SF6气体研究.docx

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SF6气体研究

六氟化硫结构式

SF6气体具有优良的电气强度和灭弧性能，在电力系统中得到了广泛的应用，但当SF6气体被排放在大气中时，作为高度稳定的温室效应气体，它却能促使地球气候变化，给人类的生存环境带来严重影响。

限制SF6气体的排放量，探索新的可替代SF6气体势在必行。

1　前言

　　随着工农业生产的发展，人类的活动领域不断扩大，从而使我们所生活的环境也发生了巨大的变化。

重现全球气候变暖已确定为2000年地球日的重点之一，气候变暖会导致异常的天气事件，如热浪和干旱、疾病的传播等。

保护地球、保护生态环境已成为当今世界各国的一项伟大历史使命。

　　以CO2为代表的温室效应气体，虽然使太阳光中短波成分容易透射，但它容易吸收从地球表面来的波长较长的光（如红外线）。

大量的温室效应气体被释放在空气中，并在地球上空形成一个气体层，这些气体吸收的红外线不能穿过气体层向外辐射，从而导致大气温度明显上升变暖，这种现象就称为温室效应。

　　在刚过去的一个多世纪，全球平均气温大约上升了5～9℃［1］，而且有记载的11个温度最高的年份全部发生在1980年以后。

现在公认的科学意见，全球温度上升的主要原因是人类排放的温室效应气体———CO2、CH4、PFCs、HFCs、N2O以及SF6造成的。

SF6气体虽然不会破坏臭氧层，但对全球气候变暖有特别大的影响。

在电力系统中，气体绝缘设备有两种类型：

一是主要利用气体绝缘特性，如开关设备（GIS）、管道输电或气体绝缘电缆（CGIT）等。

另一种是用以消除电弧放电的设备，以气体断路器（GCB）为代表，它们普遍采用以SF6为气体绝缘方式，并且现在占据着稳固的难以替代的地位。

为此，减少SF6气体排放量以改善我们的生存环境，已成为一个巨大的课题。

SF6气体已有百年历史，它是法国两位化学家Moissan和Lebeau于1900年合成的人造惰性气体，1940年前后，美国军方将其用于曼哈顿计划（核军事）。

1947年提供商用。

当前SF6气体主要用于电力工业中。

SF6气体用于4种类型的电气设备作为绝缘和/或灭弧；SF6断路器及GIS（在这里指六氟化硫封闭式组合电器，国际上称为“气体绝缘开关设备”（GasInsulatedSwitchgear））、SF6负荷开关设备，SF6绝缘输电管线，SF6变压器及SF6绝缘变电站。

