六氟化硫(SF6)绝缘气体

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在压力不太高的情况下,空气等都可以当作理想气体按上述气体方程来分析计算,不会产生较大误差。 但由于 SF6 气体的分子质量较大,分子之间的作用显著,使得它与理想气体的特性有较大偏离,如图 1-5-2 所示。如果按着理想气体定律推导出来的关系式来计算六氟化硫的参数就会产生很大误差。经验公式(1-5-3) 更能较为准确地计算出 SF6 的各种状态参数,是很实用的。
p R'T
(1-5-2)
式中,ρ为气体的密度,即 m/V;R′为气体常数,即 R/M。 以上方程式表明了气体的压力(p)、 密度(ρ)及温度(T)之间的关系, 同时也可以用这三个状态参数来代表 气体所处的状态。理想气体与 SF6 气体的压力与密度变化如图 1-5-2 所示。
图 1-5-2
理想气体与 SF6 的压力与密度变化关系 1. 理想气体;2.SF6 气体
图 1-5-3 SF6 的状态参数曲线 六氟化硫状态参数曲线图是很有用的,当知道 SF6 的某些参数时,利用这些曲线便可方便地计算出其他 参数。在计算时应注意,公式中的压力为绝对压力,而通过压力表所测得的压力为表压力。绝对压力等于表 压力加上大气压力(一般为 0.1MPa)。 1. 计算设备内气体的填充体积 已知条件: ①设备所在的环境温度;②工作压力;③SF6 气体的装填质量 计算公式: V=M/ρ (1-5-4) 3 式中,V 为 SF6 气体的填充体积,m 。 ;M 为 SF6 气体的装填质量,kg;ρ为 SF6 气体的密度,kg/m3。 【例 1】 已知某 SF6 断路器在 20℃时的工作压力为 0.45MPa(表压力),充装的气体质量为 30kg,求断 路器内气体的体积? 解: (1)设备内气体的绝对压力为 ρ=0. 45MPa(表压力)+0. 1MPa(大气压力)=0. 55MPa (2)从 SF6 的状态参数曲线图 1-5-3 确定 20℃及压力 0. 55MP 对应的坐标点 S。

2.0~2.5
1. 绝缘性能 SF6 具有很强的电负性,容易与电子结合并形成负离子,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表示: SF6 + e → SF6 SF6 + e → SF5 + F SF6 的分子直径较大,使电子在 SF6 气体中的平均自由行程缩短,不易在电场中积累能量,从而减小了电 子的碰撞能力。 SF6 气体的分子量大,是空气的 5 倍,形成的 SF6 离子的运动速度比空气中氮、氧离子的运动速度更小, 正负离子间更容易发生复合作用。从而使 SF6 气体中带电质点复合,阻碍了气体放电的形成和发展,绝缘介 质不易被击穿。SF6 正负离子的复合如下所示: SF6+ + SF6- → 2SF6 总之,由于 SF6 的电子截面积极大,具有极强的吸附电子的能力,六氟化硫的电子亲和力高达 3.4eV, 所以 SF6 具有优良的绝缘性能。 2. 灭弧性能 高压断路器阴极触头在强电场作用下发射电子, 所发射出的电子在触头间电压作用下产生碰撞游离, 形 成了电弧。在高温的作用下,在介质中发生了热游离,使电弧维持和发展。在电弧中,发生游离过程的同时 还进行着带电质点减少的去游离过程。 去游离过程是指自由电子和正离子相互吸引发生中和的现象。 在稳定 燃烧的电弧中,这两个过程处于动态平衡,如果游离过程大于去游离过程,电弧将继续炽热燃烧;反之,如 果去游离过程大于游离过程,电弧将愈来愈小,最后变为熄灭。游离和去游离贯穿于电弧产生和熄灭的整个 过程中,既互相对立又相互依赖。在电弧形成时以游离为主,在电弧熄灭时以去游离为主。 去游离的主要方式是复合和扩散。 复合时带异号电荷的质点的电荷彼此中和。 扩散是指弧柱内自由电子 与正离子逸出弧柱以外, 在周围介质中扩散的过程, 扩散是由于带电质点的不规则热运动以及空间电荷的不 均匀分布,使电弧中的高温离子由密集大的空间向密度小、温度低的介质周围方向扩散。电弧和周围介质的
在通常状态下,SF6 是以气体的形式存在,但由于其临界温度较高,很容易液化,因此在实际工作中就 会遇到 SF6 的温度、压力、质量、体积、密度以及液化等问题,这些问题是物理化学中气体状态方程以及相 平衡理论所涉及的内容,理想气体状态方程见下式
