高電壓技術(shù)——六氟化硫氣體

1、LOGO六氟化硫氣體六氟化硫氣體 臨沂供電公司臨沂供電公司一、一、SFSF6 6氣體物理性質(zhì)氣體物理性質(zhì) SF6氣體是無(wú)色、無(wú)臭、不燃、無(wú)毒的惰性氣體，具有優(yōu)良的絕緣性能，且不會(huì)老化變質(zhì)。它的比重約為空氣的5倍。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，62度時(shí)液化。絕緣強(qiáng)度受電極影響大，在均勻電場(chǎng)中為空氣的2到3倍，在3個(gè)大氣壓下絕緣強(qiáng)度與變壓器油相當(dāng)。在12個(gè)大氣壓下，0度時(shí)液化。這是它的物理性質(zhì)。二、二、SF6SF6氣體化學(xué)性質(zhì)氣體化學(xué)性質(zhì) SF6氣體不溶于水和變壓器油，在熾熱的溫度下，它與氧氣、氬氣、鋁及其他許多物質(zhì)不發(fā)生作用。但在電弧和電暈的作用下，SF6氣體會(huì)分解，產(chǎn)生低氟化合物，這些化合物會(huì)引起絕緣材料的

2、損壞，且這些低氟化合物是劇毒氣體。SF6的分解反應(yīng)與水分有很大關(guān)系，因此要有去潮措施。 在電弧高溫作用下，很少量的SF6會(huì)分解為有毒的SOF2、SO2F2、SF4和SOF4等，但在電弧過零值后，很快又再結(jié)合成SF6。因此，長(zhǎng)期密封使用的SF6，雖經(jīng)多次滅弧作用，也不會(huì)減少或變質(zhì)。電弧分解物的多少與SF6中所含水份有關(guān)，因此，把水份控制在規(guī)定值下是十分重要的。常用活性氧化鋁或活性炭、合成沸石等吸附劑，清除水分和電弧分解產(chǎn)物。 SF6氣體混入空氣時(shí)，會(huì)使絕緣強(qiáng)度下降，因此斷路器及其貯氣設(shè)備應(yīng)保持密封。 三、三、SF6SF6氣體電氣特性氣體電氣特性 (1)SF6分子很容易吸附自由電子，形成負(fù)離子，具

3、有較強(qiáng)的電負(fù)性。但在一定電場(chǎng)下，這些離子很難積累足夠的能量導(dǎo)致氣體電離。同時(shí)因?yàn)闅怏w中的自由電子減少，還降低了這些電子容易使氣體被擊穿的危害。因此，SF6氣體具有良好的絕緣性能，在均勻電場(chǎng)中SF6的絕緣強(qiáng)度比空氣大23倍，在0.3Mpa壓力下，絕緣強(qiáng)度超過變壓器油。但在不均勻電場(chǎng)中，其絕緣強(qiáng)度會(huì)下降，因此六氟化硫斷路器的部件多呈同心圓狀，以使電場(chǎng)均勻。 (2) SF6分子具有較強(qiáng)的電負(fù)性，使SF6具有強(qiáng)大的滅弧能力。因?yàn)镾F6分子吸附自由電子后變?yōu)樨?fù)離子，負(fù)離子容易和正離子復(fù)合形成中性分子，使電弧空間的導(dǎo)電性能很快消失。特別在電弧電流接近零值時(shí)，這種作用更加顯著。如果例用SF6氣體吹弧，使大量

4、新鮮的SF6分子不斷和電弧接觸則滅弧更加迅速。 由于SF6氣體滅弧能力強(qiáng)，從導(dǎo)電電弧向絕緣體變化速度特別快，所以SF6斷路器的開斷電流大，開斷時(shí)間短。在同一電壓等級(jí)，同一開斷電流和其它條件相同的條件下，SF6斷路器的串聯(lián)斷口較少。 （3）SF6氣體是多原子的分子氣體，在電弧高溫下分解和電離的情況非常復(fù)雜。SF6氣體中弧心部分導(dǎo)熱率低，溫度高，電導(dǎo)率大，其外焰部分導(dǎo)熱率高，溫度低，電導(dǎo)率小，所以電弧電流幾乎集中在弧心部分。因此，在SF6氣體中，可以看到很細(xì)、很亮的電弧，幾乎看不到外焰部位。這也是SF6氣體滅弧時(shí)間短的原因之一。 當(dāng)電弧電流減小趨近于零值時(shí)，SF6分子此時(shí)電負(fù)性顯著，從而使電流保持

