Sf6使用的歷史不長,雖然這種氣體早在本世紀初就已被發(fā)現(xiàn),但在電器上使用是 50 年代開始的,七十年代以后大量使用而且發(fā)展為全封閉式組合電器,成為超高壓等級 電力斷路器的最主要的品種.
自1900 年法國化學(xué)家摩森(H.Moissan)和李博(P.Lebeau)在實驗室中將硫在氟氣中 燃燒以制備六氟化硫(SF6)氣體以來,人們已從中收益非淺.因純 SF6 氣體的化學(xué)穩(wěn) 定性,早期用于進行人工氣胸治療肺結(jié)核空洞;同時因其優(yōu)異的絕緣和滅弧性能也倍 受人們的關(guān)注.從 1940 年作為絕緣介質(zhì)開始,迄今已被廣泛地應(yīng)用在電力設(shè)備中,如 高壓斷路器,變壓器,互感氣,電容器,避雷器,接觸器,熔斷器,管道母等.隨著 SF6 氣體使用量的增加,范圍的擴大,正確的使用和管理 SF6 氣體,保護好我們賴以生 存的環(huán)境及人身安全等問題被提到了重要的議事日程上來.
SF6 是一種分子量很大的重氣體,容易液化,因此與理想氣體模型差異較大,用理想 氣體的狀態(tài)方程式來計算,在高壓力,低溫度下會產(chǎn)生很大的誤差.例如 在 20℃(293K)下,SF6 氣體壓力與密度的關(guān)系與理想氣體之比較如下圖.在氣體密 度增加時,實際壓力值要比理想的低.出現(xiàn)這個差異的原因在于 SF6 分子的體積大, 當空間容積縮小時,分子間距離減小,吸力增大,使分子與容器器壁間的作用力減弱 ,即氣體壓力值降低.
SF6 的絕緣特性 SF6 具有優(yōu)良的絕緣性能,這是它最早被用于電力設(shè)備的原因.例如,0.3MPa 壓力的 SF6 氣體的絕緣強度就可能達到變壓器油的水平,而壓縮空氣同樣的絕緣強度要 0.6— 0.7MPa.因此,早在四十年代 SF6 就開始用于電纜,高壓靜電發(fā)生器中,后來才用到 開關(guān)中,現(xiàn)在又在變壓器和高壓互感器中應(yīng)用.SF6 用在全封閉的組合電器中,取代 敞開式分立電器的空氣絕緣,使傳統(tǒng)的變電站設(shè)備構(gòu)造發(fā)生了革命性的變化,這就是 SF6 絕緣性能所顯示出的優(yōu)越性.
SF6 氣體的高絕緣強度是由鹵族化合物的負電性,即對電子的吸附能力造成的. 鹵族元素中又以 F 元素的負電性最強,它的化合物 SF6 仍有強負電性.在溫度不太高的 情況下(108K 以下) ,產(chǎn)生 SF6+e→SF6— 的反應(yīng),生成負離子;使空間的自由電子 減少,而負離子的活潑性差,抑制了空間游離過程的發(fā)展,擊穿不易形成,因此絕緣 強度大大提高
SF6 氣體的絕緣強度在不均勻的電場中要降低,這一點在設(shè)計與使用中應(yīng)該引起 注意.隨著電場不均勻程度的增大,擊穿場強下降,作為均勻電場的間隙擊穿電壓巴 申定律,即擊穿電壓(UK)與氣壓間隙乘積(pd)成正比,只能在很小范圍內(nèi)符合.
試驗數(shù)據(jù)證明,在 1—25mm 間隙內(nèi),只有電場強度 20KV/mm 以下才符合巴申定律 .因此,不能簡單地靠增大間隙來提高擊穿電壓,而應(yīng)該注意改善結(jié)構(gòu)的電場均勻性 .
SF6 氣體絕緣特性還受雜質(zhì)和電極表面狀況影響很大.充入電氣設(shè)備的氣體如混 雜了金屬細屑,絕緣擊穿電壓將顯著下降.這種影響在工作氣壓越高時越顯著,金屬 細屑的尺寸越大絕緣強度降低越多.所以在實際加工裝配或檢修工作中注意清潔條件是很重要的.
