第八章 六氟化硫绝缘气体

第八章六氟化硫绝缘气体

电气设备传统的绝缘介质和灭弧介质是绝缘油。电力变压器几乎全是采用绝缘油的，这是因为绝缘油具有比空气强度高的多的绝缘特性，其比热比空气大一倍，且液态受热后具有对流特性，故使它在变压器内既作绝缘介质又作冷却介质。

油断路器开断电流时，绝缘油被电弧能量所分解，形成以氢气为主体的高温气体，积贮压力，达到一定值后形成气吹，由于氢的导热率极高，使弧道冷却去游离，导致电弧在电流过零时熄灭，同时使断口间获得良好的绝缘恢复特性，保证了大电流的顺利开断，因此油在断路器内既是良好的绝缘介质，又是优异的灭弧介质。

但绝缘油的最大缺点是可燃性，而电气设备一旦发生损坏短路，都有可能出现电弧，电弧高温可使绝缘油燃烧而形成大火。电力系统因此而形成的火灾事故是有不少教训的。

六氟化硫气体具有不可燃的持性，并具有良好的绝缘性能和灭弧性能，60年代时首先被用于断路器中，接着扩大应用于变压器、电缆……等各种电气设备。

SF6气体绝缘的电气设备与充油电气设备相比，它具有以下主要特点：

(1)不易着火、安全性高。常温、常压下的SF6为不燃气体，万一设备本身出现故障或周围发生火灾时，SF6不会燃烧，可防止火势的蔓延。封闭组合电器的带电部分全部密封在接地的金属壳内，无触电的危险，面且不存在因飞来物等外因引起的有关事故，能确保安全运行。

(2)使用寿命和检修周期长。SF6电气设备为完全密封结构，外部的空气、水分和其它杂质等不易侵入，一般不会出现内部受潮和气、尘污染等现象，其内各部件又为不活泼的SF6所包围，从而减缓了电气材料的老化。SF6本身不易变质，沉积物和其它污染杂质也较少，与充油设备相比，相对延长了设备的使用寿命和检修周期。

(3)占地面积小，安装、操作简便。全封闭的SF6组合电器设备，其结构十分紧凑，体积小，使用、安装的占地面积也小。据统计，一个采用全封闭组合电器的变电所的占地面积仅为敞开式变电所的20％。SF6断路器和变压器的安装、操作比较简单，其总重量比充油设备轻得多，运行时的噪声也较小。

(4)性能优良、远行可靠。SF6的绝缘特性比空气好，开断容量大，为优良的灭弧介质。在相同条件下，其灭孤能力相当于空气的100倍；灭孤后又不产生游离碳之类的炭质物，运行安全可靠。

第一节 SF6气体的性质

一、SF6的结构特点

SF6的分子为一正八面体的立体结构(图8-2)。S原于位于正八面体中心，六个F原子位于正八面体的各个顶点。对S原子而言，构成对称排列，原子间以共价键结合。S原子和各F

原子之间的键长均相等，为0.158nm，F-S-F的键角均为90︒，系完全对称型的无极性分子。SF6的分子直径比O2、N2和水蒸气分子均大，约为0.456nm。

二、SF6的物理性质

SF6在常温、常压下，为无色、无味、无毒的不可燃气体。SF6在设备中的故作压力通常为0.2～0.7MPa，呈气态。为便于运输和使用，SF6常以液态形式储存于钢瓶中。其主要物理性质如表8-1所示。

SF6的密度比空气大，约为空气的5倍，因而具有强烈的窒息性。SF6导热系数比空气小，若将对流效应包括在内，实际的导热系数约为空气的1.6倍，为优良的冷却介质。SF6在水和油中的溶解度很低。SF6在水中的溶解度随温度的升高而减小，如表8-2所示。

