六氟化硫开关运行维护知识.docx
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六氟化硫开关运行维护知识
化工部电气基础知识专题二：
六氟化硫开关运行维护知识
目录
一、SF6气体特性
二、六氟化硫电气设备运行、试验及检修人员安全防护细则DL/T639—1997
三、SF6断路器和GIS组合电器安全运行
四、电气设备中SF6气体的管理
一、SF6气体特性
SF6使用的历史不长，虽然这种气体早在本世纪初就已被发现，但在电器上使用是50
年代开始的，七十年代以后大量使用而且发展为全封闭式组合电器，成为超高压等级
电力断路器的最主要的品种。
自1900年法国化学家摩森（H.Moissan）和李博（P.Lebeau）在实验室中将硫在氟气中
燃烧以制备六氟化硫（SF6）气体以来，人们已从中收益非浅。
因纯SF6气体的化学稳
定性，早期用于进行人工气胸治疗肺结核空洞；同时因其优异的绝缘和灭弧性能也倍
受人们的关注。
从1940年作为绝缘介质开始，迄今已被广泛地应用在电力设备中，如
高压断路器、变压器、互感气、电容器、避雷器、接触器、熔断器、管道母等。
随着
SF6气体使用量的增加，范围的扩大，正确的使用和管理SF6气体，保护好我们赖以生
存的环境及人身安全等问题被提到了重要的议事日程上来。
SF6的主要性质
六氟化硫（SF6）是一种无色、无嗅、无毒、不可燃的惰性气体，化学性质稳定，有
优良的灭弧和绝缘性能，它的许多物理性质与二氧化碳（CO2）相识。
其相对密度在气态时为6.16g/cm3（20℃,0.1MPa时），在液态时为1400g/cm3（20℃时
）；在相同状态下约是空气相对密度的5倍。
为便于运输和贮存，SF6气体通常以液态
形式存在于钢瓶中。
SF6的重要物理特性见下表
SF6与空气的主要物理特性
SF6
空气
分子量
140.07
约28.8
临界压力（Mpa）
3.85
N2:
3.46,O2:
5.16
临界温度（℃）
45.6
N2:
-147,O2:
-118.8
介电常数（0.1MPa,25℃时）
1.002
1.005
密度（g/l）（0.1MPa,25℃时）
6.25
1.166
热导率（W/mK）（30℃时）
0.014
0.021
定压比热（J/kg.K）（0.1MPa,25℃时）
0.666×108
0.996×108
绝热系数（0.1MPa,0-1000℃时）
1.088-1.057
1.4-1.35
粘滞系数（Pa.s）（25℃时）
1.61×10-8
1.72×10-8
音速（m/s）（20℃时）
134
349
气体常数（kg.m/kg.k）（0.1MPa,0℃时）
5.81
29.27
分子结合能（eV）
22.4
N2:
9.7,O2:
5.1
1、SF6的状态参数
SF6是一种分子量很大的重气体，容易液化，因此与理想气体模型差异较大，用理想
气体的状态方程式来计算，在高压力、低温度下会产生很大的误差。
例如
在20℃（293K）下，SF6气体压力与密度的关系与理想气体之比较如下图。
在气体密
度增加时，实际压力值要比理想的低。
出现这个差异的原因在于SF6分子的体积大，
当空间容积缩小时，分子间距离减小，吸力增大，使分子与容器器壁间的作用力减弱
，即气体压力值降低。
SF6的绝缘特性
SF6具有优良的绝缘性能，这是它最早被用于电力设备的原因。
例如，0.3MPa压力的
SF6气体的绝缘强度就可能达到变压器油的水平，而压缩空气同样的绝缘强度要0.6—
0.7MPa。
因此，早在四十年代SF6就开始用于电缆、高压静电发生器中，后来才用到
开关中，现在又在变压器和高压互感器中应用。
SF6用在全封闭的组合电器中，取代
敞开式分立电器的空气绝缘，使传统的变电站设备构造发生了革命性的变化，这就是
