SF6高壓電器設計（第5版）

第1章SF6的基本特性1
1.1SF6的物理性能1
1.2SF6的氣體狀態參數2
1.3SF6的化學性能3
1.3.1SF6具有良好的熱穩定性3
1.3.2SF6電弧分解過程4
1.3.3SF6與開關滅弧室材料的化學反應4
1.3.4水和氧等雜質產生酸性有害物質4
1.3.5SF6電弧分解物中有劇毒的S2F10嗎?5
1.4SF6的絕緣特性5
1.5SF6氣體的熄弧特性15

第2章SF6電器的氣體管理20
2.1SF6氣體的雜質管理20
2.2SF6氣體的濕度管理23
2.3SF6氣體的密封管理32
附錄2.ASF6濕度測量值的溫度折算表41
附錄2.B充SF6檢漏一個密封環節允許
漏氣濃度增量ΔC及單點允許
漏氣率F吸的計算46
附錄2.C充氦檢漏允許洩漏率計算48

第3章GCB/GIS總體設計49
3.1設計思想的更新49
3.2簡單就是可靠、簡單就是效益49
3.3GCB/GIS總體設計的核心50
3.4GCB/GIS總體結構設計要求50
3.5GCB/GIS可靠性的驗證試驗53

第4章T•GCB/GIS出線套管設計54
4.140.5～145kV出線套管內絕緣設計54
4.2252～363kV出線套管內絕緣設計56
4.3550～1100kV出線套管內絕緣設計57
4.4套管外絕緣設計60
4.5瓷套機械強度設計64
4.6550kV SF6電流互感器支持套管中間電位遮罩設計實例66
4.6.1中間電位遮罩尺寸的優化設計66
4.6.2中間電位遮罩的加工工藝方案設計67

第5章矽橡膠複合絕緣子的特點和設計69
5.1複合絕緣子的特點和應用69
5.2傘裙材料的選用70
5.3絕緣子芯體(筒、棒)材料的選擇71
5.4複合絕緣子設計的四點要求72
5.5複合絕緣子長期運行的可靠性76

第6章ＳＦ６電器絕緣結構設計——氣體間隙、環氧樹脂澆注件、真空浸漬管(筒)件79
6.1SF6氣隙絕緣結構設計79
6.1.1氣隙電場設計基準79
6.1.2SF6氣隙中電極優化設計79
6.2環氧樹脂澆注件設計81
6.3真空浸漬環氧玻璃絲管(筒)設計96

第7章合閘電阻及並聯電容器設計101
7.1合閘電阻額定參數的選擇101
7.2電阻片的特性參數102
7.3合閘電阻設計計算103
7.4合閘電阻的觸頭及傳動裝置設計106
7.5並聯電容器設計110

第8章GCB/GIS的電接觸和溫升113
8.1接觸電阻113
8.2梅花觸頭設計114
8.3自力型觸頭設計117
8.4錶帶觸頭的設計與製造工藝119
8.5螺旋彈簧觸頭設計121
8.6導體發熱與溫升計算132

第9章GCB滅弧室數學計算模型的設計與估算135
9.1平均分閘速度vf的設計135
9.2觸頭開距lk及全行程l0設計137
9.3噴嘴設計137
9.4氣缸直徑的初步設計144
9.5分閘特性及其與噴嘴的配合146
9.6緩和斷口電場的遮罩設計148
9.7雙氣室自能式滅弧室的發展148
9.8近似量化類比分析法在滅弧室設計中的應用151
9.8.1252kV、40kA滅弧室開斷試驗結果分析與改進151
9.8.2252kV、50kA單氣室自能式滅弧室的增容設計154
9.8.3800kV滅弧室設計要領155
9.8.4特高壓GCB滅弧室設計思路156
9.9機構操作功及傳動系統強度計算158

第10章密封結構設計167
10.1密封機理167
10.2影響SF6電器洩漏量的因素167
10.3O形密封圈和密封槽的設計170
10.4SF6動密封設計173
10.5高嚴氣密封設計175
10.6密封部位的防水防腐蝕設計176

第11章GIS中的DS、ES和母線設計178
11.1三工位元隔離開關的基本結構178
11.2DS及ES斷口開距設計179
11.3DS斷口觸頭遮罩設計180
11.4DS分合閘速度設計181
11.51100kV GIS—DS、ES設計的特殊問題181
11.6快速接地開關設計183
11.7GIS母線設計184