80%用于高中压电力设备。

第二章

2.1SF6气体性质--物理性质和化学性质

2.2.1SF6气体物理性质

SF6气体是无色、无臭、不燃、无毒的惰性气体，具有优良的绝缘性能，且不会老化变质。

它的比重约为空气的5倍。

在标准大气压下，－62度时液化。

绝缘强度受电极影响大，在均匀电场中为空气的2到3倍，在3个大气压下绝缘强度与变压器油相当。

在12个大气压下，0度时液化。

这是它的物理性质。

参

数

气

体

分子量

临界压力

（Mpa）

临界温度

（℃）

密度（g/l）

（0.1MPa,25℃时）

热导率（W/mK）（30℃时）

绝热系数

（0.1MPa,0-1000℃时）

气体常数

（kg.m/kg.k）

（0.1Mpa,0℃时）

空气

28.8

3.46（N2）

5.16（O2）

-147（N2）

-118.8（O2）

1.166

0.021

1.4-1.35

29.27

SF6

140.07

3.85

45.6

6.25

0.014

1.088-1.057

5.81

2.2.1SF6气体化学性质

SF6气体不溶于水和变压器油，在炽热的温度下，它与氧气、氩气、铝及其他许多物质不发生作用。

但在电弧和电晕的作用下，SF6气体会分解，产生低氟化合物，这些化合物会引起绝缘材料的损坏，且这些低氟化合物是剧毒气体。

SF6的分解反应与水分有很大关系，因此要有去潮措施。

在电弧高温作用下，很少量的SF6会分解为有毒的SOF2、SO2F2、SF4和SOF4等，但在电弧过零值后，很快又再结合成SF6。

因此，长期密封使用的SF6，虽经多次灭弧作用，也不会减少或变质。

电弧分解物的多少与SF6中所含水份有关，因此，把水份控制在规定值下是十分重要的。

常用活性氧化铝或活性炭、合成沸石等吸附剂，清除水分和电弧分解产物。

SF6气体混入空气时，会使绝缘强度下降，因此断路器及其贮气设备应保持密封。

SF6容易液化，液化温度与压力有关，压力升高时液化温度也增高，所以SF6气体都不采用过高的压力，以使其保持气态。

双压式断路器，高压侧压力为1.5MPa左右；单压式断路器，压力为0.3—0.5Mpa。

2.3SF6气体的绝缘的种类及气体绝缘

2.3.1SF6气体的绝缘的种类

绝缘方式多种多样，按绝缘物的形态可分为以下几种：

（1）空气绝缘；

（2）除空气以外的气体绝缘；

（3）液体（主要是绝缘油）绝缘；

（4）固体绝缘（如石蜡、聚乙烯、有机物等）；

（5）真空绝缘；

（6）复合绝缘（如油浸纸等）。

　　电力系统和电力设备中常用空气绝缘和油绝缘，现在有转向气体绝缘和固体绝缘的倾向。

作为典型的例子，就是变电设备（开关装置和变压器）以及电缆中的绝缘。

　　把除空气以外的其它气体作为主要绝缘物的绝缘称为气体绝缘，则气体绝缘中最重要的绝缘是SF6气体绝缘，它有如下主要特点：

同空气绝缘相比：

（1）绝缘强度高；

（2）具有优良的灭弧性能；

（3）具有良好的冷却特性；

（4）由于具有不燃性，所以对热具有稳定性；

（5）将SF6气体和其它一些含卤族元素的气体组成混合气体，其电气强度可能比纯SF6气体更高。

　　同固体和液体绝缘物相比，介电常数低，充电电流小。

　　气体绝缘方式的采用，开始于二十世纪三十年代的美国，当初以直流高电压电源、电容器、变压器等为对象，利用高气压的空气、氮气及二氧化碳气体作为绝缘物，这以后，由于含氟含氯气体具有较高的绝缘强度，尤其是氟里昂气体被使用，给高电压绝缘注入了新的活力，然而，现在一直使用的是SF6气体。

2.3.2绝缘特性

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。

2.3.3影响绝缘强度的因素

1.SF6气体的绝缘强度在不均匀的电场中要降低，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。

2.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。

3.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。

2.4SF6气体绝缘强度与其他气体相比

SF6断路器之所以在近年来得到了迅速的发展，其主要的原因就在于SF6气体同其他绝缘介质相比具有很多的优点：

1．SF6气体的绝缘强度高，决定了SF6断路器单个断口所能承受的电压要比其他形式的断路器要高，据介绍已经有500kV的单断口断路器出现了；SF6气体的熄弧性能好，决定了SF6断路器的灭弧能力强，这样它的开断能力要大于其他形式的断路器，单断口已经能够达到100kA，这是其他形式的断路器无法达到的，尤其是在现在，电力系统的容量越来越大，很多变电站的短路容量已经达到了近五十千安，一些枢纽变电站甚至达到了60——70kA，如果没有SF6断路器，那么就无法满足短路容量的要求，在系统短路时，无法切除故障。

2．SF6气体在燃弧时的导电性能比较好，电弧电压比较低，小电流的情况下也能够稳定的燃弧，所以，在切断小电流时很少发生截流现象，这样就不会造成过电压，给设备造成损坏。

来源:

3．SF6气体在熄弧后介质强度的恢复速度比较快，能承受比较快的瞬时恢复电压，所以在切断空载线路是不会发生多次重击穿，在切断近区故障时特别有利，就是说它不仅开断短路电流的性能强，在一些特别的开断情况下，SF6断路器的开断性能也是很好的。