SF6绝缘性能所显示出的优越性。
SF6气体的高绝缘强度是由卤族化合物的负电性，即对电子的吸附能力造成的。
卤族元素中又以F元素的负电性最强，它的化合物SF6仍有强负电性。
在温度不太高的
情况下（108K以下），产生SF6+e→SF6—的反应，生成负离子；使空间的自由电子
减少，而负离子的活泼性差，抑制了空间游离过程的发展，击穿不易形成，因此绝缘
强度大大提高
SF6气体的绝缘强度在不均匀的电场中要降低，这一点在设计与使用中应该引起
注意。
随着电场不均匀程度的增大，击穿场强下降，作为均匀电场的间隙击穿电压巴
申定律，即击穿电压（UK）与气压间隙乘积（pd）成正比，只能在很小范围内符合。
试验数据证明，在1—25mm间隙内，只有电场强度20KV/mm以下才符合巴申定律
。
因此，不能简单地靠增大间隙来提高击穿电压，而应该注意改善结构的电场均匀性
。
SF6气体绝缘特性还受杂质和电极表面状况影响很大。
充入电气设备的气体如混
杂了金属细屑，绝缘击穿电压将显著下降。
这种影响在工作气压越高时越显著，金属
细屑的尺寸越大绝缘强度降低越多。
所以在实际加工装配或检修工作中注意清洁条件
是很重要的。
电极表面如粗糙不平，局部电场增强，对绝缘强度下降影响也很大，加工光洁
度高的表面要比粗糙表面的绝缘强度高。
由于表面缺陷，凸起的出现呈随机性质，这
种局部电场增强效应也具随机性，对于面积越大的电极，局部放电的几率也越大。
这
就表现为绝缘强度随电极表面积增大而下降，并渐趋于一个稳定值。
金属屑末和电极表面突起造成的绝缘弱点可以通过老练加以改善。
老练就是对
气体间隙进行多次重复放电，通过放电燃烧缺陷（杂质、凸起），是间隙的击穿电压
提高。
此外，也可以采用在电极表面覆盖绝缘薄层的方法来提高绝缘强度。
2、SF6的导热性能
作为电器的绝缘介质，导热性要好，以避免温升过高。
SF6气体的热导率是不高的，
比空气低1/3。
这个参数表示，由于空间分子间的碰撞传递动能而形成的传热能
力，SF6不如空气。
但是，实际气体的传热过程主要是对流传热，即由于分子的流动
，携带热量转移，SF6分子量大，比热也大，对流传热能力要优于空气。
两个大气压
的SF6的对流传热能力与变压器油相同。
作为灭弧介质，在高温条件下工作，SF6有更为优越的特性。
高温条件下的气体的传
热过程还多了一个反应能的传递，即由于质点的扩散、流动携带电离或分解能，在空
间形成传热。
这个传热特性与气体的分解、离解特性有关，SF6分子在2000K附近高温
下大部分被分解成S、F元素或低氟化硫，分解反应吸收能量；在6000K以上形成离解
高峰，产生大量电子、离子，也吸收能量。
因此，在上述两个反应高峰温度附近，就
形成热导率的高峰，而主要成分为氮气的空气的分解导热高峰出现在7000K—8000K附
近。
SF6的导热高峰温度处于弧柱导电区外沿，对熄弧过程是十分有利的。
3、SF6的化学特性
SF6是一种常温下十分稳定的化合物，不易分解、变质。
在空气中不燃烧，不助燃，
与水、强碱、氨、盐酸、硫酸等不反应；在低于150℃时，SF6气体呈化学惰性，极少
熔于水，微熔于醇。
对电器设备中常用的金属及其它有机材料不发生化学作用在大气
压下，至少在500℃以下保持高度的化学稳定性，与金属材料，绝缘材料反应极微；
只是在600℃以上才有较强烈的分解，产生低氟化合物，有强烈的腐蚀性。
从电工设
备方面应用来说，至少在E级绝缘水平下是可以安全使用的
在高温下，例如在电弧或电晕放电作用下，SF6将分解成S和F原子，这些原子在高
温下降时大部分可以复合成SF6分子，但是在其他成分的参与下，如H2O、Cu、W等，
产生金属氟化物和硫的低氟化物，主要反应有：
4SF6+Cu+W→4SF4+CuF2+WF6
