆炸和油断路器设计的,因此轴向的的鼓风方法,这是前面所述在讨论空气鼓风电路断路器使用了。
当然,主要的区别是SF6已经取代空气。
新型断路器普遍的采用罐式类型,从其实际大小和强度同用于油断路器的容器颇为相似。
在许多情况下,即使经营机制已用于油断路器,也同样适用于SF6断路器操作。
有意识的努力,使用一些从旧技术的想法是可以理解的,毕竟,业界已经习惯了这种类型的设计,并没有偏离这个想法从根本上使得它更容易获得接受新的设计。
图5.32两个压力SF6ITE型GA断路器的剖面图
图5.33SF6在恒定的压力温度变化下的密度
双压断路器被制备成一个单或三罐样式,主要取决于设备在分配的电压额定值。
较小的高压蓄压器紧挨着低压槽,他们连到同步工作接触的爆破阀。
这些断路器操作压力表压力普遍偏低,最低0.2兆帕左右,最高1.7兆帕(分别为30PSIG和245PSIG)。
直到二十世纪七十年代中双压断路器设计才在美国市场上盛行。
大约在那个时候是,当单压断路器同双压断路器的中断能力相匹配,因此,他们成为一个可行的选择。
引用双压断路器的优点是,相比单压断路器设计中的一项,它需要较低的操作储能机构。
然而,在总能量需求的上下文中,一个必须考虑的能量是在用于存储压缩的气体也使用了额外的能量,并且防止在低环境温度下液化的SF6是必需的。
液化问题代表双压断路器的主要缺点。
因为在图5.33可以看出,在1.7MPa的压力下,气体开始液化的温度约13℃。
为了防止液化和气体的密度下降,电加热器安装在高压容器。
SF6气体的液化,不仅降低了电介质的气体的功能,而且它可能会导致另一个问题,被称为水分排出,因为空气和SF6中的冷凝点之间的差异,这很可能会发生。
这个问题始于在高压系统中的气体液化的区域中,是有一定距离相差的高压储。
如果温度不够低,以使任何的存在于该区域中的水分量冷凝,液化的气体会回流到储留背后。
由于在平均时间,高压容器中的气体的温度保持在露点以上,那么温暖的气体回流到断路器试图保持原有的压力。
不管包含在容器中的气体中存在少量的水分,将被运送到的区域中发生液化。
由于气体再次液化,然后再一次将离开背后的水分。
这个过程可以继续下去,直到温度-压力条件的变化。
然而,在这段时间中,水分可以在气体系统中的最冷点明显的积累,从而增加了总浓度,减少了介电能力。
指出的其它缺点是需要高体积的气体,泄漏率较高,由于鼓风阀的使用,需要更高的操作压力和复杂性增加的倾向。
5.5.7单压SF6断路器
单压断路器已经存在了至少和双压断路器一样长的时间,但最初这些断路器限于应用在需要较低开断额定值的情况。
这种限制主要是由于运行机制需要的极高能量。
这个机制是为了克服膨化压力和由于电弧能量释放引起的压力增加。
后来的调查和先进的发展提供了答案,导致有更强的开断能力,并1965年左右高分断能力的压气式断路器引进欧洲和美国。
压气式断路器被设计成固定气箱和活动气箱,如图5.34和图5.35所示。
图5.34固定气箱压气式断路器
图5.35MerlinGerin活动气箱压气式断路器
习惯上,单高压断路器属于压气式或自产气系列。
但是,在现实中,所有的单压断路器会被认为是自产气系列的一种,因为在任一类型的断路器内部发生的灭弧室压力的增加,是不借助外部的气体压缩机实现的。
这两个断路器类型的最显着的区别是,在压气式断路器的操作机构所提供的机械能被用于压缩气体,而自冲断路器使用从电弧中释放出来的热能量来提高气体的压强。
5.5.7.1压气式断路器
一种典型压气式断路器的概念图和操作顺序如图5.36所示。
压气式断流器的一个独特之处是,所有活塞和汽缸的组合作为可动触点结构的不可分割的一部分。
参照图5.36中,(a)表示在闭合位置时的灭弧室,可以看到其体积(V)。
在打开操作期间,主触头先分开,其次是灭弧触头,如图5.36(b)。
触点的运动减少死区体积(V),从而压缩该体积内所含的气体。
随着触点继续分离,体积进一步压缩,并且在电弧触头离开喷嘴的喉部的瞬间时,气体随着电弧的轴线开始流动。
