Sf6使用的歷史不長,雖然這種氣體早在本世紀初就已被發現,但在電器上使用是 50 年代開始的,七十年代以后大量使用而且發展為全封閉式組合電器,成為超高壓等級 電力斷路器的最主要的品種.
自1900 年法國化學家摩森(H.Moissan)和李博(P.Lebeau)在實驗室中將硫在氟氣中 燃燒以制備六氟化硫(SF6)氣體以來,人們已從中收益非淺.因純 SF6 氣體的化學穩 定性,早期用于進行人工氣胸治療肺結核空洞;同時因其優異的絕緣和滅弧性能也倍 受人們的關注.從 1940 年作為絕緣介質開始,迄今已被廣泛地應用在電力設備中,如 高壓斷路器,變壓器,互感氣,電容器,避雷器,接觸器,熔斷器,管道母等.隨著 SF6 氣體使用量的增加,范圍的擴大,正確的使用和管理 SF6 氣體,保護好我們賴以生 存的環境及人身安全等問題被提到了重要的議事日程上來.
SF6 是一種分子量很大的重氣體,容易液化,因此與理想氣體模型差異較大,用理想 氣體的狀態方程式來計算,在高壓力,低溫度下會產生很大的誤差.例如 在 20℃(293K)下,SF6 氣體壓力與密度的關系與理想氣體之比較如下圖.在氣體密 度增加時,實際壓力值要比理想的低.出現這個差異的原因在于 SF6 分子的體積大, 當空間容積縮小時,分子間距離減小,吸力增大,使分子與容器器壁間的作用力減弱 ,即氣體壓力值降低.
SF6 的絕緣特性 SF6 具有優良的絕緣性能,這是它最早被用于電力設備的原因.例如,0.3MPa 壓力的 SF6 氣體的絕緣強度就可能達到變壓器油的水平,而壓縮空氣同樣的絕緣強度要 0.6— 0.7MPa.因此,早在四十年代 SF6 就開始用于電纜,高壓靜電發生器中,后來才用到 開關中,現在又在變壓器和高壓互感器中應用.SF6 用在全封閉的組合電器中,取代 敞開式分立電器的空氣絕緣,使傳統的變電站設備構造發生了革命性的變化,這就是 SF6 絕緣性能所顯示出的優越性.
SF6 氣體的高絕緣強度是由鹵族化合物的負電性,即對電子的吸附能力造成的. 鹵族元素中又以 F 元素的負電性最強,它的化合物 SF6 仍有強負電性.在溫度不太高的 情況下(108K 以下) ,產生 SF6+e→SF6— 的反應,生成負離子;使空間的自由電子 減少,而負離子的活潑性差,抑制了空間游離過程的發展,擊穿不易形成,因此絕緣 強度大大提高
SF6 氣體的絕緣強度在不均勻的電場中要降低,這一點在設計與使用中應該引起 注意.隨著電場不均勻程度的增大,擊穿場強下降,作為均勻電場的間隙擊穿電壓巴 申定律,即擊穿電壓(UK)與氣壓間隙乘積(pd)成正比,只能在很小范圍內符合.
試驗數據證明,在 1—25mm 間隙內,只有電場強度 20KV/mm 以下才符合巴申定律 .因此,不能簡單地靠增大間隙來提高擊穿電壓,而應該注意改善結構的電場均勻性 .
SF6 氣體絕緣特性還受雜質和電極表面狀況影響很大.充入電氣設備的氣體如混 雜了金屬細屑,絕緣擊穿電壓將顯著下降.這種影響在工作氣壓越高時越顯著,金屬 細屑的尺寸越大絕緣強度降低越多.所以在實際加工裝配或檢修工作中注意清潔條件是很重要的.
電極表面如粗糙不平,局部電場增強,對絕緣強度下降影響也很大,加工光潔 度高的表面要比粗糙表面的絕緣強度高.由于表面缺陷,凸起的出現呈隨機性質,這 種局部電場增強效應也具隨機性,對于面積越大的電極,局部放電的幾率也越大.這 就表現為絕緣強度隨電極表面積增大而下降,并漸趨于一個穩定值. 金屬屑末和電極表面突起造成的絕緣弱點可以通過老練加以改善.老練就是對 氣體間隙進行多次重復放電,通過放電燃燒缺陷(雜質,凸起) ,是間隙的擊穿電壓 提高.此外,也可以采用在電極表面覆蓋絕緣薄層的方法來提高絕緣強度. 2,SF6 的導熱性能 作為電器的絕緣介質,導熱性要好,以避免溫升過高.
