高电压技术——六氟化硫气体讲解

LOGO六氟化硫气体临沂供电公司一、SF6气体物理性质SF6气体是无色、无臭、不燃、无毒的惰性气体，具有优良的绝缘性能，且不会老化变质。它的比重约为空气的5倍。在标准大气压下，－62度时液化。绝缘强度受电极影响大，在均匀电场中为空气的2到3倍，在3个大气压下绝缘强度与变压器油相当。在12个大气压下，0度时液化。这是它的物理性质。二、SF6气体化学性质SF6气体不溶于水和变压器油，在炽热的温度下，它与氧气、氩气、铝及其他许多物质不发生作用。但在电弧和电晕的作用下，SF6气体会分解，产生低氟化合物，这些化合物会引起绝缘材料的损坏，且这些低氟化合物是剧毒气体。SF6的分解反应与水分有很大关系，因此要有去潮措施。在电弧高温作用下，很少量的SF6会分解为有毒的SOF2、SO2F2、SF4和SOF4等，但在电弧过零值后，很快又再结合成SF6。因此，长期密封使用的SF6，虽经多次灭弧作用，也不会减少或变质。电弧分解物的多少与SF6中所含水份有关，因此，把水份控制在规定值下是十分重要的。常用活性氧化铝或活性炭、合成沸石等吸附剂，清除水分和电弧分解产物。SF6气体混入空气时，会使绝缘强度下降，因此断路器及其贮气设备应保持密封。三、SF6气体电气特性(1)SF6分子很容易吸附自由电子，形成负离子，具有较强的电负性。但在一定电场下，这些离子很难积累足够的能量导致气体电离。同时因为气体中的自由电子减少，还降低了这些电子容易使气体被击穿的危害。因此，SF6气体具有良好的绝缘性能，在均匀电场中SF6的绝缘强度比空气大2—3倍，在0.3Mpa压力下，绝缘强度超过变压器油。但在不均匀电场中，其绝缘强度会下降，因此六氟化硫断路器的部件多呈同心圆状，以使电场均匀。(2)SF6分子具有较强的电负性，使SF6具有强大的灭弧能力。因为SF6分子吸附自由电子后变为负离子，负离子容易和正离子复合形成中性分子，使电弧空间的导电性能很快消失。特别在电弧电流接近零值时，这种作用更加显著。如果例用SF6气体吹弧，使大量新鲜的SF6分子不断和电弧接触则灭弧更加迅速。由于SF6气体灭弧能力强，从导电电弧向绝缘体变化速度特别快，所以SF6断路器的开断电流大，开断时间短。在同一电压等级，同一开断电流和其它条件相同的条件下，SF6断路器的串联断口较少。（3）SF6气体是多原子的分子气体，在电弧高温下分解和电离的情况非常复杂。SF6气体中弧心部分导热率低，温度高，电导率大，其外焰部分导热率高，温度低，电导率小，所以电弧电流几乎集中在弧心部分。因此，在SF6气体中，可以看到很细、很亮的电弧，几乎看不到外焰部位。这也是SF6气体灭弧时间短的原因之一。当电弧电流减小趋近于零值时，SF6分子此时电负性显著，从而使电流保持连续，可使细小的弧心一直存在到极小的电流范围。SF6电弧的这种特点，使断路器开断小电流时，也不会由于截流作用而产生操作过电压。四、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，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。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。五、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。1、灭弧作用1）SF6的复合作用。SF6某些高温电弧产物，在消弧瞬间可能复合，剩余弧柱的介质强度可很快地恢复到某种程度的初始阶段。2）SF6的冷却作用。SF6为优良的冷却介质，其冷却散热的效果较好，可有效降低电弧温度，有利于电弧熄灭。3）SF6具有吸附电子的能力。A可减少电子密度，降低电导，促使电弧熄灭；B由于SF6-的离子迁移速度比电子慢，SF–与SF+易复合成SF6，也有利于电弧的熄灭。2、电弧分解产物1）SF6电弧分解产物的形成：1、热分解和热电离；2、涉及F与电极材料中的金属（铜、钨）蒸气的反应；3、SF6的分解产物与设备中微量水分等的反应，其产物较为复杂。随着温度增加，分解作用逐渐显著，SF6绝缘性能遭到破坏。有关反应的反应式举例如下：自身分解及金属的反应：SF6→SF4+F2;3SF6+W→3SF4+WF6(气体)；SF6+CU→SF4+CUF2(绝缘固体粉末)；水解反应：SF6+6H2O→2SO2+12HF+O2;SF6+H2O→SOF2+2HF;WF6+3H2O→6HF+WO3(绝缘固体粉末);SOF2+H2O→SO2+2HF;氧的作用：2SF4+O2→2SOF4;若氧和水同时存在，可生成含有氧氟化物（SOF）和HF等。