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SF6 气体与高压开关设备的来历与特性

　　Sf6 由法国两位化学家于 1900 年合成，为自然界没有的人造气体。 从 20 世纪 60 年代起，SF6 被成功应用到高压开关设备作为绝缘和灭弧介质。 SF6 除应用在 SF6 高压电气开关设备外，还应用在 SF6 变压器、SF6 互感器、SF6 避雷器、SF6 充气电 缆等高压电器设备。 SF6 具有优异的灭弧与绝缘性能。通过几十年的应用实践证明，没有任何一种其它介质可以与之相媲美， 预计在今后几十年中也无可替代。
第一节 SF6 气体的性能
　　1． 性能优异的 SF6 气体 SF6 气体已有百年历史，它是法国两位化学家 Moissan 和 Lebeau 于 1900 年合成的，1947 年提供商用。 当前 SF6 气体主要用于电力工业中。SF6 气体用于 4 种类型的电气设备作为绝缘和/或灭弧：SF6 断路器 及 GIS、SF6 负荷开关设备、SF6 绝缘输电管线、SF6 变压器及 SF6 绝缘变电站。从用气量讲，80%用于 高中压电力设备。 SF6 气体之所以适用于电力设备，主要有如下特性： 强电负性，具有优异的灭弧性能； 绝缘强度高，在大气压下为空气的 3 倍； 热传导性能好且易复合，特别是当 SF6 气体由于放电或电弧作用出现离解时； 可在小的气罐内储存，这是因为室温下加高压力易液化； 供气方便，价格不贵且稳定。
　　2． SF6 气体的化学特性 SF6 气体的主要化学性能见表 1。如上所述，SF6 是一种非常稳定的且呈现惰性的气体，它无色、无味、 无毒、不燃且不溶于水。它是最不活泼的已知气体之一，而且在通常条件下，它不侵蚀与它接触的物质。
表 1 SF6 的主要化学特性 分子式 摩尔质量 硫含量 氟含量 SF6 146.05g/mol 21.95%① 78.05%① 分子结构 键 碰撞截面 分解温度 在 6 个棱角上带有氟原子的八面体 共价键 4.77A 500℃ ①均指质量分数
　　3． SF6 气体的物理特性 SF6 是最重要的已知气体之一。在通常条件下，它大约比空气重 5 倍。在同空气未充分混合的条件下，此 气体有向低处积聚的倾向。靠对流和扩散同空气混合缓慢，但一经混合，则不再分离。虽然 SF6 气体的热 导率低，但由于其粘度较低且密度较高，故总的热导率好于空气 25 倍。在输配电设备中，SF6 通常的压 力范围在 0.1MPa 和 0.9MPa（绝对压力）之间，此气体的压力温度/密度特性示于图 1 中。表 2 给出 SF6 主要物理特性。
　　表 2 在压力 0.1MPa 和温度 25℃下 SF6 的主要物理特性 密度 热导率 临界点 温度 密度 压力 声速 折射率 生成热 定压比热 状态平衡 45.55℃ 730 ㎏/m 3.78MPa(绝缘气压) 136m/s 1.000783 -1221.66J/mol 96.60J/(molk) 见图 1 6.14 ㎏/ m 0.013W/(mk)
　　4． SF6 气体的电气特性 SF6 气体具有优异的绝缘性能，是由于其分子的电负性。SF6 气体具有吸附自由电子而构成重离子的明显 趋向。重离子的迁移率低，使之电子崩的发展很困难。 SF6 的击穿场强为空气的 2.5~3 倍。在高压开关设备中，SF6 气体的工作压力如为 0.6MPa，此时击穿场 强高出 0.1MP a 时空气的 10 倍。因此，使用 SF6 气体的高压开关设备，能大幅度地减小占地面积和体积。 空气与 SF6 开关设备的占地面积之比为 30：1。 SF6 是一种具有优异灭弧性能的气体，这是因为它的离解温度低，且离解能量大。 在 SF6 中，电流过零前的截流小，且由此避免了高的过电压，这是由于电弧在 SF6 内冷却时直至相当低 的温度，它仍导电。SF6 的主要电气性能见表 3。 表 3SF6 的主要电气特性