SF6 氣體的熱導率是不高的, 比空氣低 1/3.這個參數表示,由于空間分子間的碰撞傳遞動能而形成的傳熱能 力,SF6 不如空氣.但是,實際氣體的傳熱過程主要是對流傳熱,即由于分子的流動 ,攜帶熱量轉移,SF6 分子量大,比熱也大,對流傳熱能力要優于空氣.兩個大氣壓 的 SF6 的對流傳熱能力與變壓器油相同. 作為滅弧介質,在高溫條件下工作,SF6 有更為優越的特性.高溫條件下的氣體的傳 熱過程還多了一個反應能的傳遞,即由于質點的擴散,流動攜帶電離或分解能,在空 間形成傳熱.這個傳熱特性與氣體的分解,離解特性有關,SF6 分子在 2000K 附近高溫 下大部分被分解成 S,F 元素或低氟化硫,分解反應吸收能量;在 6000K 以上形成離解 高峰,產生大量電子,離子,也吸收能量.因此,在上述兩個反應高峰溫度附近,就 形成熱導率的高峰,而主要成分為氮氣的空氣的分解導熱高峰出現在 7000K—8000K 附 近.SF6 的導熱高峰溫度處于弧柱導電區外沿,對熄弧過程是十分有利的.
SF6 的化學特性SF6 是一種常溫下十分穩定的化合物,不易分解,變質.在空氣中不燃燒,不助燃, 與水,強堿,氨,鹽酸,硫酸等不反應;在低于 150℃時,SF6 氣體呈化學惰性,極少 熔于水,微熔于醇.對電器設備中常用的金屬及其它有機材料不發生化學作用在大氣 壓下,至少在 500℃以下保持高度的化學穩定性,與金屬材料,絕緣材料反應極微; 只是在 600℃以上才有較強烈的分解,產生低氟化合物,有強烈的腐蝕性.從電工設 備方面應用來說,至少在 E 級絕緣水平下是可以安全使用的 在高溫下,例如在電弧或電暈放電作用下,SF6 將分解成 S 和 F 原子,這些原子在高 溫下降時大部分可以復合成 SF6 分子,但是在其他成分的參與下,如 H2O,Cu,W 等, 產生金屬氟化物和硫的低氟化物,主要反應有: 4SF6+Cu+W→4SF4+CuF2+WF6 2SF6+Cu+W→2SF2+CuF2+WF6 在水分參與下,還會生成有嚴重腐蝕性的 HF: SF4+H2O→SOF2+2HF SOF2+H2O→SO2+2HF(劇毒) 這些分解物中,HF ,SO2, SF4, SF2 等對絕緣材料金屬材料有很大的腐蝕作用. 由上列分解反應可見,水分起了很壞的作用,是產生腐蝕性,毒性的主要促成 劑.控制 SF6 氣體中的含水量是氣體質量控制的主要指標,有關的標準都作了規定, 如國際電工協會(IEC)規定,SF6 新氣中水分含量不得高于 15ppm(重量比) .必須 指出,在各種氟化物中,絕大多數都是有毒甚至劇毒物.上述各分解反應物也是如此 ,因此在 SF6 電器設備的使用中安全問題應給予充分重視. 裝設吸附劑是個重要方法,活性氧化鋁,活性炭及分子篩都是應用效果較好的 吸附劑,它們對吸附水分是有效的.
用于電器內部的結構材料應該盡量避免還有硅元素,如 SiO2,陶瓷,玻璃等, 因為 F,HF 分解物對 Si 有強烈的腐蝕作用.聚四氟乙烯,以氧化鋁為填料的環氧樹脂 等是比較好的材料. 4,SF6 的滅弧特性 氣體中的電弧是通過分子游離而形成的導電現象,電弧放電通道中主要是熱游離方式 , 氣體溫度在 4000—6000K 以上時就開始出現熱游離導電現象,SF6 和空氣的電導率隨溫 度的變化特性差異并不大,在 4000K 以下沒有明顯的游離,但在電弧的電極金屬蒸氣 參與下,實際的熱游離起始溫度降低到 3000K 左右,因此開關電弧的導電下限溫度一 般在 3000K 附近. 電弧的熄滅過程就是弧隙游離產物(離子,電子)的復合,消游離,使間隙恢 復到絕緣介質狀態的過程,這主要通過冷卻降溫,使電導率降低,消失.表示電導減 小的速度常用電弧的時間常數來說明,電弧時間常數越小,表明弧柱溫度或熱量變化 越小,滅弧能力越強. SF6 的導熱能力隨溫度的變化特性是她它具有優異熄弧能力特性的重要原因.如 前所述,開關電弧以 3000K 為導電界限溫度,電流集中在高于 3000K 以上的"弧芯"區 內,外圍的低溫區稱為"弧焰區" .SF6 氣體在 3000K 以上的導熱率低,2000K 附近的 導熱率特別高,從徑向熱平衡考慮,弧焰區的散熱良好,溫度低,而弧芯區則導熱差 ,溫度高,形成直徑細的密集導電區.