4．由于SF6气体中不含氧的成分，而且燃弧时电弧能量小，所以，它对内部金属部件，包括触头、导电杆等的氧化作用就很小，触头在燃弧时的烧蚀也比较轻微，而SF6气体在电弧作用下分解后又能够很快的重新复合，所以整个SF6断路器能满容量开断的次数比其他形式的断路器要大大增加了，相应的检修周期就延长了。

5．由于SF6断路器增大了单个断口的额定电压和开断电流，所以它的体积就相应的减小了，尤其是我们可以把整个变电站集成起来，做成全封闭的气体绝缘变电站，就是现在在很多单位都安装了的GIS；它的结构特别紧凑，占地面积很小，只相当于常规变电站的百分之几到百分之十几，而且电压等级越高，效果越明显，这一点在山区和人口稠密的大城市十分有利；此外，它的噪音和污染小，防污染能力强，又没有爆炸和引起火灾的危险。

2.5SF6气体绝缘对环境的问题

在电力系统中，使用气体绝缘与环境问题密切相关，必须考虑如下几点。

2.5.1　气体本身的有毒性，有害性

　　有些气体的绝缘强度较高，如SO2、CCl4等，但是它们本身具有毒性，如果泄漏于空气中，就会对人体造成巨大伤害，所以在选择绝缘气体时，必须考虑气体本身有无毒性。

2.5.2　放电或发热产生的分解物的有毒性、有害性

　　几年前，SF6分解而产生的S2F10物质是否有毒还是一个悬念，尤其是在美国进行了这方面的大量研究。

然而，S2F10的检验很困难且产生的量又少，其中还含有其它的分解生成物，由于用吸附剂就能除去，所以这不会产生什么问题。

2.5.3　对臭氧层的影响

　　对臭氧层的破坏是从CFC（ChlorinatedFluoro－carbon）分解出的原子态氯，通过媒质的作用而产生的臭氧分子所引起的。

其它的卤族元素也具有类似的作用。

但是，游离态的F立即与游离态的H发生反应生成HF，对臭氧的破坏效果据认为是卤族的

10－4倍。

因此，如果SF6的浓度达不到CFC的10－3倍时，这种影响可忽略。

2.5.4　SF6与地球的温室效应

（1）关于GWP

定量地表示气体的温室效应最简单的指标就是地球的温暖化系数GWP（GlobalWarmingPotential）。

地球变暖是由气体的红外区吸收的光谱所决定，大气中的浓度依赖于考察的气体的寿命和温暖化的年数，几种主要气体的特性表示于附表［5］中。

从表中可以看出，SF6气体的GWP比其它几种气体大得多。

不过，影响地球温暖化的大小与温室效应气体的GWP大小和大气中所含该气体浓度的乘积有关，所以现在SF6气体的影响比CO2的影响小得多。

但是，GWP值大对温暖化的潜在影响也就大。

今后SF6气体的排放量继续增大的话，其影响力变得相当大也就成为可能。

2.5.5SF6气体的生产量及其在大气中的浓度

　　全世界SF6的产量在1995年大概是8000t到9000t之间，估计现在已突破20万吨（包括储存量）。

全世界电力工业的SF6年用量在7000t左右，其主要用于断路器和其它输配电设备。

理论上，SF6气体可以回收再利用，绝不允许泄漏到大气中。

然而，在实际运行中，有很大的泄漏。

估计美国年泄漏的SF6气体约相当于8tCO2，而在10年前，大气中的SF6气体浓度几乎感觉不到，现在，它约为3．2ppt（1ppt＝10－12）。

这些泄漏气体很大部分归因于电力工业。

　　随着SF6气体使用量、排放量的增加，大气中的SF6气体浓度也在逐年增加，其浓度大小随地点、季节而变化，工业化先进的北半球比南半球约高0．4ppt，接近4ppt。

然而，北半球最近几年间，大气中SF6气体浓度呈直线上升的趋势。

2.5.6　对温室效应的预测

　　关于今后大气中SF6的浓度以及温室效应的典型计算结果已经有报道。

据此，假如2000年以后每年SF6气体的排放量为6800t，或者1999年后为10000t，按SF6气体在空气中的寿命为无限大进行计算，到2010年时预测SF6气体在空气中的浓度为8ppt（若1999年后每年排放10000t，则为10ppt）。