　　相对于压力的临界击穿场强 在 25℃和 0.1 MPa 绝对气压下的相对介电常数 在 25℃和 0.1 MPa 绝对气压下的损耗因数(tanδ
89V/mPa 1.00204小于2×10-7 a=Ap(E/p-B) a1/m
有效电离系数
EV/m PPa A 2.8*10
　　5． SF6 气体的纯度 由于制造过程的缘故，市场上提供的 SF6 气体不是很纯的。IEC376 标准规定出 SF6 中最大允许的杂质水 平见表 4。 表 4 新 SF6 中最大允许的杂质水平 杂质 CF4 O2+N2 水 酸度(以 HF 表示) 水解氟化物(以 HF 表示) 最大允许值 500×10-6 重量比 500×10-6 重量比 15×10-6 重量比 0.3×10-6 重量比 1.0×10-6 重量比
纯 SF6 气体无毒，在生物学上不活泼。用动物和人进行试验表明，当存在直至 80%SF6 和 20%O2 时，没 有感受不良的影响。 因此，当大气中含有较高比例的 SF6 时，对于工作人员每天工作 8 小时，每周工作 5 天的场所，规定最大 含量为 1000×10-6。 对 SF6 气体而言，这个界限值要低于危险水平两个数量级以上。 新 SF6 气体对健康无生态中毒、致变和致癌（既无基因中毒，也无后天生成）的作用。 SF6 在标准条件下无色、无味、无毒性，不会燃烧，化学性能稳定，不与其他材料产生化学反应。SF6 气 体既不燃烧，又不助燃，且有良好的绝缘性能，是一种很理想的灭弧和绝缘介质。 SF6 分子量较大，在标准大气压下，温度 273K 时，密度为 6.14KG/m3，约为空气质量的 5 倍，分子量为 146.05g/mal，其中含硫 21.95%，含氟 78.05%。同样体积和压力的 SF6 比空气重得多，所以纯 SF6 气体 本身虽无毒，但有窒息作用。SF6 气体本身是不导电的绝缘介质，它的一个重要特点是电场均匀性对击穿 电压的影响远比大气压下的空气大，与高气压下空气的击穿特性相近。用于断路器中的 SF6 气体应保证其
　　纯度，严格控制水分和杂质含量。我国标准 GB12022 规定 SF6 纯度为大于等于99.8%。在我国，SF6 气体必须满 足 GB12022 标准要求，见表 5。 表 5SF6 气体标准 指标名称 六氟化硫(SF6)的质量分数/%大于等于 空气的质量分数/%小于等于四氟化碳(CF4)的质量分数/%小于等于水分(H2O)/×10-6≤ 酸度(以 HF 计)/×10-6≤ 可水解氟化物(以 HF 计)/×10-6≤ 矿物油/×10-6小于等于毒性小于等于 指标 99.8 0.05 0.05 8 0.3 1 10 生物试验无毒
由表可见，国际规定的水分为 8×10 重量比。比 IEC 规定的低。 纯净的 SF6 气体是无毒的。 检验方法是用 79%SF6 与 21%O2 混 作动物试验暴露 24h 后应无中毒症状。