相對來講,空氣電弧的弧芯直徑就比 SF6 電弧 的大.隨著電流瞬時值的減小,SF6 電弧的弧芯直徑也逐漸減小,這種纖細型的弧芯 結構可以維持到很小的電流值(1A 以下) .電弧的時間常數與弧芯截面面積∏R2 成正 比,即Θ=C∏R2(C 為常數) ,因此,在電流零點附近,電弧時間常數很小,或者說,殘余弧柱截面很小,這對于弧后介質強度的恢復是十分有利的. 當整個弧柱溫度都降到導電溫度(3000K)以下時,由于 SF6 氣體的導熱高峰, 是溫度下降速度很快,介質強度恢復迅速. 此外,SF6 氣體的負電性也是形成優異滅弧性能的另一因素.在弧焰區和弧后恢 復階段,負電性起很重要作用,他使弧隙自由電子減少,電導率下降,介質溫度提高 .因此在滅弧室中應提供新鮮的氣體,盡可能增加 SF6 氣體與弧柱的接觸,以增強吸 附的過程. 6,SF6 氣體的毒性來源 從有關部門的試驗及研究結果可知,SF6 氣體的毒性主要來自 5 個方面. (1)SF6 產品不純,出廠時含高毒性的低氟化硫,氟化氫等有毒氣體.大家知道,目 前化工行業制造 SF6 氣體的方法主要是采用單質硫磺與過量氣態氟直接化合反應而成 ;即 S+3F2→SF6+Q(放出熱量) .在合成的粗品中含有多種雜質,其雜質的組成和含量因 原材料的純度,生產設備的材質,工藝條件等因素的影響而有很大差異,雜質總含量 可達 5%.其組成有硫氟化合物,如:S2,F2,SF2,SF4,S2F10O 等;硫氟氧化合物 如 SOF2,SO2F2,SOF4,S2F10O 等以及原料中帶入的雜質如 HF,OF2,CF4,N2,O2 等 .為了凈化粗品中的雜質,合成后的 SF6 氣體還需要經過水洗,堿洗,熱解(去除劇 毒的十氟化物) ,干燥,吸附,冷凍,蒸餾提純等一系列凈化處理過程才能得到純度 在 99.8%以上的產品.然后再用壓縮機加壓,充入降溫至-80℃左右的鋼瓶中,以液態 形式存在.在使用時減壓放出,呈氣態沖入電氣設備中. 除在上面的合成過程中產生的雜質外,另外,在氣體的充裝過程中還可能混入少 量的空氣,水分,和礦物油等雜質,這些雜質均帶有或會產生一定的毒性物質.因此 ,為保證 SF6 產品的純度和質量,對出廠的 SF6 產品國際電工委員會(IEC)及許多國家均制定了質量標準,并要求生產廠家在供貨時提供生物試驗無毒證明書. (2)電器設備內的 SF6 氣體在高溫電弧發生作用時而產生的某些有毒產物. 例如:SF6 氣體在電弧中的分解和與氧的反應: 2SF6 + O2 →2SOF2 + 8F(氟化亞硫酰) 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)電器設備內的 SF6 氣體分解物與其內的水分發生化學反應而生成某些有毒產 物. 例如:SF6 氣體分解物與水的繼發性反應: SF4 + H2O →SOF2 + 2HF(氫氟酸) SOF4 + H2O →SO2F2 + 2HF(氫氟酸) SOF2 + H2O → SO2 + 2HF(二氧化硫) SO2F2 + 2H2O → H2SO4 + 2HF(硫酸) (4)電器設備內的 SF6 氣體及分解物與電極(Cu-W 合金)及金屬材料(AL,Cu )反應而生成某些有毒產物. 例如:SF6 氣體及分解物與電極或其它材料反應: 3SF6 + W → WF6(氣態)+ 3SF4 3F + AL →ALF3(固態粉末) 3SOF2 + AL2O3 →2ALF3(固態粉末)+ 3SO2 SF6 + Cu →CuF2(固態粉末) + SF6 4SF6 + W + Cu →2S2F2(氣態)+3WF6(氣態)+ CuF2(固態粉末) (5)電器設備內的 SF6 氣體及分解物與絕緣材料反應而生成某些有毒產物.如與 含有硅成分的環氧酚醛玻璃絲布板(棒,管)等絕緣件;或以石英砂,玻璃作填料的 環氧樹脂澆注件,模壓件以及瓷瓶,硅橡膠,硅脂等起化學作用,
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