SF6高压电器设计

内容概要

黎斌，原西安高压开关厂主任设计师，教授级高工。

1962年毕业于华中科技大学，长期从事油断路器、真空开关、SF6断路器、SF6金属封闭式组合电器及SF6电流互感器开发设计工作。产品研究开发成果获国家教育委员会、原机械工业部颁发的科技进步奖和各种荣誉证书10多项，发表专业论文50余篇。

书籍目录

目录

第4版前言

第3版前言

第2版前言

第1版代序

符号说明

第1章SF6的基本特性1

1.1 SF6的物理性能1

1.2 SF6的气体状态参数2

1.3 SF6的化学性能3

1.3.1 SF6具有良好的热稳定性3

1.3.2 SF6电弧分解过程4

1.3.3 SF6与开关灭弧室材料的化学反应4

1.3.4 水和氧等杂质产生酸性有害物质4

1.3.5 SF6电弧分解物中有剧毒的S2F10

1.4  SF6的绝缘特性5

1.4.1 SF6气体间隙的绝缘特性5

1.4.2 SF6中绝缘子的沿面放电特性11

1.4.3减小金属微粒危害的措施13

1.5  SF6气体的熄弧特性15

1.5.1 SF6气体特性创造了良好的熄弧条件15

1.5.2 SF6中的气流特性17

第2章SF6电器的气体管理20

2.1  SF6气体的杂质管理20

2.1.1 SF6气体的毒性20

2.1.2生物试验方法20

2.1.3电弧分解气体的毒性及处理21

2.2  SF6气体的湿度管理23

2.2.1水分进入开关的途径23

2.2.2水分对开关性能的影响23

2.2.3温度对SF6湿度测量值的影响25

2.2.4 SF6湿度测量值的温度折算28

2.2.5用相对湿度标定湿度限值科学准确28

2.2.6 SF6湿度限值30

2.2.7 SF6湿度测量方法30

2.2.8 SF6湿度控制方法31

2.2.9运行开关的水分处理32

2.3  SF6气体的密封管理32

2.3.1 SF6开关设备的密封结构32

2.3.2密封环节的清擦与装配32

2.3.3工程适用的检漏方法(真空监视、肥皂泡监视、充SF6及充He检漏)32

2.3.4 SF6密度的监控及误差分析37

附录2.A  SF6湿度测量值的温度折算表41

附录2.B  充SF6检漏一个密封环节允许漏气浓度增量ΔC及单点允许漏气率F吸的计算46

附录2.C  充氦检漏允许泄漏率计算48

第3章GCB/GIS总体设计49

3.1设计思想的更新49

3.2简单就是可靠、简单就是效益49

3.3  GCB/GIS总体设计的核心50

3.4  GCB/GIS总体结构设计要求50

3.4.1  GCB灭弧室及操动机构的选择50

3.4.2罐式与瓷柱式GCB的合理

分工51

3.4.3高低档参数有机搭配51

3.4.4结构整体化设计52

3.4.5环境因素的影响52

3.5  GCB/GIS可靠性的验证试验53

3.5.1电寿命试验53

3.5.2机械强度试验53

3.5.3高低温环境下的操作试验53

3.5.4耐风沙、暴雨、冰雪及污秽试验53

第4章T?GCB/GIS出线套管设计54

4.1  40.5～145kV出线套管内绝缘设计54

4.1.1中心导体设计54

4.1.2允许雷电冲击场强值E1的选择55

4.2  252～363kV出线套管内绝缘设计56

4.3  550～1100kV出线套管内绝缘设计57

4.3.1中间电位内屏蔽的作用57

4.3.2中间电位内屏蔽的设计58

4.3.3中间电位及接地屏蔽设计尺寸的验算59

4.3.4中间屏蔽支持绝缘子设计60

4.4套管外绝缘设计60

4.4.1瓷件基本尺寸及耐受电压的计算60

4.4.2高海拔、防污秽型瓷套设计62

4.4.3瓷套外屏蔽设计62

4.5瓷套机械强度设计64

4.5.1瓷套法兰胶装比64

4.5.2瓷质与工艺64

4.5.3瓷套内水压与抗弯强度设计65

4.6  550kV SF6电流互感器支持套管中间

电位屏蔽设计实例66

4.6.1中间电位屏蔽尺寸的优化设计66

