SF6 氣體與高壓開關(guān)設(shè)備的來歷與特性

　　Sf6 由法國兩位化學(xué)家于 1900 年合成，為自然界沒有的人造氣體。 從 20 世紀(jì) 60 年代起，SF6 被成功應(yīng)用到高壓開關(guān)設(shè)備作為絕緣和滅弧介質(zhì)。 SF6 除應(yīng)用在 SF6 高壓電氣開關(guān)設(shè)備外，還應(yīng)用在 SF6 變壓器、SF6 互感器、SF6 避雷器、SF6 充氣電 纜等高壓電器設(shè)備。 SF6 具有優(yōu)異的滅弧與絕緣性能。通過幾十年的應(yīng)用實(shí)踐證明，沒有任何一種其它介質(zhì)可以與之相媲美， 預(yù)計(jì)在今后幾十年中也無可替代。
第一節(jié) SF6 氣體的性能
　　1． 性能優(yōu)異的 SF6 氣體 SF6 氣體已有百年歷史，它是法國兩位化學(xué)家 Moissan 和 Lebeau 于 1900 年合成的，1947 年提供商用。 當(dāng)前 SF6 氣體主要用于電力工業(yè)中。SF6 氣體用于 4 種類型的電氣設(shè)備作為絕緣和/或滅弧：SF6 斷路器 及 GIS、SF6 負(fù)荷開關(guān)設(shè)備、SF6 絕緣輸電管線、SF6 變壓器及 SF6 絕緣變電站。從用氣量講，80%用于 高中壓電力設(shè)備。 SF6 氣體之所以適用于電力設(shè)備，主要有如下特性： 強(qiáng)電負(fù)性，具有優(yōu)異的滅弧性能； 絕緣強(qiáng)度高，在大氣壓下為空氣的 3 倍； 熱傳導(dǎo)性能好且易復(fù)合，特別是當(dāng) SF6 氣體由于放電或電弧作用出現(xiàn)離解時(shí)； 可在小的氣罐內(nèi)儲(chǔ)存，這是因?yàn)槭覝叵录痈邏毫σ滓夯?供氣方便，價(jià)格不貴且穩(wěn)定。
　　2． SF6 氣體的化學(xué)特性 SF6 氣體的主要化學(xué)性能見表 1。如上所述，SF6 是一種非常穩(wěn)定的且呈現(xiàn)惰性的氣體，它無色、無味、 無毒、不燃且不溶于水。它是最不活潑的已知?dú)怏w之一，而且在通常條件下，它不侵蝕與它接觸的物質(zhì)。
表 1 SF6 的主要化學(xué)特性 分子式 摩爾質(zhì)量 硫含量 氟含量 SF6 146.05g/mol 21.95%① 78.05%① 分子結(jié)構(gòu) 鍵 碰撞截面 分解溫度 在 6 個(gè)棱角上帶有氟原子的八面體 共價(jià)鍵 4.77A 500℃ ①均指質(zhì)量分?jǐn)?shù)
　　3． SF6 氣體的物理特性 SF6 是最重要的已知?dú)怏w之一。在通常條件下，它大約比空氣重 5 倍。在同空氣未充分混合的條件下，此 氣體有向低處積聚的傾向。靠對(duì)流和擴(kuò)散同空氣混合緩慢，但一經(jīng)混合，則不再分離。雖然 SF6 氣體的熱 導(dǎo)率低，但由于其粘度較低且密度較高，故總的熱導(dǎo)率好于空氣 25 倍。在輸配電設(shè)備中，SF6 通常的壓 力范圍在 0.1MPa 和 0.9MPa（絕對(duì)壓力）之間，此氣體的壓力溫度/密度特性示于圖 1 中。表 2 給出 SF6 主要物理特性。
　　表 2 在壓力 0.1MPa 和溫度 25℃下 SF6 的主要物理特性 密度 熱導(dǎo)率 臨界點(diǎn) 溫度 密度 壓力 聲速 折射率 生成熱 定壓比熱 狀態(tài)平衡 45.55℃ 730 ㎏/m 3.78MPa(絕緣氣壓) 136m/s 1.000783 -1221.66J/mol 96.60J/(molk) 見圖 1 6.14 ㎏/ m 0.013W/(mk)
　　4． SF6 氣體的電氣特性 SF6 氣體具有優(yōu)異的絕緣性能，是由于其分子的電負(fù)性。SF6 氣體具有吸附自由電子而構(gòu)成重離子的明顯 趨向。重離子的遷移率低，使之電子崩的發(fā)展很困難。 SF6 的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為空氣的 2.5~3 倍。在高壓開關(guān)設(shè)備中，SF6 氣體的工作壓力如為 0.6MPa，此時(shí)擊穿場(chǎng) 強(qiáng)高出 0.1MP a 時(shí)空氣的 10 倍。因此，使用 SF6 氣體的高壓開關(guān)設(shè)備，能大幅度地減小占地面積和體積。 空氣與 SF6 開關(guān)設(shè)備的占地面積之比為 30：1。 SF6 是一種具有優(yōu)異滅弧性能的氣體，這是因?yàn)樗碾x解溫度低，且離解能量大。 在 SF6 中，電流過零前的截流小，且由此避免了高的過電壓，這是由于電弧在 SF6 內(nèi)冷卻時(shí)直至相當(dāng)?shù)?的溫度，它仍導(dǎo)電。SF6 的主要電氣性能見表 3。 表 3SF6 的主要電氣特性
