Sf6使用的历史不长,虽然这种气体早在本世纪初就已被发现,但在电器上使用是 50 年代开始的,七十年代以后大量使用而且发展为全封闭式组合电器,成为超高压等级 电力断路器的最主要的品种.
自1900 年法国化学家摩森(H.Moissan)和李博(P.Lebeau)在实验室中将硫在氟气中 燃烧以制备六氟化硫(SF6)气体以来,人们已从中收益非浅.因纯 SF6 气体的化学稳 定性,早期用于进行人工气胸治疗肺结核空洞;同时因其优异的绝缘和灭弧性能也倍 受人们的关注.从 1940 年作为绝缘介质开始,迄今已被广泛地应用在电力设备中,如 高压断路器,变压器,互感气,电容器,避雷器,接触器,熔断器,管道母等.随着 SF6 气体使用量的增加,范围的扩大,正确的使用和管理 SF6 气体,保护好我们赖以生 存的环境及人身安全等问题被提到了重要的议事日程上来.
SF6 是一种分子量很大的重气体,容易液化,因此与理想气体模型差异较大,用理想 气体的状态方程式来计算,在高压力,低温度下会产生很大的误差.例如 在 20℃(293K)下,SF6 气体压力与密度的关系与理想气体之比较如下图.在气体密 度增加时,实际压力值要比理想的低.出现这个差异的原因在于 SF6 分子的体积大, 当空间容积缩小时,分子间距离减小,吸力增大,使分子与容器器壁间的作用力减弱 ,即气体压力值降低.
SF6 的绝缘特性 SF6 具有优良的绝缘性能,这是它最早被用于电力设备的原因.例如,0.3MPa 压力的 SF6 气体的绝缘强度就可能达到变压器油的水平,而压缩空气同样的绝缘强度要 0.6— 0.7MPa.因此,早在四十年代 SF6 就开始用于电缆,高压静电发生器中,后来才用到 开关中,现在又在变压器和高压互感器中应用.SF6 用在全封闭的组合电器中,取代 敞开式分立电器的空气绝缘,使传统的变电站设备构造发生了革命性的变化,这就是 SF6 绝缘性能所显示出的优越性.
SF6 气体的高绝缘强度是由卤族化合物的负电性,即对电子的吸附能力造成的. 卤族元素中又以 F 元素的负电性最强,它的化合物 SF6 仍有强负电性.在温度不太高的 情况下(108K 以下) ,产生 SF6+e→SF6— 的反应,生成负离子;使空间的自由电子 减少,而负离子的活泼性差,抑制了空间游离过程的发展,击穿不易形成,因此绝缘 强度大大提高
SF6 气体的绝缘强度在不均匀的电场中要降低,这一点在设计与使用中应该引起 注意.随着电场不均匀程度的增大,击穿场强下降,作为均匀电场的间隙击穿电压巴 申定律,即击穿电压(UK)与气压间隙乘积(pd)成正比,只能在很小范围内符合.
试验数据证明,在 1—25mm 间隙内,只有电场强度 20KV/mm 以下才符合巴申定律 .因此,不能简单地靠增大间隙来提高击穿电压,而应该注意改善结构的电场均匀性 .
SF6 气体绝缘特性还受杂质和电极表面状况影响很大.充入电气设备的气体如混 杂了金属细屑,绝缘击穿电压将显著下降.这种影响在工作气压越高时越显著,金属 细屑的尺寸越大绝缘强度降低越多.所以在实际加工装配或检修工作中注意清洁条件是很重要的.
电极表面如粗糙不平,局部电场增强,对绝缘强度下降影响也很大,加工光洁 度高的表面要比粗糙表面的绝缘强度高.由于表面缺陷,凸起的出现呈随机性质,这 种局部电场增强效应也具随机性,对于面积越大的电极,局部放电的几率也越大.这 就表现为绝缘强度随电极表面积增大而下降,并渐趋于一个稳定值. 金属屑末和电极表面突起造成的绝缘弱点可以通过老练加以改善.老练就是对 气体间隙进行多次重复放电,通过放电燃烧缺陷(杂质,凸起) ,是间隙的击穿电压 提高.此外,也可以采用在电极表面覆盖绝缘薄层的方法来提高绝缘强度. 2,SF6 的导热性能 作为电器的绝缘介质,导热性要好,以避免温升过高.