4.6.2中间电位屏蔽的加工工艺方案设计67

第5章硅橡胶复合绝缘子的特点和设计69

5.1复合绝缘子的特点和应用69

5.2伞裙材料的选用70

5.3绝缘子芯体(筒、棒)材料的选择71

5.4复合绝缘子设计的四点要求72

5.4.1机械强度设计要求73

5.4.2刚度设计要求74

5.4.3电气性能设计要求74

5.4.4胶装及密封设计要求75

5.5复合绝缘子长期运行的可靠性76

5.5.1绝缘子表面亲(疏)水性与污闪76

5.5.2硅橡胶疏水性的迁移与运行可靠性76

5.5.3  HTV硅橡胶的高能硅氧键与运行可靠性76

5.5.4抗电蚀能力与运行可靠性77

5.5.5硅橡胶护套及伞裙组装工艺设计与运行可靠性77

5.5.6水分入侵芯体对复合绝缘子机械强度的影响78

第6章ＳＦ６电器绝缘结构设计——气体间隙、环氧树脂浇注件、真空浸渍管(筒)件79

6.1 SF6气隙绝缘结构设计79

6.1.1气隙电场设计基准79

6.1.2 SF6气隙中电极优化设计79

6.2环氧树脂浇注件设计81

6.2.1绝缘件电场设计基准82

6.2.2典型的绝缘筒(棒)结构设计82

6.2.3绝缘筒(棒)机械强度设计84

6.2.4盆式绝缘子设计10个要点86

6.2.5盆式绝缘子强度要求96

6.3真空浸渍环氧玻璃丝管(筒)设计96

6.3.1真空浸渍管(筒)性能96

6.3.2真空浸渍管（筒）绝缘件电气结构设计97

6.3.3真空浸渍管(筒)绝缘件机械强度设计99

第7章合闸电阻及并联电容器设计101

7.1合闸电阻额定参数的选择101

7.1.1电阻值R101

7.1.2电阻投入时间t102

7.1.3电压负荷102

7.1.4电阻两次投入的时差Δt102

7.2电阻片的特性参数102

7.3合闸电阻设计计算103

7.3.1设计步骤103

7.3.2计算实例(一)103

7.3.3计算实例（二）105

7.4合闸电阻的触头及传动装置设计106

7.4.1合闸电阻投切动作原理106

7.4.2电阻片安装方式设计107

7.4.3电阻触头及分合闸速度设计108

7.5并联电容器设计110

7.5.1并联电容器容量设计（800kV双

断口串联T?GCB计算例）110

7.5.2电容元件及电容器参数选择111

7.5.3电容器组的结构设计112

第8章GCB/GIS的电接触和温升113

8.1接触电阻113

8.2梅花触头设计114

8.2.1动触头设计114

8.2.2触头弹簧圈向心力计算114

8.2.3触片设计115

8.2.4触指电动稳定性设计115

8.2.5触指热稳定性设计116

8.3自力型触头设计117

8.3.1导电截面及触指数设计117

8.3.2接触压力计算117

8.3.3触头材料及许用变形应力118

8.3.4旋压成形插入式触头(自力型触头的进化)118

8.3.5铜钨触头及其质量控制118

8.4表带触头的设计与制造工艺119

8.4.1表带触头的特点119

8.4.2表带触头的设计119

8.4.3表带触头的材料、制作工艺及表面处理120

8.4.4电动稳定性与热稳定性核算120

8.5螺旋弹簧触头设计121

8.5.1螺旋弹簧触头的特点121

8.5.2螺旋弹簧触头及弹簧槽设计121

8.5.3触头通流能力核算125

8.5.4接触压力、接触电阻与热稳定性核算125

8.5.5单圈接触压力的测试值126

8.5.6单圈接触电阻的测试值127

8.5.7弹簧触头焊点强度分析及焊点结构设计128

8.5.8弹簧触头不能用于隔离开关主触头130

8.5.9铜丝线径d0的选择130

8.5.10弹簧触头安放位置的选择130

8.5.11弹簧触头接触电阻的稳定性130

8.5.12弹簧触头的选用和表面处理132

8.6导体发热与温升计算132

第9章GCB灭弧室数学计算模型的设计与估算135

9.1平均分闸速度vf的设计135

9.2触头开距lk及全行程l0设计137