重要的是要认识到,在高电流电弧的直径大于直径的喷嘴,会导致电流哽塞。
当这种情况发生时,喷嘴被完全阻塞,气体也不再流动。
因此,由于连续的体积空间V的变化,以及由气体从电弧的热能被提取,压力继续上升。
不常见的是,大电流开断时,尤其是对应于三相故障时,断路器的开速度减速相当大,这是由于热产生的压力作用于所述活塞组件的底面。
压缩冲程的持续时间应被仔细评估,以确保在最大燃弧时间和最小燃弧时间的范围内有足够的气体流量。
在大多数情况下,根据断路器的设计,最小燃弧时间在6至12毫秒的范围内。
由于最大的燃弧时间约等于最小燃弧时间加上一个额外的主要的非对称电流环路中的一个近似的持续时间为10毫秒,则该范围的最大燃弧时间是16至22毫秒。
燃弧持续时间的意义在于,既然灭弧可以发生在任意时间,只取决于电流是否过零,那么必要的是在灭弧发生的合适瞬间产生适当的压力。
很明显,在最大燃弧时间,体积经历了最大体积的减少,并有最大燃弧时间暴露于电弧的加热作用,因此气体压力预计会比较高。
图5.36压气式断路器原则;
(a)断路器关闭,(b)打开的瞬间,主触头分开,(c)触头分离,气体开始流动,(d)完成开断。
对于最小燃弧时间,气体的加热和压缩都是最小限度的,因此产生的压力相对比较低。
继续上面的讨论,对于压气式断路器的临界气体流动条件是在最小燃弧时间区域的附近。
然而,也要指出,必须考虑与断路器开模行程相关的打开速度,以保证假定的最大燃弧时间总是小于总行程时间。
这之前有人提出,在三相故障开断大电流时,断路器有一种减慢的趋势,甚至沿其开模行程停在某处。
这个减速一般保证对应于最大燃弧时间的电流过零在电路达到开模行程末尾之前到达。
然而,当开断单相故障时,情况并非如此。
即,因为在单相故障的故障电流的能量输入是较低的,它代表产生更低的压力,所以总的力是相对的驱动机构要低得多。
因此,仔细评估单相运行,以确保在冲击和膨化动作以及断路器的最大燃弧时间之间有足够的重叠是很重要的。
5.5.7.2自冲断路器
自冲断路器利用电弧释放的热量加热气体,并提高其压力。
原则上自冲断路器的想法与被用于油断路器的起爆灭弧室所使用的概念颇为相似。
电弧通过一对位于内侧的灭弧室,然后在动触点从灭弧室退出后,已加热的高压气体在电弧旁释放。
在某些设计中,为了提高断路性能,在低电流范围内,增加了一个吹弧装置。
还包括在其他设计中的磁线圈。
磁线圈的作用是提供一种驱动力,这种驱动力使电弧在触点周围旋转,当线圈穿过气体时加速了电弧冷却。
除了冷却电弧,磁线圈也有助于减少灭弧触头的侵蚀率,从而有效地延长断续器的使用寿命。
在某些设计中选择结合所有这些方法来提高开断处理能力,在大多数情况下,这已经证明是一个不错的选择。
配有磁线圈的自冲断路器极的横截面如图5.37所示。
5.5.8由电弧产生的SF6压力升高
在充满SF6气体的密封容器(体积不变)中,电弧燃烧产生的压力增量可以在合理的精度下,通过使用在图5.38中给出的曲线计算出。
图5.37自冲断路器的示意图
该曲线通过解出蒂布里奇曼方程和假定在定容(Cv)中热容量为0.8焦耳每克摄氏度的恒定值得出。
当然这是假设将引入一些错误,因为CV值随温度升高。
然而,结果可以通过乘以假定的Cv值与实际的Cv值的比值来校正。
Cv值是关于温度的函数,在图5.39中给出。
要计算电弧产生的压力增加近似值,可以使用下面的步骤。
1.估计电弧能量的输入量。
输入的能量将约等于电弧电压平均值乘以电流的均方根值再乘以电弧的持续时间。
为了更准确的计算,可以使用下面的表达式:
2.在以立方厘米为单位的容器中,算出电弧能量输入值除以体积的商。
3.在正常气体填充体积恒定的条件下算出气体密度。
所使用理想气体定律如下:
图5.38恒定SF6体积下电弧产生的压力增加量
4.使用刚刚计算出的密度提取图5.38的压力曲线的系数,乘以上面第1行获得的每单位体积的能量。
5.5.9影响SF6断路器的性能参数
压力,喷嘴直径,和电流变化率在之前被选为评估自冲断路器恢复能力的参数。