SF6 气体的热导率是不高的, 比空气低 1/3.这个参数表示,由于空间分子间的碰撞传递动能而形成的传热能 力,SF6 不如空气.但是,实际气体的传热过程主要是对流传热,即由于分子的流动 ,携带热量转移,SF6 分子量大,比热也大,对流传热能力要优于空气.两个大气压 的 SF6 的对流传热能力与变压器油相同. 作为灭弧介质,在高温条件下工作,SF6 有更为优越的特性.高温条件下的气体的传 热过程还多了一个反应能的传递,即由于质点的扩散,流动携带电离或分解能,在空 间形成传热.这个传热特性与气体的分解,离解特性有关,SF6 分子在 2000K 附近高温 下大部分被分解成 S,F 元素或低氟化硫,分解反应吸收能量;在 6000K 以上形成离解 高峰,产生大量电子,离子,也吸收能量.因此,在上述两个反应高峰温度附近,就 形成热导率的高峰,而主要成分为氮气的空气的分解导热高峰出现在 7000K—8000K 附 近.SF6 的导热高峰温度处于弧柱导电区外沿,对熄弧过程是十分有利的.
SF6 的化学特性SF6 是一种常温下十分稳定的化合物,不易分解,变质.在空气中不燃烧,不助燃, 与水,强碱,氨,盐酸,硫酸等不反应;在低于 150℃时,SF6 气体呈化学惰性,极少 熔于水,微熔于醇.对电器设备中常用的金属及其它有机材料不发生化学作用在大气 压下,至少在 500℃以下保持高度的化学稳定性,与金属材料,绝缘材料反应极微; 只是在 600℃以上才有较强烈的分解,产生低氟化合物,有强烈的腐蚀性.从电工设 备方面应用来说,至少在 E 级绝缘水平下是可以安全使用的 在高温下,例如在电弧或电晕放电作用下,SF6 将分解成 S 和 F 原子,这些原子在高 温下降时大部分可以复合成 SF6 分子,但是在其他成分的参与下,如 H2O,Cu,W 等, 产生金属氟化物和硫的低氟化物,主要反应有: 4SF6+Cu+W→4SF4+CuF2+WF6 2SF6+Cu+W→2SF2+CuF2+WF6 在水分参与下,还会生成有严重腐蚀性的 HF: SF4+H2O→SOF2+2HF SOF2+H2O→SO2+2HF(剧毒) 这些分解物中,HF ,SO2, SF4, SF2 等对绝缘材料金属材料有很大的腐蚀作用. 由上列分解反应可见,水分起了很坏的作用,是产生腐蚀性,毒性的主要促成 剂.控制 SF6 气体中的含水量是气体质量控制的主要指标,有关的标准都作了规定, 如国际电工协会(IEC)规定,SF6 新气中水分含量不得高于 15ppm(重量比) .必须 指出,在各种氟化物中,绝大多数都是有毒甚至剧毒物.上述各分解反应物也是如此 ,因此在 SF6 电器设备的使用中安全问题应给予充分重视. 装设吸附剂是个重要方法,活性氧化铝,活性炭及分子筛都是应用效果较好的 吸附剂,它们对吸附水分是有效的.
用于电器内部的结构材料应该尽量避免还有硅元素,如 SiO2,陶瓷,玻璃等, 因为 F,HF 分解物对 Si 有强烈的腐蚀作用.聚四氟乙烯,以氧化铝为填料的环氧树脂 等是比较好的材料. 4,SF6 的灭弧特性 气体中的电弧是通过分子游离而形成的导电现象,电弧放电通道中主要是热游离方式 , 气体温度在 4000—6000K 以上时就开始出现热游离导电现象,SF6 和空气的电导率随温 度的变化特性差异并不大,在 4000K 以下没有明显的游离,但在电弧的电极金属蒸气 参与下,实际的热游离起始温度降低到 3000K 左右,因此开关电弧的导电下限温度一 般在 3000K 附近. 电弧的熄灭过程就是弧隙游离产物(离子,电子)的复合,消游离,使间隙恢 复到绝缘介质状态的过程,这主要通过冷却降温,使电导率降低,消失.表示电导减 小的速度常用电弧的时间常数来说明,电弧时间常数越小,表明弧柱温度或热量变化 越小,灭弧能力越强. SF6 的导热能力随温度的变化特性是她它具有优异熄弧能力特性的重要原因.如 前所述,开关电弧以 3000K 为导电界限温度,电流集中在高于 3000K 以上的"弧芯"区 内,外围的低温区称为"弧焰区" .SF6 气体在 3000K 以上的导热率低,2000K 附近的 导热率特别高,从径向热平衡考虑,弧焰区的散热良好,温度低,而弧芯区则导热差 ,温度高,形成直径细的密集导电区.