9.3喷嘴设计137

9.3.1上游区设计138

9.3.2喉颈部设计139

9.3.3下游区设计142

9.3.4喷嘴材料143

9.4气缸直径的初步设计144

9.4.1气缸直径Ｄc与机构操作力F144

9.4.2气缸直径Dc的经验设计值145

9.5分闸特性及其与喷嘴的配合146

9.5.1分闸初期应有较大的加速度146

9.5.2分闸速度对自能式灭弧室开断性能的影响147

9.5.3分闸后期应有平缓的缓冲特性147

9.5.4分闸特性与喷嘴的配合147

9.5.5调整分、合闸速度特性的方法147

9.6缓和断口电场的屏蔽设计148

9.7双气室自能式灭弧室的发展148

9.7.1  40.5～145kV自能式灭弧室逐步完善稳定148

9.7.2触头双动灭弧室的产生149

9.7.3双动双气室灭弧室设计要点149

9.7.4对双气室和单气室灭弧室的评价150

9.8近似量化类比分析法在灭弧室设计中的应用151

9.8.1  252kV、40kA灭弧室开断试验结果分析与改进151

9.8.2 252kV、50kA单气室自能式灭弧室的增容设计154

9.8.3 800kV灭弧室设计要领155

9.8.4特高压GCB灭弧室设计思路156

9.9机构操作功及传动系统强度计算158

9.9.1运动件等效质量计算158

9.9.2机构操作功计算160

9.9.3弹簧机构的分、合闸弹簧设计162

9.9.4液压机构储能碟簧设计162

9.9.5开关操作系统强度计算165

第10章密封结构设计167

10.1密封机理167

10.2影响SF6电器泄漏量的因素167

10.3  O形密封圈和密封槽的设计170

10.3.1  O形密封圈直径（外径D）与线径d0的配合170

10.3.2密封圈材质的选用170

10.3.3密封圈表面要求172

10.3.4密封槽尺寸设计172

10.4  SF6动密封设计173

10.4.1转动密封唇形橡胶圈设计173

10.4.2  X形动密封圈设计173

10.4.3矩形密封圈直动密封设计175

10.5密封部位的防水防腐蚀设计175

第11章GIS中的DS、ES和母线设计178

11.1三工位隔离开关的基本结构178

11.2DS及ES断口开距设计179

11.3DS断口触头屏蔽设计180

11.4DS分合闸速度设计181

11.5  1100kV GIS—DS、ES设计的特殊问题181

11.6快速接地开关设计183

11.7GIS母线设计184

11.7.1波纹管设计185

11.7.2可拆卸母线外壳设计186

11.7.3绝缘支持件设计186

第12章SF6电器壳体设计188

12.1壳体电气性能要求188

12.2壳体材质及加工工艺选择188

12.3壳体电气尺寸设计189

12.4焊接壳体设计与计算189

12.4.1焊接壳体强度设计因素189

12.4.2焊接壳体壁厚设计190

12.4.3焊接圆筒端盖(法兰)及盖板厚度设计191

12.4.4焊接圆筒端部封头强度设计191

12.4.5焊接结构及焊缝位置设计191

12.5铸铝壳体设计与计算193

12.5.1铸铝壳体强度设计因素193

12.5.2铸造壳体厚度设计193

12.6壳体耐电弧烧蚀能力设计195

12.7壳体加工质量监控设计195

12.7.1壳体强度监控195

12.7.2焊缝气密性监控195

12.7.3铸件壳体气密性监控195

12.8壳体制造的质量管理196

第13章吸附剂及爆破片设计197

13.1吸附剂设计197

13.1.1  F—03吸附剂性能简介197

13.1.2  F—03吸附剂活化处理197

13.1.3吸附剂用量设计198

13.2爆破片设计199

13.2.1爆破片的选型与安装199

13.2.2爆破压力设计199

13.2.3压力泄放口径设计199

第14章环温对SF6电器设计的影响200

