斷路器專用六氟化硫（SF6）氣體的特性
斷路器專用六氟化硫（SF6）氣體的特性
六氟化硫氣體具有良好的絕緣和滅弧性能，使SF6斷路器具有如下如下優(yōu)點(diǎn)：開斷能力強(qiáng)、斷口電壓便于做得很高、允許連續(xù)斷開次數(shù)較多。適用于頻繁操作、噪音小，無火災(zāi)危險，機(jī)電磨損小等條件是一種性能優(yōu)異的“無維修”斷路器。在高壓電網(wǎng)中應(yīng)用越來越多。
純凈的SF6氣體是具有良好的滅弧介質(zhì)，若用于頻繁操作的低壓電器中，由于頻繁操作的電弧作用，金屬蒸氣與SF6氣體分解物起反應(yīng)，結(jié)合而生成絕緣性很好的細(xì)粉末（氫氟酸鹽、硫基酸鹽等），沉積在觸頭表面，并嚴(yán)重腐蝕觸頭材料，從而使接觸電阻急劇增加，使充有SF6氣體的密封觸頭不能可靠的工作。因此對于頻繁操作的低壓電器不宜用SF6做滅弧介質(zhì)。
因?yàn)镾F6氣體在放電時的高溫下會分解出有腐蝕性的氣體，對鋁合金有嚴(yán)重的腐蝕作用，對酚醛樹脂層壓材料、瓷絕緣也有損害。若把SF6和N2混合使用，當(dāng)SF6 量超過20%~30%時，其絕緣強(qiáng)度已和全充SF6時絕緣強(qiáng)度相同，而腐蝕性又大大減少，因此SF6?；旌螻2使用。
在SF6斷路器中，SF6氣體的含水量必須嚴(yán)格規(guī)定不能超過標(biāo)準(zhǔn)。水分會與電弧分解物中的SF4產(chǎn)生氫氟酸（H2O+SOF2+2HF）而腐蝕材料，當(dāng)水分含量達(dá)到飽和時，還會在絕緣件表面凝露，使絕緣強(qiáng)度顯著降低，甚至引起沿面放電。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及上述分析都表明：SF6斷路器由于絕緣結(jié)構(gòu)體積較小，若SF6氣體的含水量較高，則將使絕緣水平大大下降，接觸電阻急劇增加，在運(yùn)行中已發(fā)生損壞或爆炸事故。因此各制造廠及運(yùn)行部門都要求有嚴(yán)格的密封工藝，同時規(guī)定SF6氣體的含水量不得超過標(biāo)準(zhǔn)。我國的標(biāo)準(zhǔn)是SF6氣體的含水量應(yīng)小于300ppm（容積比）.
SF6斷路器以SF6氣體為滅弧介質(zhì)，在正常情況下，SF6是一種不燃、無臭、無毒的惰性氣體，密度約為空氣的2倍。但SF6氣體在電弧作用下，小部分會被分解，生成一些有毒的低氟化物，如SOF2、SF4、SOF4和SO2P2等。對人體健康有影響，對金屬部件也有腐蝕和劣化作用。因此，在SF6斷路器中，一般均裝有吸附裝置，吸附劑為活性氧化鋁活性炭和分子篩等。吸附裝置可完全吸附SF6氣體在電弧在高溫下分解生成的毒質(zhì)。
一、SF6氣體的物理特性
SF6作為一種絕緣氣體，具有很多優(yōu)點(diǎn)，是一種無色、無味、無毒、不可燃的惰性氣體，并有優(yōu)異的冷卻電弧特性，特別是在開關(guān)設(shè)備有電弧高溫的作用下產(chǎn)生較高的冷卻效應(yīng)，避免局部高溫的可能性。SF6的絕緣性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的油、空氣絕緣介質(zhì)。其用于電氣設(shè)備中，可以縮小設(shè)備的尺寸，提高設(shè)備絕緣的可靠性。其缺點(diǎn)是在電弧放電時，分解形成硫的低氟化合物，不但有毒，且對某些絕緣材料和金屬具有腐蝕作用。