5、連續(xù)，可使細(xì)小的弧心一直存在到極小的電流范圍。SF6電弧的這種特點(diǎn)，使斷路器開斷小電流時(shí)，也不會(huì)由于截流作用而產(chǎn)生操作過電壓。 四、四、SF6SF6的絕緣特性的絕緣特性 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(qiáng)度就可能達(dá)到變壓器油的水平，而壓縮空氣同樣的絕緣強(qiáng)度要0.60.7MPa。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(lái)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。 SF

6、6氣體的高絕緣強(qiáng)度是由鹵族化合物的負(fù)電性，即對(duì)電子的吸附能力造成的。鹵族元素中又以F元素的負(fù)電性最強(qiáng)，它的化合物SF6仍有強(qiáng)負(fù)電性。在溫度不太高的情況下，產(chǎn)生SF6+eSF6 的反應(yīng)，生成負(fù)離子；使空間的自由電子減少，而負(fù)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(qiáng)度大大提高 SF6氣體的絕緣強(qiáng)度在不均勻的電場(chǎng)中要降低，這一點(diǎn)在設(shè)計(jì)與使用中應(yīng)該引起注意。隨著電場(chǎng)不均勻程度的增大，擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降，作為均勻電場(chǎng)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(yàn)數(shù)據(jù)證明，在125mm間隙內(nèi)，只有電場(chǎng)強(qiáng)度20KV/mm以下才符合巴申

7、定律。因此，不能簡(jiǎn)單地靠增大間隙來(lái)提高擊穿電壓，而應(yīng)該注意改善結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)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(xì)屑，絕緣擊穿電壓將顯著下降。這種影響在工作氣壓越高時(shí)越顯著，金屬細(xì)屑的尺寸越大絕緣強(qiáng)度降低越多。 電極表面如粗糙不平，局部電場(chǎng)增強(qiáng)，對(duì)絕緣強(qiáng)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(qiáng)度高。由于表面缺陷，凸起的出現(xiàn)呈隨機(jī)性質(zhì)，這種局部電場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)也具隨機(jī)性，對(duì)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(qiáng)度隨電極表面積增大而下降，并漸趨于一個(gè)穩(wěn)定值。 金屬屑末和電極表面突起造成的絕緣弱點(diǎn)可以通過老練加以改善。老

8、練就是對(duì)氣體間隙進(jìn)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(lái)提高絕緣強(qiáng)度。 五、五、SF6SF6的滅弧特性的滅弧特性 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40006000K以上時(shí)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(shí)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)

9、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。1 1、滅弧作用、滅弧作用 1）SF6的復(fù)合作用。SF6某些高溫電弧產(chǎn)物，在消弧瞬間可能復(fù)合，剩余弧柱的介質(zhì)強(qiáng)度可很快地恢復(fù)到某種程度的初始階段。2）SF6的冷卻作用。SF6為優(yōu)良的冷卻介質(zhì)，其冷卻散熱的效果較好，可有效降低電弧溫度，有利于電弧熄滅。3）SF6具有吸附電子的能力。A可減少電子密度，降低電導(dǎo)，促使電弧熄滅；B由于SF6-的離子遷移速度比電子慢，SF 與SF +易復(fù)合成SF6，也有利于電弧的熄滅。2 2、電弧分解產(chǎn)物、電弧分解產(chǎn)物1）SF6電弧分解產(chǎn)物的形成：1、熱分解和熱電離；2、涉及F與電極材料中的金屬（銅、鎢）蒸氣