14.1日照对SF6电器及户外隔离开关温升的影响200

14.1.1考虑方法200

14.1.2日照温升试验200

14.1.3试验值分析200

14.1.4结论201

14.2高寒地区产品的设计与应用202

14.2.1降低额定参数使用202

14.2.2开关充SF6+N2混合气体203

14.2.3  (SF6+CF4)混合气体的应用206

14.2.4经济实用的低温产品设计方案——加热保温套设计207

14.2.5高寒地区(-40/－50℃)产品的选择209

第15章SF6电流互感器绕组设计210

15.1  CT误差及准确级210

15.1.1  CT误差的产生210

15.1.2  CT准确级212

15.2影响CT电流误差的因素213

15.2.1一次电流的影响213

15.2.2二次绕组匝数N2的影响213

15.2.3平均磁路长度lcp的影响213

15.2.4铁心截面积S的影响213

15.2.5铁心材料的影响213

15.2.6二次负荷的影响214

15.2.7绕组阻抗ZCT的影响214

15.3测量级和保护级绕组设计及误差计算步骤214

15.3.1绕组及铁心内径设计214

15.3.2铁心设计214

15.3.3确定绕组的结构及阻抗215

15.3.4测量级绕组误差计算步骤216

15.3.5稳态保护级（5P、10P）绕组误差计算步骤217

15.4  0.2级和5P级CT绕组设计及误差计算示例217

15.4.1  0.2级、FS5、126kV、2×300/5A、30VA绕组设计及误差计算（第一方案）217

15.4.2  0.2级、FS5、126kV、2×300/5A、30VA绕组改进设计及误差计算(第二方案)219

15.4.3  252kV、5P25、2×300/5A、50VA绕组设计及误差计算220

15.5暂态保护特性绕组的基本特性参数222

15.5.1设计暂态保护特性绕组的原始数据222

15.5.2额定二次回路时间常数T2223

15.5.3额定瞬变面积系数Ktf223

15.5.4铁心剩磁系数Ksc223

15.5.5暂态特性CT绕组的分级223

15.6暂态磁通密度增大系数Ktd与暂态误差ε^224

15.6.1CT铁心未饱和时的暂态过程224

15.6.2CT暂态面积系数Ktd225

15.6.3暂态误差计算式226

15.7暂态特性绕组设计计算步骤和计算示例227

15.7.1  TPY绕组计算步骤227

15.7.2  550kV、1250/1A、10VA、TPY绕组计算示例228

15.7.3  550kV、2500/1A、15VA、TPY绕组计算示例230

15.8铁心饱和及其对暂态绕组工作特性的影响231

15.9影响CT暂态特性的因素及其改善措施232

15.10  CT罩与CT线圈屏蔽设计234

附录15.A  SMC101等合金磁化曲线图234

第16章GIS设计标准化242

16.1 GIS设计非标准化的弊病242

16.2 GIS设计标准化的重要意义242

16.3 GIS结构设计标准化242

16.3.1 GIS基本元件标准化243

16.3.2 GIS基本接线间隔标准化的主要要求243

16.3.3  126kV GIS标准化的基本接线间隔243

16.3.4  252kV GIS标准化的基本接线间隔248

16.3.5与各标准间隔对应的GIS主回路联结件及其内导标准化252

16.3.6与各标准间隔对应的辅件标准化252

16.3.7与各标准间隔对应的就地控制柜及气体监控柜的标准化252

16.3.8  GIS与电缆接口件标准化252

16.3.9  GIS与变压器接口件标准化255

16.4  GIS图样和设计文件的标准化及分类管理257

16.4.1  GIS图样的标准化设计及管理257

16.4.2  GIS基本间隔气体系统图的标准化设计258

16.4.3  GIS基本单元的配套表(MX表)及各种汇总表的标准化258

