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十4I2SF6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。

（4）导电杂质的影响SF6气体对灰尘和电导微粒的存在是十分敏感的。

研究表明，绝缘微粒和少量气体杂质不会引起SF6气体的击穿电压的明显下降。

而导电微粒和灰尘却会大大降低SF6的击穿电压。

SF6中的导电微粒，在电场作用下易形成“导电小桥”，致使其击穿电压明显降低。

3. SF6的沿面放电SF6气体在电气设备中总会与固体绝缘物形成交界面，若在强电场作用下有可能出现沿面放电。

为防止这种放电的发生，要充分注意电极间电场应尽量均匀；应消除固体绝缘物与电极接触部分的气隙以及材质本身的气隙；防止固体绝缘物表面的污染和受潮；加强设备的密封；严格控制充入新SF6的含水量；及时清除设备运行中产生的氟化物和水分等。

五、SF6的灭弧特性1. SF6电弧弧柱的基本性质SF6断路器在断开过程中所形成的温度电弧（静止状况下），氨弧柱的温度壳分为弧芯区和外围区，如图8-8所示。

外围区的温度较低，一般约大于2100K，此时SF6易分解成S和F 等，其电导率很小，但导热系数很大，有较强的冷却作用。

弧芯区的温度较高，约大于4000K，此时存在的S和F易电离，主要产物为正、负离子和电子，其电导率较大，导热系数小，这是导致继续发弧的主要因素。

假设在SF6和N2中的电弧弧柱的截面相同，并具有微弱的冷却作用时，沿弧柱截面半径方向的温度分布如图所示。

从该图可知；(1)在不同的气体电介质中，电弧弧柱的温度分布各不相同，N2的弧柱温度比SF6的高得多。

(2)电弧周围区域内，SF6的电弧温度较低(＜4000K)，电导很小仅有微弱的电弧电流；N2的电弧温度较高(＜7500K)，电导较大，有稍大的电弧电流。

(3)电弧弧芯区域(电孤导电部分)内，SF6的区域直径比N2小得多。

当电弧电流突然停止之后，在SF6弧芯区所包含的热量比N2的少，而且SF6在电弧作用下的分解是吸热反应，故冷却效果好，易熄灭电孤。

2. SF6的灭弧作用除SF6电弧弧柱的自身特性对熄灭电弧有利外，还有以下重要的原因：（1）SF6的复合作用SF6的某些高温电弧产物，在消弧的瞬间可能复合，例如：S＋6F→SF6SF6＋＋SF6－→2SF6…………其复合速度极快，仅在10－5～10－7s内。

因此，在交流电弧电流过零的瞬间，弧隙中有部分电弧产物复合成SF6，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。

从图8－10可知，当电流过零后，SF6弧隙介质的强度比N2大得多，易阻止电弧的继续和发展，缩短燃弧时间。

（2）SF6的冷却作用从SF6的物理性质可知，SF6为优良的冷却介质，其冷却散热的效果好，可有效地降低电弧温度，有利于电弧的熄灭。

（3）SF6具有吸附电子的能力SF6吸附电子一方面可减少电子的密度，降低电导率，促使电弧熄灭；另一方面，由于SF6－的离子迁移速度比电子慢得多，SF6－与SF6＋易复合成SF6，也有利于电弧的熄灭。

若在断路器中设置专门的吹弧装置（灭弧室），还可增强SF6熄灭电弧的能力。

第二节 SF6的监督与管理一、SF6气体的质量标准目前工业上制备SF6的方法，较普遍采用的是单质硫磺与过量气态氟直接化合：合成的粗品中合有多种杂质，其组成和含量，可因原材料的纯度，生产设备的材质，生产工艺条件等因素的不同，而有很大差异。

杂质总含量可达5％。

其组成有硫氟化合物：如S2F2、SF2、SF4、S2F10等；硫氟氧化物：如SOF2、SO2F2、SOF4、S2F10O等，还有原料氟中带入的杂质：如HF、OF2、CF4、N2、O2等。