10、的反應(yīng)；3、SF6的分解產(chǎn)物與設(shè)備中微量水分等的反應(yīng)，其產(chǎn)物較為復(fù)雜。隨著溫度增加，分解作用逐漸顯著， SF6絕緣性能遭到破壞。有關(guān)反應(yīng)的反應(yīng)式舉例如下：自身分解及金屬的反應(yīng)：SF6SF4+F2;3SF6+W3SF4+WF6(氣體)；SF6+CUSF4+ CUF2(絕緣固體粉末)；水解反應(yīng)：SF6+6H2O2SO2+12HF+O2;SF6+H2OSOF2+2HF;WF6+3H2O6HF+WO3(絕緣固體粉末);SOF2+H2OSO2+2HF;氧的作用：2SF4+O22SOF4;若氧和水同時(shí)存在，可生成含有氧氟化物（SOF）和HF等。 TEXTTEXTTEXTTEXT2）SF6分解產(chǎn)物的危害A）

11、氣體分解產(chǎn)物。SO2、HF和SOF2等腐蝕金屬及設(shè)備的有關(guān)部件，加速絕緣材料老化，降低SF6的電氣性能，特別容易污染固體絕緣材料，使其延面閃絡(luò)電壓大為降低，導(dǎo)致其局部放電。B）固體分解產(chǎn)物。WO3、CUF2等固體產(chǎn)物，若沉淀在環(huán)氧樹脂等固體絕緣材料表面，在SF6中微水作用下，可降低其沿面閃絡(luò)電壓。由此，長(zhǎng)期的運(yùn)行過程中，設(shè)備內(nèi)部有一處相對(duì)微小局部放電可能會(huì)產(chǎn)生足夠數(shù)量的腐蝕性物質(zhì)，引起設(shè)備缺陷。C）水分的危害。設(shè)備內(nèi)部的水分，可能由SF6和設(shè)備部件帶入，或因密封不嚴(yán)，空氣中的水汽侵入。侵入的水分會(huì)降低電氣設(shè)備的絕緣性能，也會(huì)間接造成設(shè)備的腐蝕；分解產(chǎn)物的水解反應(yīng)能阻礙SF6分解產(chǎn)物的復(fù)合，降低

12、SF6的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度，也增加了毒性及有害物質(zhì)的組分和含量。 六、六、SF6SF6的導(dǎo)熱性能的導(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(gè)參數(shù)表示，由于空間分子間的碰撞傳遞動(dòng)能而形成的傳熱能力，SF6不如空氣。 但是，實(shí)際氣體的傳熱過程主要是對(duì)流傳熱，即由于分子的流動(dòng)，攜帶熱量轉(zhuǎn)移，SF6分子量大，比熱也大，對(duì)流傳熱能力要優(yōu)于空氣。兩個(gè)大氣壓的SF6的對(duì)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(gè)反應(yīng)能的傳遞，即由于質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散、流動(dòng)攜帶電離或分解能，在空間形成

13、傳熱。這個(gè)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(gè)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?dú)獾目諝獾姆纸鈱?dǎo)熱高峰出現(xiàn)在7000K8000K附近。SF6的導(dǎo)熱高峰溫度處于弧柱導(dǎo)電區(qū)外沿，對(duì)熄弧過程是十分有利的。 七、七、SF6SF6氣體的毒性來(lái)源氣體的毒性來(lái)源 （1）SF6產(chǎn)品不純，出廠時(shí)含高毒性的低氟化硫、氟化氫等有毒氣體。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(huì)產(chǎn)生一定的毒性物

14、質(zhì)。（2）電器設(shè)備內(nèi)的SF6氣體在高溫電弧發(fā)生作用時(shí)而產(chǎn)生的某些有毒產(chǎn)物。（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。 （4）電器設(shè)備內(nèi)的SF6氣體及分解物與電極（CuW合金）及金屬材料（AL、Cu）反應(yīng)而生成某些有毒產(chǎn)物。（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。 為此電業(yè)安全工作規(guī)程（發(fā)電廠和變電所電氣部分）特別規(guī)定，裝有SF6設(shè)備的配電裝置室和氣體實(shí)驗(yàn)室必須保證SF6氣體濃度小于 1000ppm ，除須裝有強(qiáng)力通風(fēng)裝置外還必須能報(bào)警的氧量?jī)x和SF6氣體泄漏報(bào)警儀。 八、八、SFSF6 6氣體中水分的危害氣體中水分的危害 1、S