電極表面如粗糙不平,局部電場增強,對絕緣強度下降影響也很大,加工光潔 度高的表面要比粗糙表面的絕緣強度高.由于表面缺陷,凸起的出現(xiàn)呈隨機性質(zhì),這 種局部電場增強效應(yīng)也具隨機性,對于面積越大的電極,局部放電的幾率也越大.這 就表現(xiàn)為絕緣強度隨電極表面積增大而下降,并漸趨于一個穩(wěn)定值. 金屬屑末和電極表面突起造成的絕緣弱點可以通過老練加以改善.老練就是對 氣體間隙進行多次重復(fù)放電,通過放電燃燒缺陷(雜質(zhì),凸起) ,是間隙的擊穿電壓 提高.此外,也可以采用在電極表面覆蓋絕緣薄層的方法來提高絕緣強度. 2,SF6 的導(dǎo)熱性能 作為電器的絕緣介質(zhì),導(dǎo)熱性要好,以避免溫升過高.
SF6 氣體的熱導(dǎo)率是不高的, 比空氣低 1/3.這個參數(shù)表示,由于空間分子間的碰撞傳遞動能而形成的傳熱能 力,SF6 不如空氣.但是,實際氣體的傳熱過程主要是對流傳熱,即由于分子的流動 ,攜帶熱量轉(zhuǎn)移,SF6 分子量大,比熱也大,對流傳熱能力要優(yōu)于空氣.兩個大氣壓 的 SF6 的對流傳熱能力與變壓器油相同. 作為滅弧介質(zhì),在高溫條件下工作,SF6 有更為優(yōu)越的特性.高溫條件下的氣體的傳 熱過程還多了一個反應(yīng)能的傳遞,即由于質(zhì)點的擴散,流動攜帶電離或分解能,在空 間形成傳熱.這個傳熱特性與氣體的分解,離解特性有關(guān),SF6 分子在 2000K 附近高溫 下大部分被分解成 S,F 元素或低氟化硫,分解反應(yīng)吸收能量;在 6000K 以上形成離解 高峰,產(chǎn)生大量電子,離子,也吸收能量.因此,在上述兩個反應(yīng)高峰溫度附近,就 形成熱導(dǎo)率的高峰,而主要成分為氮氣的空氣的分解導(dǎo)熱高峰出現(xiàn)在 7000K—8000K 附 近.SF6 的導(dǎo)熱高峰溫度處于弧柱導(dǎo)電區(qū)外沿,對熄弧過程是十分有利的.
SF6 的化學(xué)特性SF6 是一種常溫下十分穩(wěn)定的化合物,不易分解,變質(zhì).在空氣中不燃燒,不助燃, 與水,強堿,氨,鹽酸,硫酸等不反應(yīng);在低于 150℃時,SF6 氣體呈化學(xué)惰性,極少 熔于水,微熔于醇.對電器設(shè)備中常用的金屬及其它有機材料不發(fā)生化學(xué)作用在大氣 壓下,至少在 500℃以下保持高度的化學(xué)穩(wěn)定性,與金屬材料,絕緣材料反應(yīng)極微; 只是在 600℃以上才有較強烈的分解,產(chǎn)生低氟化合物,有強烈的腐蝕性.從電工設(shè) 備方面應(yīng)用來說,至少在 E 級絕緣水平下是可以安全使用的 在高溫下,例如在電弧或電暈放電作用下,SF6 將分解成 S 和 F 原子,這些原子在高 溫下降時大部分可以復(fù)合成 SF6 分子,但是在其他成分的參與下,如 H2O,Cu,W 等, 產(chǎn)生金屬氟化物和硫的低氟化物,主要反應(yīng)有: 4SF6+Cu+W→4SF4+CuF2+WF6 2SF6+Cu+W→2SF2+CuF2+WF6 在水分參與下,還會生成有嚴重腐蝕性的 HF: SF4+H2O→SOF2+2HF SOF2+H2O→SO2+2HF(劇毒) 這些分解物中,HF ,SO2, SF4, SF2 等對絕緣材料金屬材料有很大的腐蝕作用. 由上列分解反應(yīng)可見,水分起了很壞的作用,是產(chǎn)生腐蝕性,毒性的主要促成 劑.控制 SF6 氣體中的含水量是氣體質(zhì)量控制的主要指標,有關(guān)的標準都作了規(guī)定, 如國際電工協(xié)會(IEC)規(guī)定,SF6 新氣中水分含量不得高于 15ppm(重量比) .必須 指出,在各種氟化物中,絕大多數(shù)都是有毒甚至劇毒物.上述各分解反應(yīng)物也是如此 ,因此在 SF6 電器設(shè)備的使用中安全問題應(yīng)給予充分重視. 裝設(shè)吸附劑是個重要方法,活性氧化鋁,活性炭及分子篩都是應(yīng)用效果較好的 吸附劑,它們對吸附水分是有效的.
