六氟化硫开关运行维护知识Word文件下载.docx

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　　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）3.85N2:

3.46,O2:

5.16临界温度（℃）

45.6N2:

-147,O2:

-118.8

介电常数（0.1MPa,25℃时）1.0021.005

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,

4、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：