　　相對(duì)于壓力的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng) 在 25℃和 0.1 MPa 絕對(duì)氣壓下的相對(duì)介電常數(shù) 在 25℃和 0.1 MPa 絕對(duì)氣壓下的損耗因數(shù)(tanδ
89V/mPa 1.00204小于2×10-7 a=Ap(E/p-B) a1/m
有效電離系數(shù)
EV/m PPa A 2.8*10
　　5． SF6 氣體的純度 由于制造過程的緣故，市場(chǎng)上提供的 SF6 氣體不是很純的。IEC376 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定出 SF6 中最大允許的雜質(zhì)水 平見表 4。 表 4 新 SF6 中最大允許的雜質(zhì)水平 雜質(zhì) CF4 O2+N2 水 酸度(以 HF 表示) 水解氟化物(以 HF 表示) 最大允許值 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
純 SF6 氣體無毒，在生物學(xué)上不活潑。用動(dòng)物和人進(jìn)行試驗(yàn)表明，當(dāng)存在直至 80%SF6 和 20%O2 時(shí)，沒 有感受不良的影響。 因此，當(dāng)大氣中含有較高比例的 SF6 時(shí)，對(duì)于工作人員每天工作 8 小時(shí)，每周工作 5 天的場(chǎng)所，規(guī)定最大 含量為 1000×10-6。 對(duì) SF6 氣體而言，這個(gè)界限值要低于危險(xiǎn)水平兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。 新 SF6 氣體對(duì)健康無生態(tài)中毒、致變和致癌（既無基因中毒，也無后天生成）的作用。 SF6 在標(biāo)準(zhǔn)條件下無色、無味、無毒性，不會(huì)燃燒，化學(xué)性能穩(wěn)定，不與其他材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。SF6 氣 體既不燃燒，又不助燃，且有良好的絕緣性能，是一種很理想的滅弧和絕緣介質(zhì)。 SF6 分子量較大，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，溫度 273K 時(shí)，密度為 6.14KG/m3，約為空氣質(zhì)量的 5 倍，分子量為 146.05g/mal，其中含硫 21.95%，含氟 78.05%。同樣體積和壓力的 SF6 比空氣重得多，所以純 SF6 氣體 本身雖無毒，但有窒息作用。SF6 氣體本身是不導(dǎo)電的絕緣介質(zhì)，它的一個(gè)重要特點(diǎn)是電場(chǎng)均勻性對(duì)擊穿 電壓的影響遠(yuǎn)比大氣壓下的空氣大，與高氣壓下空氣的擊穿特性相近。用于斷路器中的 SF6 氣體應(yīng)保證其
　　純度，嚴(yán)格控制水分和雜質(zhì)含量。我國標(biāo)準(zhǔn) GB12022 規(guī)定 SF6 純度為大于等于99.8%。在我國，SF6 氣體必須滿 足 GB12022 標(biāo)準(zhǔn)要求，見表 5。 表 5SF6 氣體標(biāo)準(zhǔn) 指標(biāo)名稱 六氟化硫(SF6)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%大于等于 空氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%小于等于四氟化碳(CF4)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%小于等于水分(H2O)/×10-6≤ 酸度(以 HF 計(jì))/×10-6≤ 可水解氟化物(以 HF 計(jì))/×10-6≤ 礦物油/×10-6小于等于毒性小于等于 指標(biāo) 99.8 0.05 0.05 8 0.3 1 10 生物試驗(yàn)無毒
由表可見，國際規(guī)定的水分為 8×10 重量比。比 IEC 規(guī)定的低。 純凈的 SF6 氣體是無毒的。 檢驗(yàn)方法是用 79%SF6 與 21%O2 混 作動(dòng)物試驗(yàn)暴露 24h 后應(yīng)無中毒癥狀。