SF6在不同的温度和压力下，可呈气态、液态和固态，使用中应予注意。图8-3为SF6的状态变化图。图中STK称为饱和蒸气压曲线，即气态SF6转变为液态和固态的临界线。它表示在给定温度下气相与液相、气相与固相达到平衡时的气压值。图中S点为SF6的升华点，温度为-63.8℃，饱和蒸气压为0.1MPa；T点为SF6的熔点，温度为-50.8℃，饱和蒸气压为0.24MPa。从该图可方便地查出对应于各种工作压力、温度下SF6的密度以及对应于各工作压力下SF6的液化温度或固化温度。例如，当使用温度为-25℃、其压力在539.4kPa大气压时，SF6便可液化。若使用压力超过上述值，而又需在较低的温度下使用SF6时，为防止液化应采用加热装置。

三、SF6的化学慢质

SF6的结构比较稳定，化学性也极不活泼。在空气中不燃烧、不助燃，与硫酸、盐酸、强碱、水、氨等不反应。在150℃以下，SF6不与设备中的电气材料起化学反应；超过150℃时，硅钢会促使SF6分解，并有微弱反应；有铜或铝存在时，SF6在200℃左右开始分解；在250℃左右可与S03发生反应：

SF6十2S03→3S02F2

在室温下，SF6可被无水碘酸定量地还原：

SF6十8HI→H2S十6HF十4I2

SF6对各种金属的腐蚀性是很微弱的，即使在223℃高温下，各种金属置于SF6气氛中经

227天的试验，其中腐蚀最严重的硅钢，腐蚀速度也仅为0.003mm/年；低碳钢的腐蚀速度为0.0003～0.0004mm/年，其它金属的腐蚀速度则更微不足道。因此，在电气设备通常运行的温度范围内，SF6对设备常用金属铜、铝、钢和绝缘材料是不起化学作用的。在正常运行的设备中使用SF6，很少因SF6的化学性质不稳定而造成事故。

四、SF6绝缘特性

1. SF6的高绝缘强度

SF6是一种高绝缘强度的气体电介质。在均匀电场中，相同大气压下，SF6的绝缘强度约为空气的2.5～3倍。当气体压力为0.2MPa时，SF6的绝缘强度与变压器油相当，如图8-5所示。SF6具有高绝缘强度的主要原因是：

(1) 在SF6分子中，六个F原子紧密地围绕其分子表面，使SF6具有很强的电负性，容易与电子结合形成负离子，削弱电子碰撞电离的能力，阻碍电离的形成和发展。负离子形成的反应如下式：

SF6＋e→SF6－

SF6＋e→SF5－＋F

(2) SF6分子直径比空气中氧、氮分于大，使得电子在SF6中的平均自由行程缩短，不易在电场中积累能量，从而减少了自由电子的碰撞电离的能力。

(3) SF6的分子量是空气的5倍。SF6负离子的质量更大，其离子迁移率比空气中氧、氮离子的迁移率更小，极易与正离子发生复合作用而形成中性分子，使气体中带电质点减少，不易形成放电。

2. 影响SF6击穿电压的因素

（1）电场均匀性

电场的不均匀程度对SF6气体击穿电压的影响很大，而对空气的击穿电压影响不大。SF6的击穿电压在均匀性不同的电场中差异较大。在均匀电场中，SF6的击穿电压比在极不均匀电场中大，而这种影响远比空气大得多，因此，在设计、使用、监督与维护SF6的电气设备中，应充分注意这种电场特性。为了提高SF6的间隙击穿电压，不能采取如空气绝缘那样，单纯加大绝缘距离的方式(因距离过大，增加了电场的不均匀性)，而是在加大距离的同时，尽可能地保持电极间电场的均匀性。目前，电极常采用同轴圆柱或同心圆球（半球）结构。

（2）SF6的工作压力

从图8-5可知提高SF6的工作压力是提高SF6击穿电压的途径之一，但工作压力也不能过高，否则，SF6会液化(图8-4)。同时还应注意，SF6的击穿电压有随气压增高而趋于饱和的现象，电场越不均匀越容易饱和。因此只有在保证SF6不被液化、在保证电场相当均匀的条件下提高气压才最为有效。

（3）电极表面

随着电极表面积的增大，SF6的击穿电压将下降；电极表面越粗糙，则击穿电压越低。经过多次放电处理后的电极表面比较光滑，击穿电压有增高的趋势。