另外，在此报道中还给出了大气温度上升趋势变化情况。

可见，按最严格的条件来考虑，到2010年，大气温度要上升0．0043℃，到2100年是0．02℃，与此相对，由CO2气体产生的温室效应也依赖于今后的排放量。

据估计，到2010年由CO2所引起的大气温升为0．8℃，2100年时为2～5℃。

2.5.7　抑制温室效应的措施

　　为了抑制由SF6气体带来的温室效应，必须从如下几个方面着手：

（1）政府部门在制定有关政策时，要正确处理发展经济和保护环境的关系；

（2）立法部门加强环保立法，增强人们的环保意识；

　　（3）设定再回收、再利用的程序，并确定SF6排放的极限值；

（4）加强回收装置的开发，以提高回收效率；

（5）努力寻找SF6的替代气体。

　　据计算可得，SF6气体的排放每减少1t，按GWP换算，就相当于减少了24000t的CO2气体排放量（或相当于6500t碳）。

所以，现在使用的气体绝缘设备每年气体排放量是400～600t，如果每年排放减少70t，相当于每年实际排放CO2气体为800～1300万吨之间，那么，现在每年的排放量就相当于1990年时的0．6～1％（1990年CO2气体的排放量为12．4亿吨。

　　在美国，环保局和电力部门之间建立起义务减少SF6气体排放量的伙伴关系，与参加合作伙伴的电力公司签署协议，环保局和其合作伙伴为了进一步减少排放的目标而努力。

2.5.8探索新的绝缘气体及混合气体

　　替代SF6气体的研究，从20世纪70年代到80年代，美国的EPRI（电力研究所）积极开展了这方面的工作，虽然这期间有采用Vapor面有比SF6气体更加优越的气体存在的观点。

关于绝缘特性方面，如附表所示，在相同的气压下，放电电压比SF6气体高的气体有几种，但从液化温度和有无毒性、稳定性等方面综合来看，却没有比SF6更加优越的气体。

考虑到全球性的环境影响这一新的特性，最近再一次开始了探索替代SF6的新气体的研究工作。

考虑到对臭氧层的破坏，所以在研究时附加上不包含Cl元素或Br元素的气体这一新的控制条件，探索工作正在进行之中。

迄今为止，似乎还没有找到可以替代SF6的气体。

在有关文献中，对元素的各种可能组合进行一一处理，结果表明，能够完全对环境不造成不利影响而又能够使用的气体只有空气和氮气。

但是，经过实验研究发现，如果把绝缘性能优良的SF6和N2混合，就能得到如下所期望的结果。

（1）SF6气体的使用量、排放量降低；

（2）使用的气体总体价格降低；

（3）液化温度降低；

（4）把绝缘强度高的电负性气体和通常气体混合时，根据混合比例，电气绝缘强度呈非线性上升趋势。

现在盛行研究的混合气体几乎都是SF6和N2的组合气体，虽然可以减少SF6的使用量、保存量及潜在的排放量和泄漏量，但也有不足之处。

第一，混合气体的电气强度比纯SF6气体低，要提高击穿电压，就必须增大气压，从而增加设备的尺寸；第二，液化回收困难。

由于象N2之类的气体不易液化，所以要通过让它液化来提高回收效率是极其困难的。

基于以上两点，结果使得温室效应气体的放出率升高。

2.5.9结论

　　1．SF6气体是具有高度稳定性的温室效应气体，当它被排放在大气中时，能促使地球气候变化，给人类的生存环境带来不利影响。

　　2．从抑制地球温室效应的角度来看，电力部门应当削减电力用SF6气体的使用量并限制排放量，探索新的可替代气体，加强对SF6混合气体回收技术的攻关。

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