　　6． SF6 氣體的分解特性 SF6 氣體的分解主要有三種情況：在電弧作用下的分解；在電暈、火花和局部放電下的分解；在高溫下的 催化分解。 純 SF6 無腐蝕，但其分解物遇水后會(huì)變成腐蝕性電解質(zhì)，會(huì)對(duì)設(shè)備內(nèi)部某些材料造成損害及運(yùn)行故障。通 常使用的材料如鋁、鋼、銅、黃銅幾乎不受侵蝕，但玻璃、瓷、絕緣紙及類似材料易受損害，而且與腐蝕 物質(zhì)的含量有關(guān)。其他絕緣材料如環(huán)氧樹脂、聚酯、聚乙烯、氧化聚甲烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯等所受 影響不大。 在這里,重要是設(shè)計(jì)時(shí),一定要采取結(jié)構(gòu)措施。 可以采用徹底排除潮氣和采用合適的材料防止腐蝕。 清除運(yùn)行中設(shè)備內(nèi)的潮氣和 SF6 分解物，可以用吸附劑將其減少到可接受的水平。為此，可采用氧化鋁、 堿石灰、分子篩或它們的混合物。 處理從設(shè)備中取出的分解物，若是酸性成分可用堿性化合物生成硫化鈣或氟化鈣來降低。大多數(shù)固態(tài)反應(yīng) 物不溶于水，或難溶解，但某些金屬氟化物能同水反應(yīng)成氫氟酸。因此，必須用氫氧化鈣（石灰）去處理 固態(tài)分解物。
　　7． SF6 氣體的替代氣體 合， 即相當(dāng)于以 SF6 取代空氣中的 N2，
作為電力設(shè)備中 SF6 氣體的替代氣體，人們研究了許多氣體，諸如空氣、N2、CO2、H2、惰性氣體（如 He、Ar 等）。其中作為滅弧與絕緣的氣體，主要是 N2 和 CO2。SF6 氣體、N2 和 CO2 的物理特性見表 6。 表 6SF6 氣體、N2 和 CO2 的基本物理特性比較 項(xiàng)目 分子量 密度 地球溫室效應(yīng)系數(shù) 破壞臭氧層效應(yīng)系數(shù) 毒性 化學(xué)穩(wěn)定性 燃性 沸點(diǎn)(℃) 一個(gè)大氣壓下的絕緣強(qiáng)度(%) 燃弧時(shí)間常數(shù)(s)
SF6 146.06 5.9 23900 —— —— 穩(wěn)定 無 -51 100(-) 0.8
N2 28.01 1.1 —— —— —— 穩(wěn)定 無 -198 25(+) 220
CO2 44.01 1.8 1 —— —— 穩(wěn)定 無 -78 34(-) 15
　　由表 6 可見，負(fù)極性雷電沖擊電壓 SF6 和 CO2 承受作用電壓的量綱，而 N2 為正極性雷電沖擊電壓。若 取同一量綱下 SF6 和 CO2 壓力比率為因數(shù) KP，則對(duì)非均勻電場(chǎng)而言，KP≈3.5，對(duì)均勻電場(chǎng)而言，KP≈3。 這就是說，如果中壓 SF6 斷路器充氣壓力為 2~3bar，而充 CO2 的壓力則為 6~10bar，才能達(dá)到同一性能。 由表 6 還可見，從溫室效應(yīng)看，若取 CO2 的全球變暖系數(shù)為 1，則 SF6 為 23900。也就是說，SF6 一個(gè) 分子對(duì)溫室效應(yīng)的影響是 CO2 的 23900 倍。但從宏觀上看，CO2 排放量對(duì)溫室效應(yīng)的影響占 60%以上， 而 SF6 的排放量較小，僅占 0.1%。SF6 和 CO2 都是溫室效應(yīng)氣體，而且 CO2 是造成溫室效應(yīng)的元兇。 從絕緣角度看，CO2 氣體明顯比 SF6 氣體差。一個(gè)大氣壓下，CO2 氣體的絕緣強(qiáng)度約為 SF6 三分之一 （34%）。但 CO2 與 N2 相比，在 0.9MPA 下 CO2 的 50%放電電壓高出 N2 35%。 從滅弧角度看，以燃弧時(shí)間常數(shù)來評(píng)價(jià)。燃弧時(shí)間常數(shù)反映隨電流變化的電弧電導(dǎo)瞬變速度。燃弧時(shí)間越 短，該氣體的熱開斷性越好。CO2 的燃弧時(shí)間（15s）比 SF6（8s）長得多，但卻比 N2（220 s）小 得多。 從沸點(diǎn)角度看，CO2 優(yōu)于 SF6，SF6 為-51℃，而 CO2 為-78℃，即使在 0.1MPa/-40℃下 CO2 仍然保持 氣體狀態(tài)。 由以上分析可見，SF6 氣體從全面看，是一種難得的具有優(yōu)異滅弧和絕緣氣體。迄今的研究表明，沒有一 種氣體可與 SF6 相媲美，有它那樣優(yōu)異的絕緣和滅弧性能。
　　8． SF6 混合氣體 對(duì)于 SF6 混合氣體研究最多的是 N2/SF6 混合氣體。這種混合氣體適用于絕緣。以下介紹國際大電網(wǎng)會(huì)議 這方面的研究。sf6氣體回收裝置，SF6檢漏儀