为了便于比较两者的技术SF6灭弧也选择了相同的参数,结果如图5.40,5.41和5.42所示。
图5.39体积不变的SF6气体热容Cv系数
图5.40不同喷嘴直径时电流和电压的关系
重申一下,在上述图像显示的性能关系的意义不在于它们的绝对值,但在于预测的趋势。
例如,在图5.40中,很容易看到直观清晰的东西,为了开断更大的电流,需要较大的喷嘴直径。
可以看到的喷嘴直径和电流幅值的影响;
电流越小,喷嘴直径的影响就越小。
该曲线表明,可能存在一个喷嘴直径的临界点,使得在更小的电流等级,灭弧的恢复能力仍然是一样的,与喷嘴直径无关。
图5.41所示的是在热恢复期间,恢复电压的依赖性与电流的变化率有关。
重要的是要注意到,考虑到每条线代表从参考文献7和21引出的独立的数据来源,每条线的斜率是非常接近的。
这些曲线表明,在热区的电压恢复率正比于电流的变化的最大速率(在I=0时)。
指数2.40与由气冲断路器得到的指数2.0作比较。
在图5.42中,我们找到了气体压力恢复很强的依赖性,正如提高到1.4次幂时恢复正比于压力的关系等式证明的那样。
在比较对应于相同的关系曲线的斜率时,空气作为开断介质等于1.0。
观察到的这个电流的变化率和压力的依赖性的结果确认了我们已经知道的,就是在相同的电流幅值和相同压力下,SF6气体是一个比空气更好的开断介质。
图5.41使用三个独立来源数据的SF6的开断能力比较
图5.42对于SF6在压力下恢复电压的依赖性
5.5.10SF6-氮混合气体
由于SF6对压力强烈的依赖性,提高压力一直很方便来提高断路器的恢复特性。
然而,由于它已被讨论过有一定的限制,即需施加合适的工作环境温度,以避免气体的液化。
为了解决这个问题,SF6混合氮气(N2)的可能性已经进行了研究。
虽然今天提到双压力断路器时,这个话题指的仅是学术方面,因为它们已经不再生产,,二压断路器的性能进行了改进,但在图5.43中也证明了当在同一总压力50%SF6气体的压力和50%N2(在[22],[23]中使用)的混合气体的性能。
图5.43SF6-N2混合物的灭弧能力
对于单压断路器,还没有这样的情况,这是归因于由于混合气体较轻,流速较高,不能持续供给足够的压力。
双高压断路器保持足够高的压力差是没有问题的,因为高压是通过一个外部压缩机维持在高蓄压器中,。
从介质耐压的角度出发,发现含有高比例的N2的混合物没有显着的区别。
例如,对于40%的N2含量,介质耐压降低只有10%左右。
5.6真空断路器
真空断路器利用了真空其优异的介电特性和其作为中断介质的扩散能力。
应该指出的是真空显著的介电强度是由于气体分子间的非弹性碰撞的情况下表示没有触发的情况一样,在气体介质中的电介质击穿的雪崩机制。
R.Sorrensen和H.Mendelhall在加州理工学院进行的开创性工作对真空断路器的发展的报告在其1926年的论文中。
尽管早期的工作,但直到20世纪50年代,詹宁斯公司推出的第一个商业上可行的开关器件,直到1962年,通用电气公司推出第一中等电压功率真空断路器。
这防止较早的引入真空断路器存在技术上的困难,如接触的材料,这是一个过程,是由于释放的气体通常被困的需要,以防止恶化的初始真空脱气技术困难于金属。
另一个问题是缺乏适当的技术,以有效地和可靠性的焊接或钎焊的断流器的金属端部的外部陶瓷包络线。
在过去的30年中,这些问题已经得到解决,加上高度敏感的仪器大幅增加了断路器的密封可靠性以防止真空泄露。
20世纪70年代,有一些尝试开发真空断路器的应用在电压大于72.5千伏。
然而,这些设计与SF6断路器和真空相比是不适合的竞争,它们已被归到主要可在5至38千伏的范围内的应用程序。
在美国真空被使用的场合大致在5至38千伏的室内和室外应用。
在相同或相似的电压,真空断路器也有较大的世界市场份额。
5.6.1真空断路器的电流中断
在第1章中介绍了真空或低压电弧的特性。
在本节中将会对真空断路器发生在电流中断的过程进行说明。
如同所有断路器,电
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