第12章SF6電器殼體設計188
12.1殼體電氣性能要求188
12.2殼體材質及加工工藝選擇188
12.3殼體電氣尺寸設計189
12.4焊接殼體設計與計算189
12.5鑄鋁殼體設計與計算193
12.6殼體耐電弧燒蝕能力設計195
12.7殼體加工品質監控設計195
12.8殼體製造的品質管制196

第13章吸附劑及爆破片設計197
13.1吸附劑設計197
13.2爆破片設計199

第14章環溫對SF6電器設計的影響200
14.1日照對SF6電器及戶外隔離開關溫升的影響200
14.2高寒地區產品的設計與應用202方案——加熱保溫套設計207
14.2.5高寒地區產品的選擇209

第15章SF6電流互感器繞組設計210
15.1CT誤差及準確級210
15.2影響CT電流誤差的因素213
15.3測量級和保護級繞組設計及誤差計算步驟214
15.40.2級和5P級CT繞組設計及誤差計算示例217
15.4.10.2級、FS5、126kV、2×300/5A、30VA繞組設計及誤差計算（第一方案）217
15.4.20.2級、FS5、126kV、2×300/5A、30VA繞組改進設計及誤差計算
(第二方案)219
15.4.3252kV、5P25、2×300/5A、50VA繞組設計及誤差計算220
15.5暫態保護特性繞組的基本特性參數222
15.6暫態磁通密度增大係數Ktd與暫態誤差ε^224
15.6.1CT鐵心未飽和時的暫態過程224
15.6.2CT暫態面積係數Ktd225
15.6.3暫態誤差計算式226
15.7暫態特性繞組設計計算步驟和計算示例227
15.7.1TPY繞組計算步驟227
15.7.2550kV、1250/1A、10VA、TPY繞組計算示例228
15.7.3550kV、2500/1A、15VA、TPY繞組計算示例230
15.8鐵心飽和及其對暫態繞組工作特性的影響231
15.9影響CT暫態特性的因素及其改善措施232
15.10CT罩與CT線圈遮罩設計234
附錄15.ASMC101等合金磁化曲線圖234

第16章GIS設計標準化242
16.1GIS設計非標準化的弊病242
16.2GIS設計標準化的重要意義242
16.3GIS結構設計標準化242
16.4GIS圖樣和設計檔的標準化及分類管理257

第17章GIS小型化和智慧化設計(線上監測技術及應用)260
17.1一次元件小型化260
17.2GIS二次監控智能化262
17.2.4MEMS露點微濕度感測器開發272
17.2.5 GCB/GIS智慧操作274

第18章局部放電的UHF電磁波和超聲波監測276
18.1超高頻（UHF）局部放電電磁波的特徵276
18.1.1GIS局部放電電磁波的頻率與波長276
18.1.2採用UHF法檢測GIS局放的必要性276
18.2GIS超高頻局放電磁波的種類及特徵276
18.3GIS局放電磁波的輻射與傳播277
18.4UHF局放電磁波的接收284
18.5外部干擾的抑制290
18.6局放源定位291
18.7內置式感測器的研究方向292
18.8外置式感測器的研究方向296
18.9感測器的饋電與阻抗匹配300
18.10超高頻法局放診斷系統301
18.11GIS局放定期檢測與全時線上監測302
18.12超聲波診斷法303

第19章斷路器滅弧室電壽命的診斷與線上監測技術306
19.1線路操作與保護用斷路器電壽命診斷306
19.2負荷電流頻繁操作斷路器電壽命監測311

第20章SF6複合電器H•GIS及電容式複合絕緣母線的特點、應用與發展317
20.1H•GIS及PASS的定義和結構特徵317
20.2AIS、GIS、H•GIS及PASS的特點分析323
20.3選用H•GIS的技術經濟分析325
20.4550kV H•GIS使用示例325
20.5複合電器的演變326
20.6電容式複合絕緣母線在GIS/H•GIS開關站的應用328

第21章SF6交/直流GIL的設計與研究334
21.1GIL的特點334
21.2GIL的應用334
21.3GIL的基本母線單元及氣隔單元的長度設計335
21.4GIL的熱脹冷縮及其調節336
21.5絕緣介質氣壓設計336
21.6GIL母線的電接觸及母線支撐336
21.7基本母線單元和可拆母線單元設計337
21.7.3GIL絕緣件設計要求340
21.7.4可拆母線單元設計340
21.7.5GIL高氣密性設計341
21.8GIL/GIS金屬微粒的危害、產生及防治341
21.9GIL的外殼支撐與接地343
21.10超/特高壓過江河隧道GIL和大城市地下管廊GIL特殊設計344
21.11直流GIL的應用、絕緣特性及設計要求346
21.12直流高壓電器絕緣的7個重點研究課題353