pV mRT / M
(1-5-1)
式中,p 为气体压强,MPa;V 为气体体积,L;M 为气体质量,g;R 为摩尔气体常数,g/mol;T 为绝对温 度,K。 或表示为
第五章
六氟化硫(SF6)绝缘气体
矿物绝缘油是电气设备的传统绝缘介质, 这是由于绝缘油具有高强度的绝缘特性。 电力变压器几乎全是 采用绝缘油的,它既是绝缘介质,又是冷却介质。绝缘油在断路器内既是良好的绝缘介质,又是优异的灭弧 介质。但是绝缘油的最大缺点是可燃性,电气设备一旦发生损坏、短路,都有可能出现电弧,电弧高温可将 绝缘油引燃,形成火灾。这个问题在城市电网中特别突出。因城市人口密集,供电功率大,连续性高,且城 网变电所一般都建在负荷中心,建筑密集,人口拥挤,有时还与民房、工业厂房相毗连,一旦发生火灾,会 造成重大损失。因此急需寻找不燃烧的绝缘介质和灭弧介质。 1900 年,法国巴黎大学由 Modsson 和 Lebeau 等首次用元素硫和氟直接反应合成出 SF6,制成的 SF6 气 体具有不燃的特性,并具有良好的绝缘性能和灭弧性能。到 1938 年,美国人 Cooper 建议用它来作为绝缘介 质。同年,德国人 V. Grosse 又建议用作高压断路器的灭弧介质。直到 1955 年才由美国西屋公司制成世界上 第一台 SE6 断路器,并在 115kV 电网中投运。3 年后该公司将 SF6 断路器的额定电压提高到 220kV,断流容 量达 15000MV·A。SF6 气体在高压断路器、变压器、高压电缆、粒子加速器、X 光设备、超高频(UHF)等系 统领域都有应用。由于 SF6 断路器具有体积尺寸小、重量轻、空间利用率高(表 1-5-l 和表 1-5-2),容量大能 成套速装,投远后运行费用少等优点,故目前国内外,特别是高压或超高压断路器将逐渐或大都采用 SF6 断路器。SF6 气体的广泛应用,是与其特有的物理性质、化学性质及电气性能分不开的。 表 1-5-1 SF6 全封闭组合电器与常规敞开式电器占地面积与空间体积比较
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(3)过 S 点做平行于密度ρ=30kg/m3 的斜线。 (4)根据所做斜线与相邻斜线的距离估算出该条斜线所代表的密度线应为 35 kg/m3。 所以有,设备内气体充填体积为 y=M/ρ=30/35=0.857(m3) 2. 计算设备内充气压力随温度变化的允许范围 (例 21 如果 SF6 设备在 20℃时的工作压力为 0.45MPa(同上例),那么当环境温度升至 40℃或降至-10 ℃时允许的气体工作压力(表压力)是多少? 解: (1)从上例中已知 20℃及工作压力为 0.45MPa 时的密度线为ρ=35 kg/m3。 (2)读出密度线ρ=35kg/m3 与温度 400℃交点对应的压力值为 0. 60MPa。 (3)读出密度线ρ=35kg/m3。与温度-10℃交点对应的压力值为 0. 49MPa。 因此当温度升至 40℃和降至-10℃时,设备允许的工作压力(表压力)分别为 0. 60MPa-0. 1MPa=0. 50MPa 和 0. 49MPa-0. 1MPa=0. 39MPa 3. 计算 SF6 设备中气体的液化温度 【例 3】已知 20℃时设备的工作压力为 0. 45MPa(同上例),求设备内气体开始液化的温度。 解: (1) 从上两例已知,20℃及工作压力为 0. 45MPa 对应的密度线为ρ=35kg/m3 (2) 图 1-5-3 中延长该密度线与曲线 AMB 相交 T 点,此点对应的温度为-35℃。 AMB 线是 SF6 气体由气态转化为液态和固态的临界线, 因此该线上各点对应得温度即是 SF6 气体开始液 化的温度。密度线 35kg/m3 与 AMB 线交点对应得温度为-35℃, 即气体开始液化的温度为-(1 B ) 2 A] 10 A 0.764 10 3 (1 0.727 10 3 ) B 2.5110 3 (1 0.846 103 )
(1-5-3)