SF6是一種比較重的氣體，在相同條件下，其密度是空氣的5倍，其壓力與溫度的關(guān)系遵循理想氣體定律。臨界溫度是SF6氣體出現(xiàn)液化的最高溫度，臨界壓力表示在這個溫度下出現(xiàn)液化所需的氣體壓力。SF6只有在溫度高于45℃以上時，才能保持氣態(tài)，在通常使用條件下，它有液化的可能性，因此SF6不能在過低溫度和過低壓力下使用。
SF6的優(yōu)良導(dǎo)熱性能，是形成SF6滅弧性能的原因之一。SF6的導(dǎo)熱性好可歸結(jié)為兩種原因，一是SF6的分子量大，比熱大，其對流的傳熱能力優(yōu)于空氣，二是在高溫下產(chǎn)生的冷卻效應(yīng)。
二、SF6氣體的化學(xué)效應(yīng)
SF6氣體本身的化學(xué)效應(yīng)是非常穩(wěn)定的，并且有著非常高的絕緣強(qiáng)度。在大氣壓力下和溫度至少在500℃以內(nèi)，SF6具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，在正常溫度范圍內(nèi)，其與電氣設(shè)備中常用的金屬是毫無反應(yīng)的。SF6分解的危險溫度是600℃左右，此時SF6分解形成硫的低氟化合物，因此，SF6至少在電氣設(shè)備的A級絕緣溫度，即105℃以內(nèi)是相當(dāng)穩(wěn)定的。
三、SF6氣體的電氣特性
SF6是一種具有高介電強(qiáng)度的介質(zhì)。在均勻電場下，SF6的介電強(qiáng)度約為同一氣壓下空氣的2、5~3倍，在3個大氣壓下其介電強(qiáng)度與變壓器油相當(dāng)。實(shí)踐證明：在空氣摻入少量六氟化硫氣體，空氣的絕緣強(qiáng)度顯著提高；相反，在六氟化硫氣體中加入少量的空氣則六氟化硫氣體的絕緣強(qiáng)度也會明顯下降。由于SF6的介電強(qiáng)度高，因此，在對相同電壓等級和和開斷電流相近的斷路器，SF6的串聯(lián)斷口數(shù)要少，例如我國研制的ＬＲ－２２０型SF6斷路器，單斷口電壓為220KV；又如500KV的少油斷路器為6~8個斷口，而SF6斷路器只有3~4個斷口。SF6的電暈起始電壓比空氣高得多，介電強(qiáng)度與所加電壓的頻率無關(guān)，但是應(yīng)該引起注意的是電場均勻性、雜質(zhì)、電極的形狀和不規(guī)則性等，對SF6的介電強(qiáng)度均有一定強(qiáng)度。SF6氣體中的水分對絕緣將發(fā)生影響。SF6中所含水分超過一定濃度時使SF6在溫度達(dá)200℃以上就可能產(chǎn)生分解，分解的生成物中有氫氟酸，這是一種有強(qiáng)腐蝕性和劇毒的酸類。此外，水分的凝結(jié)對沿邊絕緣也有害的。因此，在SF6的電氣設(shè)備中，應(yīng)嚴(yán)格控制水分的含量。
四、SF6氣體的濕度監(jiān)控
運(yùn)行中電氣設(shè)備的SF6氣體濕度檢測是非常重要的。氣體濕度的高低對電氣設(shè)備的滅弧性能、絕緣強(qiáng)度以及電氣設(shè)備的壽命影響很大。斷路器隔室SF6氣體濕度要求較嚴(yán)，這主要考慮到滅弧隔室在滅弧時產(chǎn)生高溫，高溫下SF6氣體易分解或與氣體中水分等雜質(zhì)合成一些有毒或腐蝕性化學(xué)物。如四氟化硫、二氧化硫、氧化亞硫酸等，腐蝕性物質(zhì)明顯會腐蝕滅弧室內(nèi)的金屬元件，增大主觸頭的接觸電阻和縮短使用壽命。
五、密度及壓力的監(jiān)視