TEXTTEXTTEXTTEXT2）SF6分解产物的危害A）气体分解产物。SO2、HF和SOF2等腐蚀金属及设备的有关部件，加速绝缘材料老化，降低SF6的电气性能，特别容易污染固体绝缘材料，使其延面闪络电压大为降低，导致其局部放电。B）固体分解产物。WO3、CUF2等固体产物，若沉淀在环氧树脂等固体绝缘材料表面，在SF6中微水作用下，可降低其沿面闪络电压。由此，长期的运行过程中，设备内部有一处相对微小局部放电可能会产生足够数量的腐蚀性物质，引起设备缺陷。C）水分的危害。设备内部的水分，可能由SF6和设备部件带入，或因密封不严，空气中的水汽侵入。侵入的水分会降低电气设备的绝缘性能，也会间接造成设备的腐蚀；分解产物的水解反应能阻碍SF6分解产物的复合，降低SF6的介质恢复强度，也增加了毒性及有害物质的组分和含量。六、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。七、SF6气体的毒性来源（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。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。（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。（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。（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。（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。为此〈电业安全工作规程〉（发电厂和变电所电气部分）特别规定，装有SF6设备的配电装置室和气体实验室必须保证SF6气体浓度小于1000ppm，除须装有强力通风装置外还必须能报警的氧量仪和SF6气体泄漏报警仪。八、SF6气体中水分的危害1、SF6气体中混杂的水分通常以水蒸汽形式存在。在较低温度下，水蒸汽可能凝结成露附着在零件表面，如附着在绝缘件表面就有可能产生沿面放电。实际上SF6开关设备的内绝缘事故主要是由SF6气体中水分凝露造成的。2、水分的危害更主要的是在电弧作用下SF6气体分解过程中产生反应。在电弧或电晕高温作用下，SF6将被分解为SF4，SO2F2(氟化硫酰)，SOF2(氟化亚硫酰)，HF和SO2等有毒物质。生成物HF(氢氟酸)是所有酸中腐蚀性最强的，SO2遇水会生成亚硫酸H2SO3，这也是有腐蚀性的物质。由此看来，如SF6气体中含有水分，不仅降低设备的绝缘强度，而且危害人体健康，因而控制SF6气体中水分含量是十分必要的。九、环境温度对SF6气体中水分含量的影响在对SF6断路器进行微水测量时发现，对同一台断路器，由于测量时环境温度不同，其测量结果相差很大，且微水测量值随环境温度的增高而增大。西安高压电器研究所也曾对SF6气体含水量与环境温度值的关系进行研究。认为：由于设备的零部件暴露在空气中吸收了空气中的水分，这些水分附着在材料表面或分子间隙内，由于这些零部件材质的含水量大于充入的SF6气体的含水量，于是它们便向SF6气体中排放。当温度增加时，零部件的水分放出量增加，使SF6气体的含水量增加。而当温度降低时，容器内壁以及零部件吸回一部分水分，使SF6气体的含水量降低。这就造成电器设备中SF6气体的含水量与环境温度有关。十、诊断SF6电气设备内部故障新技术1、SF6电气设备内部故障时绝缘材料分解产物的特征SF6气体和热固型环氧树脂有很好的热稳定性，只有当温度超过500℃后，才会开始分解；而匝层间用的聚乙烯薄膜其热解温度在200℃左右，因此，对于正常运行的SF6电气设备不会有SF6等绝缘材料的分解产物。对于断路器，虽在分、合时产生高温电弧，使SF6生成带电离子，但因其分、合速度极快，又有高效的灭弧功能，使带电离子又在瞬间得到复合成SF6,其复合率达99.9％以上，而热固型绝缘材料又远离电弧区,因此，正常运行的断路器中也没有SF6气体和固体绝缘材料的分解物。但若设备内部存在局部放电和严重过热性故障时，将使故障区域的固体绝缘材料和SF6气体发生分解，产生氟化物和硫化物。2、内部反应状