16.4.4  GIS基本间隔的配套表及各种汇总表的标准化258

16.4.5  GIS工程设计通知书259

16.4.6  GIS通用设计文件的标准化259

第17章GIS小型化和智能化设计

(在线监测技术及应用)260

17.1一次元件小型化260

17.2二次监控智能化的目的与构成263

17.3开发可靠性高、寿命长的信息传感器263

17.3.1电流传感器263

17.3.2电压传感器265

17.3.3分合位置传感器268

17.3.4分合速度传感器268

17.3.5弹簧储能传感器268

17.3.6  SF6气体密度及低湿度传感器269

17.3.7温度、湿度传感器270

17.3.8故障定位传感器270

17.3.9压力传感器270

17.3.10氧化锌避雷器(MOA)泄漏电流传感器270

17.3.11局部放电传感器270

17.4  PISA和光纤传输技术272

17.5智能化就地控制柜和保护单元272

17.5.1智能化就地控制柜和保护单元的构成272

17.5.2电站二次系统的更新与简化272

17.6  GIS运行状态分析软件及按运行状态维修GIS273

17.6.1GIS运行状态巡检仪273

17.6.2局部放电分析软件273

17.6.3电寿命分析软件（电寿命折算及在线监测技术）277

17.6.4  SF6密度及湿度分析软件281

17.7  GCB智能操作282

第18章超高频（UHF）局部放电电磁波的辐射、传输与接收284

18.1超高频（UHF）局部放电电磁波的特征284

18.1.1  GIS局部放电电磁波的频率与波长284

18.1.2采用UHF法检测GIS局放的必要性284

18.2  GIS超高频局放电磁波的种类及特征284

18.3  GIS局放电磁波的辐射与传播285

18.3.1电磁波辐射285

18.3.2电磁波发射286

18.3.3  GIS中局放电磁波的传播方式286

18.3.4局放电磁波传输的三种工况289

18.3.5  GIS中局放电磁波的传输特点291

18.3.6微波传输中的阻抗匹配291

18.4  UHF局放电磁波的接收292

18.4.1局放信号的两种接收方式——电容耦合与电磁感应292

18.4.2接收天线的效率和增益294

18.4.3传感器的相对输出功率295

18.4.4传感器的特性295

18.5外部干扰的抑制297

18.6局放源定位298

18.6.1信号幅值定位298

18.6.2信号时差定位298

18.6.3平分面法定位298

18.7内置式传感器的研究方向299

18.7.1圆盘形电容耦合传感器299

18.7.2偶极天线301

18.8外置式传感器的研究方向302

18.8.1缝隙传感器的设计302

18.8.2矩形喇叭传感器的设计304

18.8.3平面等角螺旋天线305

18.9传感器的馈电与阻抗匹配306

18.9.1传感器的馈电306

18.9.2接头307

18.9.3输入阻抗与负载阻抗的匹配307

18.10超高频法局放诊断系统307

18.11  GIS局放定期检测与全时在线监测308

第19章SF6复合电器H?GIS的特点、应用与发展309

19.1  H?GIS及PASS的定义和结构特征309

19.1.1  H?GIS  309

19.1.2  PASS  312

19.2  AIS、GIS、H?GIS及PASS的特点分析315

19.2.1结构和功能对比315

19.2.2对H?GIS和PASS的评议315

19.3选用H?GIS的技术经济分析317

19.4  550kV H?GIS使用示例317

19.5复合电器的演变318

19.6电容式复合绝缘母线在GIS/H?GIS开关站的应用320

19.6.1电容式复合绝缘母线的结构320

19.6.2电容式复合绝缘母线的特性321

19.6.3电容式复合绝缘母线与GIS/H?GIS配合使用及意义322

第20章SF6气体绝缘输电线GIL设计326