2SF6+Cu+W→2SF2+CuF2+WF6
在水分参与下，还会生成有严重腐蚀性的HF：
SF4+H2O→SOF2+2HF
SOF2+H2O→SO2+2HF（剧毒）
这些分解物中，HF、SO2、SF4、SF2等对绝缘材料金属材料有很大的腐蚀作用。
由上列分解反应可见，水分起了很坏的作用，是产生腐蚀性、毒性的主要促成
剂。
控制SF6气体中的含水量是气体质量控制的主要指标，有关的标准都作了规定，
如国际电工协会（IEC）规定，SF6新气中水分含量不得高于15ppm（重量比）。
必须
指出，在各种氟化物中，绝大多数都是有毒甚至剧毒物。
上述各分解反应物也是如此
，因此在SF6电器设备的使用中安全问题应给予充分重视。
装设吸附剂是个重要方法，活性氧化铝，活性炭及分子筛都是应用效果较好的
吸附剂，它们对吸附水分是有效的。
用于电器内部的结构材料应该尽量避免还有硅元素，如SiO2、陶瓷、玻璃等，
因为F、HF分解物对Si有强烈的腐蚀作用。
聚四氟乙烯，以氧化铝为填料的环氧树脂
等是比较好的材料。
4、SF6的灭弧特性
气体中的电弧是通过分子游离而形成的导电现象，电弧放电通道中主要是热游离方式
，
气体温度在4000—6000K以上时就开始出现热游离导电现象，SF6和空气的电导率随温
度的变化特性差异并不大，在4000K以下没有明显的游离，但在电弧的电极金属蒸气
参与下，实际的热游离起始温度降低到3000K左右，因此开关电弧的导电下限温度一
般在3000K附近。
电弧的熄灭过程就是弧隙游离产物（离子、电子）的复合、消游离，使间隙恢
复到绝缘介质状态的过程，这主要通过冷却降温，使电导率降低、消失。
表示电导减
小的速度常用电弧的时间常数来说明，电弧时间常数越小，表明弧柱温度或热量变化
越小，灭弧能力越强。
SF6的导热能力随温度的变化特性是她它具有优异熄弧能力特性的重要原因。
如
前所述，开关电弧以3000K为导电界限温度，电流集中在高于3000K以上的“弧芯”区
内，外围的低温区称为“弧焰区”。
SF6气体在3000K以上的导热率低，2000K附近的
导热率特别高，从径向热平衡考虑，弧焰区的散热良好，温度低，而弧芯区则导热差
，温度高，形成直径细的密集导电区。
相对来讲，空气电弧的弧芯直径就比SF6电弧
的大。
随着电流瞬时值的减小，SF6电弧的弧芯直径也逐渐减小，这种纤细型的弧芯
结构可以维持到很小的电流值（1A以下）。
电弧的时间常数与弧芯截面面积∏R2成正
比，即θ=C∏R2（C为常数），因此，在电流零点附近，电弧时间常数很小，或者说
，残余弧柱截面很小，这对于弧后介质强度的恢复是十分有利的。
当整个弧柱温度都降到导电温度（3000K）以下时，由于SF6气体的导热高峰，
是温度下降速度很快，介质强度恢复迅速。
此外，SF6气体的负电性也是形成优异灭弧性能的另一因素。
在弧焰区和弧后恢
复阶段，负电性起很重要作用，他使弧隙自由电子减少，电导率下降，介质温度提高
。
因此在灭弧室中应提供新鲜的气体，尽可能增加SF6气体与弧柱的接触，以增强吸
附的过程。
6、SF6气体的毒性来源
从有关部门的试验及研究结果可知，SF6气体的毒性主要来自5个方面。
（1）SF6产品不纯，出厂时含高毒性的低氟化硫、氟化氢等有毒气体。
大家知道，目
前化工行业制造SF6气体的方法主要是采用单质硫磺与过量气态氟直接化合反应而成
；即
S+3F2→SF6+Q（放出热量）。
在合成的粗品中含有多种杂质，其杂质的组成和含量因
原材料的纯度、生产设备的材质、工艺条件等因素的影响而有很大差异，杂质总含量
可达5%。
其组成有硫氟化合物，如：
S2、F2、SF2、SF4、S2F10O等；硫氟氧化合物
如SOF2、SO2F2、SOF4、S2F10O等以及原料中带入的杂质如HF、OF2、CF4、N2、O2等
。