第22章高壓SF6電器的抗震設計355
22.1地震特性參數355
22.2產品動力特性參數357
22.3高壓電器設備抗震設計360
22.4高壓電器設備抗震能力的驗證362

第23章GCB/GIS的典型開斷、ACF斷路器的特殊運行工況及結構設計要求365
23.1斷路器的BTF開斷365
23.2SLF開斷367
23.3反相開斷369
23.4並聯開斷370
23.5空載變壓器開斷371
23.6切合電容器組及空載長線371
23.6.1切合電容器組371
23.6.2切合空載長線372
23.6.3切空載長線的開斷電流及試驗方法373
23.6.4長線合閘過電壓374
23.7切電抗器375
23.8發展性故障開斷376
23.9超/特高壓交流濾波斷路器的特殊運行工況及結構設計要求376
23.10GIS—DS的典型切合操作385
23.11GIS—FES的分合操作388

第24章電網對CT/VT的不同要求和運行注意事項389
24.1CT測量級繞組389
24.2CT 5P及10P穩態保護級繞組390
24.3CT暫態保護用繞組(TP)390
24.4CT 10%誤差曲線391
24.5CT參數要求對CT結構設計的影響391
24.6使用CT時的注意事項392
24.7兩種電壓互感器的特徵及運行中應處理好的主要問題393

第25章電腦輔助設計395
25.1高壓電場數值計算395
25.1.3GCB滅弧室電場計算及電場優化設計399
25.2應力與變形分析400
25.3抗震計算401
25.4滅弧室開斷能力計算402

第26章環保氣體高壓電器的研發407
26.1環保氣體高壓電器研發的任務和方法407
26.1.1環保氣體高壓電器研發的任務407
26.1.2環保氣體高壓電器的研究方法407
26.2SF6混合氣體的研究與應用408
26.3SF6替代氣體的研究417
26.3.1C4、C5、C6系新氣體的主要特性417
26.3.2對c-C4F8的熱情追逐與冷靜思考417
26.3.3國內外對三氟碘甲烷（CF3I)的研究概況418
26.3.4國內外對C4F7N的研究及應用前景421
26.3.5重視六氟二丁炔（C4F6）的研究424
26.4氣—固絕緣方式的研究425
26.5環保氣體高壓電器設計的研究課題425
26.6停筆寄語426
參考文獻427

第5版前言

在幅員遼闊的國土上，從北向南、從西向東、縱橫交錯的超/特高壓輸電網為經濟持續發展提供著強大的動力。為適應電力建設快速發展的需要，高壓電器行業也面臨著由製造大國躍升為製造強國的變革。

本書是SF6高壓電器理論探討、製造與運行經驗交流的園地，理當與時俱進，不斷修改完善，為高壓電器這一重大變革提供理論支撐。為此，作者對第4版做了較大的調整與增補，分述如下。

（1）鑒於目前可供SF6電器使用的微水感測器都是用濕敏薄膜製作的，感測器內殘留水分的脫附十分困難，使濕度測量資料重複性太差，無法使用。借鑒露點檢測儀在GIS體外測量SF6水分的使用經驗，在第5版第17章中介紹了基於“冷鏡”露點測濕原理採用微機電系統（MEMS）技術製作微型化、低成本的微水感測器的設想，希望GIS/GIL製造運行單位與中科院上海微系統與資訊技術研究所合作將這一創新技術設想做成產品，為GIS/GIL和未來的環保氣體高壓電器實現濕度線上監測做出貢獻。

（2）針對一些電站GIS/GIL在配置局部放電監測裝置時，對局放檢測裝置性能瞭解不夠，對感測器的配置、局放信號的傳輸損失和檢測裕度未研究、未計算，導致現場運行時故障多發：或平安無事的產品局放檢測儀卻謊報“軍情”，或產品局放嚴重發展，絕緣件都爆炸了，局放檢測儀還在“睡大覺”。為解決這些問題，本書第5版在第18章中補充了局放檢測儀的靈敏度與感測器配置的相關知識與計算，並推薦使用檢測靈敏度較高、適於線上監測與GIS/GIL體外巡檢的介窗式局放檢測系統。

（3）關於斷路器滅弧室電壽命監測，本書做過詳細分析。武漢華工先艦電器公司根據本書第19章所述的相對剩餘電壽命計算式開發的電壽命分析軟體裝在Onsage-BK型高壓斷路器線上監測裝置中已運行多年，性能穩定，是智慧式GIS必備的裝置。近年來一些GCB/GIS使用單位企圖通過斷路器的分閘動態電阻和動態弧觸頭接觸行程的測量來監視滅弧室電壽命。本書在第5版第19章對此增寫了專題論述——負荷電流頻繁操作斷路器電壽命監測。