　　6． SF6 气体的分解特性 SF6 气体的分解主要有三种情况：在电弧作用下的分解；在电晕、火花和局部放电下的分解；在高温下的 催化分解。 纯 SF6 无腐蚀，但其分解物遇水后会变成腐蚀性电解质，会对设备内部某些材料造成损害及运行故障。通 常使用的材料如铝、钢、铜、黄铜几乎不受侵蚀，但玻璃、瓷、绝缘纸及类似材料易受损害，而且与腐蚀 物质的含量有关。其他绝缘材料如环氧树脂、聚酯、聚乙烯、氧化聚甲烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯等所受 影响不大。 在这里,重要是设计时,一定要采取结构措施。 可以采用彻底排除潮气和采用合适的材料防止腐蚀。 清除运行中设备内的潮气和 SF6 分解物，可以用吸附剂将其减少到可接受的水平。为此，可采用氧化铝、 碱石灰、分子筛或它们的混合物。 处理从设备中取出的分解物，若是酸性成分可用碱性化合物生成硫化钙或氟化钙来降低。大多数固态反应 物不溶于水，或难溶解，但某些金属氟化物能同水反应成氢氟酸。因此，必须用氢氧化钙（石灰）去处理 固态分解物。
　　7． SF6 气体的替代气体 合， 即相当于以 SF6 取代空气中的 N2，
作为电力设备中 SF6 气体的替代气体，人们研究了许多气体，诸如空气、N2、CO2、H2、惰性气体（如 He、Ar 等）。其中作为灭弧与绝缘的气体，主要是 N2 和 CO2。SF6 气体、N2 和 CO2 的物理特性见表 6。 表 6SF6 气体、N2 和 CO2 的基本物理特性比较 项目 分子量 密度 地球温室效应系数 破坏臭氧层效应系数 毒性 化学稳定性 燃性 沸点(℃) 一个大气压下的绝缘强度(%) 燃弧时间常数(s)
SF6 146.06 5.9 23900 —— —— 稳定 无 -51 100(-) 0.8
N2 28.01 1.1 —— —— —— 稳定 无 -198 25(+) 220
CO2 44.01 1.8 1 —— —— 稳定 无 -78 34(-) 15
　　由表 6 可见，负极性雷电冲击电压 SF6 和 CO2 承受作用电压的量纲，而 N2 为正极性雷电冲击电压。若 取同一量纲下 SF6 和 CO2 压力比率为因数 KP，则对非均匀电场而言，KP≈3.5，对均匀电场而言，KP≈3。 这就是说，如果中压 SF6 断路器充气压力为 2~3bar，而充 CO2 的压力则为 6~10bar，才能达到同一性能。 由表 6 还可见，从温室效应看，若取 CO2 的全球变暖系数为 1，则 SF6 为 23900。也就是说，SF6 一个 分子对温室效应的影响是 CO2 的 23900 倍。但从宏观上看，CO2 排放量对温室效应的影响占 60%以上， 而 SF6 的排放量较小，仅占 0.1%。SF6 和 CO2 都是温室效应气体，而且 CO2 是造成温室效应的元凶。 从绝缘角度看，CO2 气体明显比 SF6 气体差。一个大气压下，CO2 气体的绝缘强度约为 SF6 三分之一 （34%）。但 CO2 与 N2 相比，在 0.9MPA 下 CO2 的 50%放电电压高出 N2 35%。 从灭弧角度看，以燃弧时间常数来评价。燃弧时间常数反映随电流变化的电弧电导瞬变速度。燃弧时间越 短，该气体的热开断性越好。CO2 的燃弧时间（15s）比 SF6（8s）长得多，但却比 N2（220 s）小 得多。 从沸点角度看，CO2 优于 SF6，SF6 为-51℃，而 CO2 为-78℃，即使在 0.1MPa/-40℃下 CO2 仍然保持 气体状态。 由以上分析可见，SF6 气体从全面看，是一种难得的具有优异灭弧和绝缘气体。迄今的研究表明，没有一 种气体可与 SF6 相媲美，有它那样优异的绝缘和灭弧性能。
　　8． SF6 混合气体 对于 SF6 混合气体研究最多的是 N2/SF6 混合气体。这种混合气体适用于绝缘。以下介绍国际大电网会议 这方面的研究。sf6气体回收装置，SF6检漏仪