为了净化粗品中的杂质，合成后的SF6气体还需要经过水洗、碱洗、热解（去除剧
毒的十氟化物）、干燥、吸附、冷冻、蒸馏提纯等一系列净化处理过程才能得到纯度
在99.8%以上的产品。
然后再用压缩机加压，充入降温至-80℃左右的钢瓶中，以液态
形式存在。
在使用时减压放出，呈气态冲入电气设备中。
除在上面的合成过程中产生的杂质外，另外，在气体的充装过程中还可能混入少
量的空气、水分、和矿物油等杂质，这些杂质均带有或会产生一定的毒性物质。
因此
，为保证SF6产品的纯度和质量，对出厂的SF6产品国际电工委员会（IEC）及许多国
家均制定了质量标准，并要求生产厂家在供货时提供生物试验无毒证明书。
（2）电器设备内的SF6气体在高温电弧发生作用时而产生的某些有毒产物。
例如：
SF6气体在电弧中的分解和与氧的反应：
2SF6+O2→2SOF2+8F（氟化亚硫酰）
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）电器设备内的SF6气体分解物与其内的水分发生化学反应而生成某些有毒产
物。
例如：
SF6气体分解物与水的继发性反应：
SF4+H2O→SOF2+2HF（氢氟酸）
SOF4+H2O→SO2F2+2HF（氢氟酸）
SOF2+H2O →SO2+2HF（二氧化硫）
SO2F2+2H2O →H2SO4+2HF（硫酸）
（4）电器设备内的SF6气体及分解物与电极（Cu－W合金）及金属材料（AL、Cu
）反应而生成某些有毒产物。
例如：
SF6气体及分解物与电极或其它材料反应：
3SF6+W →WF6（气态）+3SF4
3F+AL→ALF3（固态粉末）
3SOF2+AL2O3→2ALF3（固态粉末）+3SO2
SF6+Cu→CuF2（固态粉末）+SF6
4SF6+W+Cu→2S2F2（气态）+3WF6（气态）+CuF2（固态粉末）
（5）电器设备内的SF6气体及分解物与绝缘材料反应而生成某些有毒产物。
如与
含有硅成分的环氧酚醛玻璃丝布板（棒、管）等绝缘件；或以石英砂、玻璃作填料的
环氧树脂浇注件、模压件以及瓷瓶、硅橡胶、硅脂等起化学作用，生
成SiF4、Si（CH3）2F2等产物。
7、SF6气体的危害
长期以来，由于对SF6气体的使用、管理不善、而导致许多有毒的、具有腐蚀性
的气体
和固体分解物被排放到大气中，不但给我们赖以生存的环境造成了难以挽救的污染和
破坏，同时还危及电器设备的正常运行和人们的身体健康。
7.1对人及动物的危害
从医学的角度来讲，各种分解物气体及生成物对人体的影响程度不光取决于其毒性的
大小，还与吸入到人体内量的大小和每个人的身体素质有关。
作为客观地判断依据，
日本将每一种动物物质的允许浓度设定为五级。
即：
A——最低致命浓度；B——半致
命浓度（50%为死亡浓度）；C——短时间停留极限，通常为15min；D——出现毒性反
应的最低浓度；E——为每天8h，一周40h的正常劳动时间，大多数人在此浓度下工作
，均不会对健康有不良影响。
早在1979年，上海第一医学院和上海市化工局职业病防治研究所就对长期从事或
接触SF6气体的人群进行了调查及动物试验。
在对生产和使用SF6气体的两家企业的工人进行职业流行病学调查中，对年龄、
性别、劳动强度、专业工龄、是否吸烟等相近的工人，进行分组对照、比较，对工人
们的健康情况未发现有明显的损害。
但从统计的症状发生率来看，表现出乏力、记忆
力差、咽痛、胸闷的人数较多。
在对动物（雌性大、小鼠）进行分组急性静式染毒试验、亚急性静式染毒试验中，
分别将白鼠放在不同浓度的SF6新气体或（与电弧接触过的）开断气的气体分组箱里
。
其结果是急性静式染毒试验未发现异常，而亚急性静式染毒试验则发现一只大鼠的
肺毛细血管在电子显微镜下有轻度亚微结构改变。
是否就是由SF6气体引起的，因试