（4）為滿足電力建設快速發展對交/直流GIL的多種需求，第5版第21章增寫了超/特高壓過江河隧道GIL和大城市地下綜合管廊GIL的可靠性和適用性設計；對直流高壓GIL/GIS的絕緣設計（如直流絕緣件形狀優化設計、如何應對絕緣件表面電荷不良影響等）作了介紹，並提出了直流GIL/GIS必須重視的7項重要的絕緣研究課題。

第5版前言SF6高壓電器設計第5版（5）直流超/特高壓輸電的快速發展，使高壓電器製造行業感受到了不小的壓力與鞭策，至今國內外還沒有適於交流濾波電容器和補償電容器操作的專用斷路器（ACF斷路器），用常規的線路保護斷路器不適應這種特殊的操作工況，事故多發。本書第5版第23章增寫了開發專用ACF斷路器的必要性和具體的設計措施，對ACF斷路器切容性負荷時可能出現的非自持性擊穿（NSDD）現象提出了新見解和深入研究的建議。

（6）SF6高壓電器已為世界各國的電力建設服務了半個多世紀，其不可磨滅的貢獻應載入世界電力科技發展史冊。但是，SF6是典型的溫室氣體，為保護人類生存環境，減少SF6用量、尋找新的環保型替代氣體，已成為全世界相關行業科技人員的研究熱點。本書第5版第26章綜述並點評了國內外SF6混合氣體和SF6替代氣體的主要研究成果，提出了環保氣體高壓電器設計的6項研究課題，為環保高壓電器的研發拉開序幕。

（7）SF6混合氣體及SF6替代氣體產品開發的最難點是熄弧性能的研究，是環保型高壓斷路器滅弧室的結構設計。環保電器的研發和設計需要相關理論的支撐，也需要電腦模擬計算的助力。本書第5版第25章簡介了瀋陽工業大學在SF6及其混合氣體中開斷電弧的模擬計算的最新成果。

感謝全國高壓電器研究、製造和使用的廣大科技人員，近20年來在SF6高壓電器設計這塊園地共同耕耘與收穫，也感謝機械工業出版社職工為其播種傾注熱情、灌溉汗水。

作者多次強調：本書不完全是純理論的專著，其中還涉及產品設計、運行經驗的總結以及高壓電器前沿新技術的探討，難免有不當之處。望讀者與時俱進、去偽存真地吸收營養。為利於工作，希望讀者封存舊版本，使用新的第5版本。

作者想幹的事太多太多，但已進入力不從心之年，必須遵從人生交替傳承的自然法則，只能把這只標有環保電器彩標的接力棒交給後來者，盼你們接穩棒朝著既定目標奮力奔跑吧！

黎斌
2019年8月于西安

第1版代序

高壓電器製造業已走過了半個世紀的歷程。在這50年中，建立起自己的產品系列，滿足了電力系統和工業部門各個方面的需要。西安高壓開關廠承擔了一大部分高壓和超高壓電器的開發工作，近10多年來又與日本三菱公司合作生產126～550kV SF6 GCB和GIS，這些產品遍及全國各地，運行於各大電站之中，而SF6電器仍將是今後高壓和超高壓領域的主導產品和致力於開發的方向。

高壓開關的設計，過去多依賴於經驗和試驗中的驗證，於是經驗的積累對於產品的開發有著極其重要的意義，隨著技術的進步和大型電腦的應用，電弧物理和開斷技術的研究有了廣闊的前景，這是十分可喜的事。然而對於滅弧室的設計，不論對作用於其內的等離子體的物理過程掌握得如何，仍然要通過反復模擬、計算和實物驗證來確定結構和尺寸。因而在實際工作中，認真總結經驗教訓，將感性知識理性化起來，實為不斷開發新產品和提高學術水準的不二法則。

黎斌同志將畢生精力貢獻在西安高壓開關廠，主管過多種新產品的科研、設計和試製工作，尤其在SF6電器方面他涉足較早、經歷得多、考慮尤深，所以他的著作《SF6高壓電器設計》一書，當能對現代電力裝備的設計、製造、運行和科技管理具有啟迪性和先導作用。對於產品設計，經驗是具有普遍意義的，但不是全部；只有重視經驗，又不囿於經驗，善於學習，勇於探索，才能持續深入地把工作或事業推向前進。這些就是我所想的，也是寄希望於後來同仁的。