目前，SF6電氣設(shè)備的氣體監(jiān)視多采用帶溫度補(bǔ)償，具有兩級報警的壓力表，也有一些采用密度監(jiān)視繼電器，少數(shù)只采用壓力表。這三種監(jiān)視手段當(dāng)然首選具有報警功能的壓力表。下面分別討論這三種監(jiān)視方法的日常管理措施。
（1） 對于溫度補(bǔ)償、具有報警接點(diǎn)的壓力表，應(yīng)每月進(jìn)行一次壓力表讀數(shù)記錄，并分析記錄結(jié)果，防止由于報警回路失靈而失去監(jiān)視。
（2） 密度監(jiān)視繼電器由于不能觀察到壓力值，若密度繼電器或其報警回路有異常，則不能起到密度監(jiān)視作用，如果產(chǎn)生氣體泄漏將會引起嚴(yán)重后果。補(bǔ)償措施是定期（半年或一年）采用外接壓力表測量每一個隔室的壓力，根據(jù)溫度壓力曲線或歷史數(shù)據(jù)判斷隔室是否漏氣。
（3） 只采用壓力表監(jiān)視SF6設(shè)備，應(yīng)每天進(jìn)行一次巡視，觀察壓力表數(shù)值，每周進(jìn)行一次壓力表讀數(shù)記錄并根據(jù)壓力表曲線判斷是否正常。
（4） 根據(jù)有關(guān)規(guī)程運(yùn)行中的SF6氣體監(jiān)視儀表必須每3~5年進(jìn)行一次效驗(yàn)，對于報警回路的檢查，可結(jié)合二次設(shè)備定期檢驗(yàn)進(jìn)行。
六、補(bǔ)充氣及查漏
1、補(bǔ)充氣
SF6設(shè)備發(fā)生漏氣是不可避免的，按有關(guān)規(guī)定，SF6設(shè)備單個隔室年泄漏量應(yīng)小于1%,以此泄漏量計(jì)算，該隔室第一級報警需補(bǔ)氣的時間約為7年，若在7年內(nèi)發(fā)生漏氣報警，說明該格式的密封程度不合格。當(dāng)SF6設(shè)備發(fā)生氣體泄漏時，應(yīng)立即進(jìn)行補(bǔ)充氣，一般情況下，補(bǔ)充氣不需SF6設(shè)備停電，補(bǔ)充氣過程要注意如下幾點(diǎn)：
（1） 充入的氣體首先要進(jìn)檢驗(yàn)合格。充氣小車管道最好抽真空，條件不允許情況下也要用合格的SF6氣體沖管道2~3次。
（2） 環(huán)境濕度高低對補(bǔ)氣影響不大，但操作過程要注意充氣接口的清潔。濕度高的情況下可用電熱吹風(fēng)對接口處進(jìn)行干燥。
（3） 充氣前，最好調(diào)節(jié)充氣壓力與設(shè)備內(nèi)SF6氣體的壓力基本一致，再接入充氣接口，充氣氣壓應(yīng)小于100 kPa為佳。禁止不經(jīng)減壓閥而直接用高壓充氣。
（4） 充入設(shè)備內(nèi)的氣體壓力應(yīng)稍高于規(guī)定壓力，以補(bǔ)充今后氣體濕度測量所消耗的氣體量。補(bǔ)充氣的重量也要作好記錄，便于統(tǒng)計(jì)分析。
2、查漏
SF設(shè)備發(fā)生大量泄漏的現(xiàn)象極少見。若隔室發(fā)生補(bǔ)充氣報警后，又在30min內(nèi)出現(xiàn)緊急隔離報警，或明顯聽到氣體泄漏聲音，說明隔室發(fā)生嚴(yán)重漏氣，應(yīng)采取緊急措施進(jìn)行隔離。大多數(shù)情況下，SF6設(shè)備都發(fā)生輕微泄露的。因此，在進(jìn)行補(bǔ)充氣后應(yīng)立即開展查漏工作。查漏過程要注意如下幾點(diǎn)：
(1)、查漏工作要確保人生安全，保持安全距離，加強(qiáng)監(jiān)護(hù)。必要時要把設(shè)備停電后在進(jìn)行查漏工作。
(2)、沒有檢漏儀時，可用發(fā)泡液（肥皂、洗發(fā)精）進(jìn)行查漏。嚴(yán)禁用含有腐蝕性的發(fā)泡液。發(fā)泡方法靈敏度不高，大體上只能發(fā)現(xiàn)0、1mL／min以上程度的漏氣量。