用于電器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)該盡量避免還有硅元素,如 SiO2,陶瓷,玻璃等, 因為 F,HF 分解物對 Si 有強烈的腐蝕作用.聚四氟乙烯,以氧化鋁為填料的環(huán)氧樹脂 等是比較好的材料. 4,SF6 的滅弧特性 氣體中的電弧是通過分子游離而形成的導(dǎo)電現(xiàn)象,電弧放電通道中主要是熱游離方式 , 氣體溫度在 4000—6000K 以上時就開始出現(xiàn)熱游離導(dǎo)電現(xiàn)象,SF6 和空氣的電導(dǎo)率隨溫 度的變化特性差異并不大,在 4000K 以下沒有明顯的游離,但在電弧的電極金屬蒸氣 參與下,實際的熱游離起始溫度降低到 3000K 左右,因此開關(guān)電弧的導(dǎo)電下限溫度一 般在 3000K 附近. 電弧的熄滅過程就是弧隙游離產(chǎn)物(離子,電子)的復(fù)合,消游離,使間隙恢 復(fù)到絕緣介質(zhì)狀態(tài)的過程,這主要通過冷卻降溫,使電導(dǎo)率降低,消失.表示電導(dǎo)減 小的速度常用電弧的時間常數(shù)來說明,電弧時間常數(shù)越小,表明弧柱溫度或熱量變化 越小,滅弧能力越強. SF6 的導(dǎo)熱能力隨溫度的變化特性是她它具有優(yōu)異熄弧能力特性的重要原因.如 前所述,開關(guān)電弧以 3000K 為導(dǎo)電界限溫度,電流集中在高于 3000K 以上的"弧芯"區(qū) 內(nèi),外圍的低溫區(qū)稱為"弧焰區(qū)" .SF6 氣體在 3000K 以上的導(dǎo)熱率低,2000K 附近的 導(dǎo)熱率特別高,從徑向熱平衡考慮,弧焰區(qū)的散熱良好,溫度低,而弧芯區(qū)則導(dǎo)熱差 ,溫度高,形成直徑細的密集導(dǎo)電區(qū).相對來講,空氣電弧的弧芯直徑就比 SF6 電弧 的大.隨著電流瞬時值的減小,SF6 電弧的弧芯直徑也逐漸減小,這種纖細型的弧芯 結(jié)構(gòu)可以維持到很小的電流值(1A 以下) .電弧的時間常數(shù)與弧芯截面面積∏R2 成正 比,即Θ=C∏R2(C 為常數(shù)) ,因此,在電流零點附近,電弧時間常數(shù)很小,或者說,殘余弧柱截面很小,這對于弧后介質(zhì)強度的恢復(fù)是十分有利的. 當整個弧柱溫度都降到導(dǎo)電溫度(3000K)以下時,由于 SF6 氣體的導(dǎo)熱高峰, 是溫度下降速度很快,介質(zhì)強度恢復(fù)迅速. 此外,SF6 氣體的負電性也是形成優(yōu)異滅弧性能的另一因素.在弧焰區(qū)和弧后恢 復(fù)階段,負電性起很重要作用,他使弧隙自由電子減少,電導(dǎo)率下降,介質(zhì)溫度提高 .因此在滅弧室中應(yīng)提供新鮮的氣體,盡可能增加 SF6 氣體與弧柱的接觸,以增強吸 附的過程. 6,SF6 氣體的毒性來源 從有關(guān)部門的試驗及研究結(jié)果可知,SF6 氣體的毒性主要來自 5 個方面. (1)SF6 產(chǎn)品不純,出廠時含高毒性的低氟化硫,氟化氫等有毒氣體.大家知道,目 前化工行業(yè)制造 SF6 氣體的方法主要是采用單質(zhì)硫磺與過量氣態(tài)氟直接化合反應(yīng)而成 ;即 S+3F2→SF6+Q(放出熱量) .在合成的粗品中含有多種雜質(zhì),其雜質(zhì)的組成和含量因 原材料的純度,生產(chǎn)設(shè)備的材質(zhì),工藝條件等因素的影響而有很大差異,雜質(zhì)總含量 可達 5%.