验的动物数量有限，还难以定论。
7.2对环境的危害
近百年来，地球气候正经历一次以全球变暖为主要特征的显著变化。
这种全球性
的气候变暖是由自然的气候波动和人类活动所增强的温室效应共同引起的。
减少温室
气体排放、减缓气候变化是《联合国气候变化公约》和《京都议定书》的主要目标，
而我国在减少温室气体排放方面所面临的国际压力越来越大。
温室效应是指大气中的二氧化碳等气体能透过太阳短波辐射，使地球表面升温。
同时阻挡地球表面向宇宙空间发射长波辐射，从而使大气增温。
由于二氧化碳等气体
的这一作用与“温室”的作用类似，故称之为“温室效应”，二氧化碳等气体被称为
“温室气体”。
目前，发现人类活动排放的温室气体有六种，它们是二氧化碳、甲烷
、氧化亚氮、氢氟碳合物、全氟化碳、六氟化硫，这当中氟化物就有三种。
其中CO2
对温室效应影响最大，占60%，而SF6气体的影响仅占0.1%，但SF6气体分子对温室效
应具有潜在的危害，这是因为SF6气体一个分子对温室效应的影响为CO2分子的25000
倍，同时，排放在大气中的SF6气体寿命特长，约3400年。
现今，每年排放到大气中
的CO2气体约210亿，而每年排放到大气中的SF6气体相当与1.25亿tCO2气体。
现在全球每年生产的大约8500tSF6气体中，约有一半以上用于电力工业。
而在
电力工业中，高压开关设备约占用气量的80%以上。
其中中压开关的用气量约占1/10
；主要是用在126～252kV的高压、330～800kV的超高压领域，特别是126kV～252kV
～550kV的断路器（GCB）、SF6封闭组合电器（GIS）、充气柜（C-GIS）、SF6气体
绝缘管道母线（GIL）中。
因此，合理、正确的使用管理SF6气体，减少排放量已到了
非整治不可的地步。
二、六氟化硫电气设备运行、试验及检修人员安全防护细则DL/T639—1997
1主题内容与适应范围
1.1本标准适用于六氟化硫气体的安全使用，设备运行和解体时的安全防护措施，
以及个人防护用品的管理与使用等内容。
1.2本标准适用于电力行业六氟化硫电气设备运行、试验及检修人员的安全防护，
其他有关六氟化硫电气设备使用单位亦可参照使用。
2引用标准
下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成标准的条文。
本标准出版时
，所示版本均为有效。
所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准
最新版本的可能性。
GB8905—1996六氟化硫电气设备中气体管理和检测导则
GB11651—89劳动保护用品选用规则
GB12022—89工业六氟化硫
DL/T595—1996六氟化硫电气设备气体监督细则
DL/T596—1996电力设备预防性试验规程
SD310—89六氟化硫气体生物毒性试验方法
IEC376—1972新六氟化硫的规范及验收
IEC480—1974电气设备中六氟化硫气体检测导则
3名词术语
3.1六氟化硫Sulphurhexafluoride
常温、常压下为气态，无毒、无色、无味，化学性能很稳定，在10132Pa、20℃
时的密度为6.16g/L，具有优异的绝缘灭弧电气性能。
3.2六氟化硫电气设备SF6electricalapparatus
指在电气设备内充以六氟化硫作为绝缘介质的电气设备，如六氟化硫断路器、变压器
、电缆、六氟化硫气体绝缘全封闭电器（GIS）等没。
3.3毒性分解物Toxicdecompositionproducts
在生产六氟化硫气体时，会伴有多种有毒气体产生，并可能混入产品中；六氟
化硫气体在电气设备中经电晕、火花及电弧放电作用，还会产生多种有毒、腐蚀性气
体及固体分解产物。