(3)、在大風(fēng)的環(huán)境中或極微量漏氣時，可采用收集法，即用密閉袋把懷疑部分包扎起來，待一定時間后再使用檢漏儀測量袋內(nèi)SF6氣體的濃度。
七、對SF6氣體的毒性進(jìn)行安全防護(hù)。
純凈的SF6氣體是無毒的，但在水分、氧的條件下，電弧的作用時分解出有毒氣體。SF6的毒性主要是與分解物SF2、S2F2、S2F10和FH等有關(guān)，其中S2F10被公認(rèn)為劇毒物質(zhì)。為了除去這些有毒物質(zhì)，廣泛采用氧化鋁和活性碳等吸附劑。
但是，由于SF6的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣密度，所以，低凹地區(qū)的氧氣可以為SF6所取代，也會因窒息而發(fā)生危險。
六氟化硫氣體的特點(diǎn)
物理特性： SF6氣體是一種無色、無味、無毒和不可燃且透明的氣體，在通常情況下有液化的可能性，在45攝氏度以上才能保持氣態(tài)。在均勻電場下，其絕緣性是空氣的3倍，在4個大氣壓下，其絕緣性相當(dāng)變壓器油。
化學(xué)特性：常溫下是一種惰性氣體。一般不會與其它材料發(fā)生反應(yīng)。
電氣特性：絕緣性能佳，還具有獨(dú)特的熱特性和電特性。 SF6氣體是電負(fù)性氣體，其分子和原子具有很強(qiáng)的吸附自由電子的能力，可以大量吸附弧隙中的自由電子，生成負(fù)離子。負(fù)離子的運(yùn)動比自由電子慢得多，很容易和正離子復(fù)合成中性的分子和原子，大大加快了電流過零時的弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)。
分解特性：純凈的SF6氣體一般公認(rèn)是無毒的。 SF6在生產(chǎn)過程中會有少量伴隨的生成物，其中S2F10是公認(rèn)的劇毒氣體，但經(jīng)過凈化處理可以完全將它除凈。純凈的SF6氣體雖然無毒，但在工作場所要防止SF6氣體的濃度上升到缺氧的水平。SF6氣體的密度大約是空氣的五倍、SF6氣體如有泄漏必將沉積于低洼處，如電纜溝中。濃度過大會出現(xiàn)使人窒息的危險，設(shè)計(jì)戶內(nèi)通風(fēng)裝置時要考慮到這一情況。SF6氣體通過對流能與空氣混合，但速度很慢。氣體一旦混合后就形成SF6和空氣的混合氣體，不會再次分離。
問題嚴(yán)重的是，電弧作用下SF6的分解物如SF4，S2F2，SF2，SOF2，SO2F2，SOF4和HF等，它們都有強(qiáng)烈的腐蝕性和毒性。
1)SF4(四氟化硫)
常溫下SF4為無色的氣體，有類似SO2的刺鼻氣味，在空氣中能與水分生成煙霧，產(chǎn)生SOF2和HF。 SF4氣體可用堿液或活性氧化鋁(A12O3)吸收。 SF4氣體對肺有侵害作用，影響呼吸系統(tǒng)，其毒性與光氣相當(dāng)。
2)S2F2(氟化硫)
常溫下為無色氣體，有毒，有刺鼻氣味，遇水分能完全水解形成S，SO2和HF。 S2F2對呼吸系統(tǒng)有類似光氣的破壞作用。
3)SF2(二氟化硫)
SF2的化學(xué)性能極不穩(wěn)定，受熱后性能更加活潑，易水解成S，SO2和HF 。 SF2氣體可用堿液或活性氧化鋁吸收。
4)SOF2(氟化亞硫酰)
SOF2為無色氣體，有臭雞蛋味，化學(xué)性能穩(wěn)定。它與水分反應(yīng)緩促，并能快速地為活性氧化鋁或活性炭吸附。 SOF2為劇毒氣體．可造成嚴(yán)重的肺水腫，使動物窒息死亡。