相对来讲,空气电弧的弧芯直径就比 SF6 电弧 的大.随着电流瞬时值的减小,SF6 电弧的弧芯直径也逐渐减小,这种纤细型的弧芯 结构可以维持到很小的电流值(1A 以下) .电弧的时间常数与弧芯截面面积∏R2 成正 比,即Θ=C∏R2(C 为常数) ,因此,在电流零点附近,电弧时间常数很小,或者说,残余弧柱截面很小,这对于弧后介质强度的恢复是十分有利的. 当整个弧柱温度都降到导电温度(3000K)以下时,由于 SF6 气体的导热高峰, 是温度下降速度很快,介质强度恢复迅速. 此外,SF6 气体的负电性也是形成优异灭弧性能的另一因素.在弧焰区和弧后恢 复阶段,负电性起很重要作用,他使弧隙自由电子减少,电导率下降,介质温度提高 .因此在灭弧室中应提供新鲜的气体,尽可能增加 SF6 气体与弧柱的接触,以增强吸 附的过程. 6,SF6 气体的毒性来源 从有关部门的试验及研究结果可知,SF6 气体的毒性主要来自 5 个方面. (1)SF6 产品不纯,出厂时含高毒性的低氟化硫,氟化氢等有毒气体.大家知道,目 前化工行业制造 SF6 气体的方法主要是采用单质硫磺与过量气态氟直接化合反应而成 ;即 S+3F2→SF6+Q(放出热量) .在合成的粗品中含有多种杂质,其杂质的组成和含量因 原材料的纯度,生产设备的材质,工艺条件等因素的影响而有很大差异,杂质总含量 可达 5%.其组成有硫氟化合物,如:S2,F2,SF2,SF4,S2F10O 等;硫氟氧化合物 如 SOF2,SO2F2,SOF4,S2F10O 等以及原料中带入的杂质如 HF,OF2,CF4,N2,O2 等 .为了净化粗品中的杂质,合成后的 SF6 气体还需要经过水洗,碱洗,热解(去除剧 毒的十氟化物) ,干燥,吸附,冷冻,蒸馏提纯等一系列净化处理过程才能得到纯度 在 99.8%以上的产品.然后再用压缩机加压,充入降温至-80℃左右的钢瓶中,以液态 形式存在.在使用时减压放出,呈气态冲入电气设备中. 除在上面的合成过程中产生的杂质外,另外,在气体的充装过程中还可能混入少 量的空气,水分,和矿物油等杂质,这些杂质均带有或会产生一定的毒性物质.因此 ,为保证 SF6 产品的纯度和质量,对出厂的 SF6 产品国际电工委员会(IEC)及许多国家均制定了质量标准,并要求生产厂家在供货时提供生物试验无毒证明书. (2)电器设备内的 SF6 气体在高温电弧发生作用时而产生的某些有毒产物. 例如:SF6 气体在电弧中的分解和与氧的反应: 2SF6 + O2 →2SOF2 + 8F(氟化亚硫酰) 2SF6 + O2 →2SOF4 + 4F(四氟化硫酰) SF6 →SF4 + 2F(四氟化硫酰) SF6 →S + 6F(硫) 2SOF4 + O2 →2SO2F2 + 4F(氟化硫酰) (3)电器设备内的 SF6 气体分解物与其内的水分发生化学反应而生成某些有毒产 物. 例如:SF6 气体分解物与水的继发性反应: SF4 + H2O →SOF2 + 2HF(氢氟酸) SOF4 + H2O →SO2F2 + 2HF(氢氟酸) SOF2 + H2O → SO2 + 2HF(二氧化硫) SO2F2 + 2H2O → H2SO4 + 2HF(硫酸) (4)电器设备内的 SF6 气体及分解物与电极(Cu-W 合金)及金属材料(AL,Cu )反应而生成某些有毒产物. 例如:SF6 气体及分解物与电极或其它材料反应: 3SF6 + W → WF6(气态)+ 3SF4 3F + AL →ALF3(固态粉末) 3SOF2 + AL2O3 →2ALF3(固态粉末)+ 3SO2 SF6 + Cu →CuF2(固态粉末) + SF6 4SF6 + W + Cu →2S2F2(气态)+3WF6(气态)+ CuF2(固态粉末) (5)电器设备内的 SF6 气体及分解物与绝缘材料反应而生成某些有毒产物.如与 含有硅成分的环氧酚醛玻璃丝布板(棒,管)等绝缘件;或以石英砂,玻璃作填料的 环氧树脂浇注件,模压件以及瓷瓶,硅橡胶,硅脂等起化学作用,
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