这些气体主要有氟化亚硫酰（SOF2）、氟化硫酰（SO2F2）、四
氟化硫（SF4）、四氟化硫酰（SOF4）、十氟化二硫（S2F10）、一氧十氟化二
硫（S2F10O）等；固体分解产物主要有氟化铜（CuF2）、二氟二甲基
硅[Si（CH3）2F2]、三氟化铝（AIF3）粉末等。
毒性分解物在工作场所的容许含量
见附录A。
3.4六氟化硫气体净化处理PurifinghandleforSF6gas
六氟化硫气体中的毒性分解物，有的可以用吸附剂吸收去掉，有的可以与酸溶液或碱
溶液进行化学反应去掉，用各种方法除去六氟化硫气体中毒性分解物的过程叫做六氟
化硫气体进化处理。
4六氟化硫的安全使用
4.1六氟化硫新气的安全使用和充装时的安全防护
4.1.1六氟化硫新气中可能存在一定量的毒性分解物，在使用六氟化硫新气的过程
中，要采用安全防护措施。
制造厂提供的六氟化硫气体应具有制造厂名称、气体净重
、灌装日期、批号及质量检验单，否则不准使用。
4.1.2对新购入的六氟化硫气体要进行抽样复检，参照DL/T595—1996《六氟化硫
电气设备气体监督细则》实施。
复检结果应符合六氟化硫新气标准（见附录B），否
则不准使用。
4.1.3从钢瓶中引出六氟化硫气体时，必须用减压阀降压。
4.1.4避免装有六氟化硫气体的钢瓶靠近热源或受阳光曝晒。
4.1.5使用过的六氟化硫气体钢瓶应关紧阀门，戴上瓶帽，防止剩余气体泄漏。
4.1.6户外设备充装六氟化硫气体时，工作人员应在上风方向操作；室内设备充装
六氟化硫气体时，要开启通风系统，并尽量避免和减少六氟化硫气体泄露到工作区。
要求用检漏仪做现场泄露检测，工作区空气中六氟化硫气体含量不得超过1000µL/L。
4.2六氟化硫试验室工作人员在安全防护
4.2.1六氟化硫试验室是进行六氟化硫新气和运行气体测试的场所，应此化验人员
经常会接触有毒气体、粉尘和毒性化学试剂。
试验室除具备操作毒性气体和毒性试剂
的一般要求外，还应具有良好的底部通风设施（对通风量的要求是15min内使室内换
气一次）。
4.2.2酸度、可水解氟化物、矿物油测定的吸收操作应在通风柜内进行；色谱分析
的有毒试样尾气和易燃的氢载气应从色谱仪排气口直接引出试验室；生物毒性试验的
尾气应经碱液吸收后排出室外。
4.2.3每个分析人员务必遵守分析试验室操作规程和六氟化硫气体使用规则，新来
的工作人员在没有正式工作之前，首先要接受安全教育和有关培训。
4.2.4试验室内不应存放剧毒和易燃品，使用时应随领随用。
4.2.5分析人员应配备各人安全防护用品。
4.3设备运行中的安全防护
4.3.1六氟化硫电气设备安装室与主控室之间要做气密性隔离，以防有毒气体扩散
进入主控室。
4.3.2设备安装室内应具有良好的通风系统，通风量应保证在15min内换气一次。
抽风口应设在室内下部。
4.3.3设备安装室底部应安装六氟化硫浓度报警仪和氧量仪，当六氟化硫浓度超
过1000µL/L，氧量低于18%时，仪器应报警。
4.3.4工作人员不准单独和随意进入设备安装室。
进入设备安装室前，应先通
风20min.
4.3.5不准在设备防爆膜附近停留。
4.3.6工作人员在进入电缆沟或低位区域前，应检测该区域内的含氧量，如发现氧
含量低于18%时，不能进入该区域工作。
4.3.7设备内六氟化硫气体的定期检测参照DL/T596—1996电力设备〈电力设备预
防性试验规程〉进行。
如发现气体中毒性分解物的含量不符和要求时，应采取有效的
措施，包括气体净化处理、更换吸附剂、更新六氟化硫气体、设备解体检修等。
4.3.8气体采样操作及处理渗漏时，工作人员要穿戴防护用品，并在通风条件下，
采取有效的防护措施。
4.4设备解体时的安全
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