5) SO2F2 (二氟化硫酰)
SO2F2為無色無臭氣體，化學(xué)性能極為穩(wěn)定，加熱到150 °C時也不會與水和金屬反應(yīng)。SO2F2不易被活性氧化鋁吸收。 SO2F2是一種能導(dǎo)致痙孿的有毒氣體。它的危險性在于無刺鼻性嗅味且不會對服鼻粘膜造成刺激作用，故發(fā)現(xiàn)中毒后往往會迅速死亡。
6)SOF4(四氟亞硫酰)
SOF4為無色氣體，有刺鼻性氣味，能被堿液吸收，與水反應(yīng)會生成SO2F2 。 SOF4是有害氣體，對肺部有侵害作用。
7)HF(氫氟酸)
HF是酸中腐蝕性最強(qiáng)的物質(zhì)。對皮膚、粘膜有強(qiáng)烈刺激作用，并可引起肺水腫和肺炎等。
六氟化硫氣體與溫室效應(yīng)
l 1997年防止全球變暖的京都議定書中，將包括SF6氣體的6種氣體列為溫室效應(yīng)氣體，它們對溫室效應(yīng)的影響依次為C02，CH4，N2O，PFC，HFC，SF6。
l 將SF6氣體列為溫室效應(yīng)氣體的原因，主要是SF6氣體對溫室效應(yīng)有著相當(dāng)大的潛在危險，其原因有二：
(1)SF6分子對溫室效應(yīng)的潛在影響大。若以CO2氣體的全球變暖系數(shù)為1，則SF6氣體為23900。這就是說，一個SF6分子對溫室效應(yīng)的影響為CO2的23900倍。
（2） SF6氣體排放大氣后，它的壽命長，約為3200年。
檢修SF6電器設(shè)備不可避免會接觸到SF6分解物。另外， SF6電器設(shè)備損壞時，例SF6絕緣的封閉組合電器由于內(nèi)部電弧故障使壓力釋放裝置動作或者外殼燒穿時．會有大量SF6氣體及其分解物向外排放到大氣中。為了保證檢修人員的安全以及減少對周圍環(huán)境造成的影響，應(yīng)該采取一些必要的預(yù)防措施。
預(yù)防措施有：
1)所有安裝有SF6電器設(shè)備的場所內(nèi)應(yīng)該裝置有合適的自然通風(fēng)或強(qiáng)制通風(fēng)裝置。這些通風(fēng)裝置應(yīng)能保證在最壞的條件下，例如有大量的SF6氣體及其分解物向外排出時．足以使有毒的分解物稀釋到可以容許的程度。在安裝場所的入口處，工作人員應(yīng)能方便地啟動通風(fēng)裝置。另外，也可利用SF6的檢測裝置對部分通風(fēng)裝置實(shí)行自動啟動。還要防止SF6 氣體及其分解物進(jìn)入其它沒有通風(fēng)裝置的房間中。
2)除對檢修人員進(jìn)行安全知識的培訓(xùn)外，還應(yīng)給檢修人員配備合適的保護(hù)衣服和輕襪手套，化學(xué)型的工業(yè)防護(hù)照鏡，防毒面具，有活性過濾器的呼吸保護(hù)裝置等。為安全起見，檢修現(xiàn)場還應(yīng)配備有氧氣呼吸裝置的急救設(shè)備。
3)利用真空吸塵器、吸附劑盡快消除SF6電器設(shè)備內(nèi)部存在的分解物。清理后，對殘留的分解物可用干烘、不起毛的抹布來清除。清掃過程中已被玷污的清掃材料及固態(tài)分解物都應(yīng)放在雙層的塑料袋中。未經(jīng)處理不得任意拋棄，以免造成對環(huán)境的污染。
SF6電器設(shè)備的應(yīng)用己50余年，在這段時間內(nèi)已經(jīng)積累了大量SF6氣體方面的知識和經(jīng)驗(yàn)。只要嚴(yán)格按照國家或制造廠的有關(guān)規(guī)程進(jìn)行工作，就能確保SF6電器設(shè)備安全可靠以及有關(guān)人員的人身安全。