式中,p 为 SF6 气体压力,MPa;T 为 SF6 气体的绝对温度,K;ρ为 SF6 气体的密度。 在实际工作中,以上经验公式用起来有些烦琐,为了简化计算和更容易直观理解,通常把它们绘成一组 状态参数曲线图,如图 1-5-3 所示。图中曲线 AMB 为 SF6 的饱和蒸气压力曲线,使 SF6 从气体转化为液体和 固体的临界线。也就是说,当 SF6 的状态参数落在曲线的右侧时,SF6 呈气态;落于 AMM'区时为液态;落 于 M'MB 区时为固态。从曲线 AMB 可以看出,SF6 设备的工作压力越高,液化温度越高,即气体越容易液 化。当气体开始液化时,气体的压力、密度很快下降,绝缘和灭弧性能也迅速降低,因此 SF6 设备不宜在低 温高压下运行。
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第一节
SF6 气体的物理性质
SF6 是由卤族元素中最活泼的氟(F)原子与氧族元素硫(S)原子结合而成的。 其分子结构是由六个氟原子处 于顶点位置而硫原子处于中心位置的正八面体,见图 1-5-1。 SF6 在常温、常压下为具有高稳定性、无色、无味、无毒、不燃的气体。其重要物理性质见表 1-5-3,由 于 SF6 的密度为 6.139g/L(20℃),约是空气密度(1.29g/L)的 5 倍。由于六氟化硫比空气密度大得多,因此空 气中的 SF6 易于自然下沉,因而具有强烈的窒息性。微溶于水,在酒精和醚中溶解的比在水中多一些。不溶 于盐酸和氨。水中的溶解度为 5.4 cm3SF6/kgH2O(SF6 分压 101.325 kPa,25℃)。
图 1-5-1 SF6 分子构型
表 1-5-3 SF6 物理性质
名称 熔点(℃) 升华温度(1atm)(℃) 临界温度(℃) 临界压力(MPa)
数值 -50.8 -63.8 45.6 3.78
名称 介电常数(1atm,25℃) 热导率[W/(cm·℃)] 密度 气态 (mg/cm3) 液态 固态
数值 1.002 14.7×10-3(1atm, 30℃) 6.46(0℃) 1.57(0℃) 2.51(-50℃)
表 1-5-2 SF6 变压器与油浸式变压器性能比较
项目 铁芯 导线 重量(t) 不带油(气)总质量 总质量 铜损 损耗/kW 铁损 线圈部分 空间利用率(% ) 铁芯部分 SF6 变压器 22.73 6.12 44.14 44.82 208 41 69 50 差值百分数 (%) -14 -51 -29 -48 -16 -13 +200 +194
电压 (kV) 66 154 275 500 SF6 全封闭组 合电器 A(m2) 21 37 66 90 占地面积 常规敞开式 电器 B(m2) 123 435 1200 3706 缩小率 A/B (%) 17 7.7 3.8 2.4 油浸式变压器 26.44 12.38 62.14 85.96 248 47 23 17 SF6 全封闭组 合电器 C(m3) 136 331 414 900 空间体积 常规敞开式 电器 D(m3) 1360 8075 28800 147696 缩小率 C/D (%) 10 4.1 1.4 0.6
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第二节
SF6 气体的化学性质
SF6 的化学性质比较稳定,故它的化学性质极不活泼,其惰性与氮气相似。纯 SF6 在 500~600℃温度下 亦不分解。 一般在 150℃以下,SF6 不与电气设备中的材料起化学反应;温度超过 150℃时,硅钢会促使 SF6 分解, 并有微弱反应;在温度为 180~200℃时,SF6 可与 A1Cl3 生成 A1F3;温度在 250℃左右时,SF6 可与 SO3 发生 反应。 SF6 + 2SO3 → 3SO2F2 在室温下,SF6 可被无水 HI 定量还原: SF6 + 8HI → H2S + 6HF + 4I2 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。
第三节
SF6 气体的电气性质
SF6 具有优异的电气性能,见表 1-5-4. 表 1-5-4 一些气体在低温下的绝缘能力
气体 沸点/℃ 相对绝缘能力 SF6 -63.8 H2 -195.8 1.0 CO2 -78 0.9 C3F8 -36.7 2.0~2.9 CCl2F6 -29.8 2.4~2.5 C4F10 -2.0 2.5 CCl2F2 3.6 2.8 CClF3 23.8 3.0~4.5
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