20.1  GIL的特点326

20.2  GIL的应用326

20.3  GIL的基本制造单元及气隔单元设计327

20.4  GIL的热胀冷缩及其调节328

20.5绝缘介质气压设计328

20.6  GIL母线的电接触及母线支撑328

20.7  GIL的外壳支撑329

20.8  GIL的可拆母线单元设计331

20.9  GIL中金属微粒的影响及预防331

20.10直流GIL输电的可能性333

第21章高压SF6电器的抗震设计334

21.1地震特性参数334

21.1.1地震烈度334

21.1.2地震频率与地震周期334

21.1.3地震波形334

21.1.4地震加速度335

21.2产品动力特性参数336

21.2.1产品自振频率fg336

21.2.2振动阻尼与阻尼比ξ336

21.2.3弹性元件的刚度及弹性模量336

21.2.4共振时的加速度(振幅)放大系数β337

21.3高压电器设备抗震设计339

21.3.1自振频率fg和阻尼比ξ339

21.3.2加速度的放大系数β339

21.3.3强度估算340

21.3.4位移估算340

21.3.5提高高压电器设备抗震能力的措施341

21.4高压电器设备抗震能力的验证341

21.4.1用计算机进行抗震能力计算341

21.4.2抗地震性能试验342

第22章GCB/GIS的典型开断、CT/VT的运行及设计注意事项344

22.1断路器的典型开断344

22.1.1  BTF开断344

22.1.2  SLF开断346

22.1.3反相开断348

22.1.4并联开断349

22.1.5空载变压器开断350

22.1.6切合电容器组及空载长线350

22.1.7切电抗器354

22.1.8发展性故障开断355

22.1.9超高压交流滤波器开断355

22.2  GIS—DS的典型切合操作357

22.2.1切合母线转换电流(环流)357

22.2.2切小电容电流359

22.3  GIS—FES的分合操作360

22.3.1  FES短路关合360

22.3.2  FES切合感应电流360

22.4电网不同工况对CT的不同要求361

22.4.1测量级绕组361

22.4.2  5P及10P稳态保护级绕组362

22.4.3暂态保护用绕组(TP)362

22.4.4  10%误差曲线362

22.4.5 CT参数要求对CT结构设计的影响363

22.4.6使用CT时注意事项364

22.5两种电压互感器的特征及运行中应处理好的主要问题365

22.5.1电压互感器的误差365

22.5.2电磁式电压互感器运行时注意事项365

22.5.3电容式电压互感器的特点366

第23章计算机辅助设计367

23.1高压电场数值计算367

23.1.1电场计算方法367

23.1.2  LVQB—252 SF6电流互感器三维电场计算367

23.1.3  GCB灭弧室电场计算及电场优化设计371

23.2应力与变形分析372

23.3抗震计算373

23.4灭弧室开断能力计算374

参考文献378

第1版后记381

作者简介

本书总结了作者40多年来在SF6高压电器开发工作中的研究成果与设计经验，详尽地介绍了SF6气体的理化电气特性和SF6气体管理方面的研究成果，总结了SF6高压电器的结构设计经验及设计计算方法。作者以超前意识对SF6金属封闭式组合电器小型化和智能化提出了许多有用的见解，并对该产品的在线监测技术进行了有实用价值的论述。对困惑高压电器行业多年的技术难题（如温度对SF6湿度测量值的影响、SF6湿度的限值及其在线监测、日照对产品温升的影响、高寒地区产品的设计与选用等），作者以自己的研究成果作了比较科学的回答。本书还系统地介绍了SF6电流互感器的设计计算方法，对有暂态特性的CT绕组的工作特性作了深入的分析。

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