其組成有硫氟化合物,如:S2,F2,SF2,SF4,S2F10O 等;硫氟氧化合物 如 SOF2,SO2F2,SOF4,S2F10O 等以及原料中帶入的雜質(zhì)如 HF,OF2,CF4,N2,O2 等 .為了凈化粗品中的雜質(zhì),合成后的 SF6 氣體還需要經(jīng)過水洗,堿洗,熱解(去除劇 毒的十氟化物) ,干燥,吸附,冷凍,蒸餾提純等一系列凈化處理過程才能得到純度 在 99.8%以上的產(chǎn)品.然后再用壓縮機加壓,充入降溫至-80℃左右的鋼瓶中,以液態(tài) 形式存在.在使用時減壓放出,呈氣態(tài)沖入電氣設(shè)備中. 除在上面的合成過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)外,另外,在氣體的充裝過程中還可能混入少 量的空氣,水分,和礦物油等雜質(zhì),這些雜質(zhì)均帶有或會產(chǎn)生一定的毒性物質(zhì).因此 ,為保證 SF6 產(chǎn)品的純度和質(zhì)量,對出廠的 SF6 產(chǎn)品國際電工委員會(IEC)及許多國家均制定了質(zhì)量標準,并要求生產(chǎn)廠家在供貨時提供生物試驗無毒證明書. (2)電器設(shè)備內(nèi)的 SF6 氣體在高溫電弧發(fā)生作用時而產(chǎn)生的某些有毒產(chǎn)物. 例如:SF6 氣體在電弧中的分解和與氧的反應(yīng): 2SF6 + O2 →2SOF2 + 8F(氟化亞硫酰) 2SF6 + O2 →2SOF4 + 4F(四氟化硫酰) SF6 →SF4 + 2F(四氟化硫酰) SF6 →S + 6F(硫) 2SOF4 + O2 →2SO2F2 + 4F(氟化硫酰) (3)電器設(shè)備內(nèi)的 SF6 氣體分解物與其內(nèi)的水分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成某些有毒產(chǎn) 物. 例如:SF6 氣體分解物與水的繼發(fā)性反應(yīng): SF4 + H2O →SOF2 + 2HF(氫氟酸) SOF4 + H2O →SO2F2 + 2HF(氫氟酸) SOF2 + H2O → SO2 + 2HF(二氧化硫) SO2F2 + 2H2O → H2SO4 + 2HF(硫酸) (4)電器設(shè)備內(nèi)的 SF6 氣體及分解物與電極(Cu-W 合金)及金屬材料(AL,Cu )反應(yīng)而生成某些有毒產(chǎn)物. 例如:SF6 氣體及分解物與電極或其它材料反應(yīng): 3SF6 + W → WF6(氣態(tài))+ 3SF4 3F + AL →ALF3(固態(tài)粉末) 3SOF2 + AL2O3 →2ALF3(固態(tài)粉末)+ 3SO2 SF6 + Cu →CuF2(固態(tài)粉末) + SF6 4SF6 + W + Cu →2S2F2(氣態(tài))+3WF6(氣態(tài))+ CuF2(固態(tài)粉末) (5)電器設(shè)備內(nèi)的 SF6 氣體及分解物與絕緣材料反應(yīng)而生成某些有毒產(chǎn)物.如與 含有硅成分的環(huán)氧酚醛玻璃絲布板(棒,管)等絕緣件;或以石英砂,玻璃作填料的 環(huán)氧樹脂澆注件,模壓件以及瓷瓶,硅橡膠,硅脂等起化學(xué)作用,
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