15、F6氣體中混雜的水分通常以水蒸汽形式存在。在較低溫度下，水蒸汽可能凝結(jié)成露附著在零件表面，如附著在絕緣件表面就有可能產(chǎn)生沿面放電。實(shí)際上SF6開關(guān)設(shè)備的內(nèi)絕緣事故主要是由SF6氣體中水分凝露造成的。2、水分的危害更主要的是在電弧作用下SF6氣體分解過程中產(chǎn)生反應(yīng)。在電弧或電暈高溫作用下，SF6將被分解為SF4，SO2F2(氟化硫酰)，SOF2(氟化亞硫酰)，HF和SO2等有毒物質(zhì)。生成物HF(氫氟酸)是所有酸中腐蝕性最強(qiáng)的，SO2遇水會(huì)生成亞硫酸H2SO3，這也是有腐蝕性的物質(zhì)。由此看來(lái)，如SF6氣體中含有水分，不僅降低設(shè)備的絕緣強(qiáng)度，而且危害人體健康，因而控制SF6氣體中水分含量是十分必要的

16、。 九、環(huán)境溫度對(duì)九、環(huán)境溫度對(duì)SFSF6 6氣體中水分含量的影響氣體中水分含量的影響 在對(duì)SF6斷路器進(jìn)行微水測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)同一臺(tái)斷路器，由于測(cè)量時(shí)環(huán)境溫度不同，其測(cè)量結(jié)果相差很大，且微水測(cè)量值隨環(huán)境溫度的增高而增大。西安高壓電器研究所也曾對(duì)SF6氣體含水量與環(huán)境溫度值的關(guān)系進(jìn)行研究。 認(rèn)為：由于設(shè)備的零部件暴露在空氣中吸收了空氣中的水分，這些水分附著在材料表面或分子間隙內(nèi)，由于這些零部件材質(zhì)的含水量大于充入的SF6氣體的含水量，于是它們便向SF6氣體中排放。當(dāng)溫度增加時(shí)，零部件的水分放出量增加，使SF6氣體的含水量增加。而當(dāng)溫度降低時(shí)，容器內(nèi)壁以及零部件吸回一部分水分，使SF6氣體的含水量

17、降低。這就造成電器設(shè)備中SF6氣體的含水量與環(huán)境溫度有關(guān)。 十、診斷十、診斷SF6SF6電氣設(shè)備內(nèi)部故障新技術(shù)電氣設(shè)備內(nèi)部故障新技術(shù) 1 1、 SFSF6 6電氣設(shè)備內(nèi)部故障時(shí)絕緣材料分解產(chǎn)物的特征電氣設(shè)備內(nèi)部故障時(shí)絕緣材料分解產(chǎn)物的特征 SF6氣體和熱固型環(huán)氧樹脂有很好的熱穩(wěn)定性，只有當(dāng)溫度超過500后，才會(huì)開始分解；而匝層間用的聚乙烯薄膜其熱解溫度在200左右，因此，對(duì)于正常運(yùn)行的SF6電氣設(shè)備不會(huì)有SF6等絕緣材料的分解產(chǎn)物。對(duì)于斷路器，雖在分、合時(shí)產(chǎn)生高溫電弧，使SF6生成帶電離子，但因其分、合速度極快，又有高效的滅弧功能，使帶電離子又在瞬間得到復(fù)合成SF6, 其復(fù)合率達(dá)99.9以上，

18、而熱固型絕緣材料又遠(yuǎn)離電弧區(qū), 因此，正常因此，正常運(yùn)行的斷路器中也沒有運(yùn)行的斷路器中也沒有SFSF6 6氣體和固體絕緣材料的分解物。氣體和固體絕緣材料的分解物。 但若設(shè)備內(nèi)部存在局部放電和嚴(yán)重過熱性故障時(shí)，將使故障區(qū)域的固體絕緣材料和SF6氣體發(fā)生分解，產(chǎn)生氟化物和硫化物。 2 2、 內(nèi)部反應(yīng)狀況內(nèi)部反應(yīng)狀況 SFSF6 6氣體在火花、電弧作用下產(chǎn)生裂解，其分解產(chǎn)物與設(shè)備中微量水氣體在火花、電弧作用下產(chǎn)生裂解，其分解產(chǎn)物與設(shè)備中微量水分反應(yīng)，雖降低水分含量，但其水解反應(yīng)所產(chǎn)生的各種產(chǎn)物腐蝕設(shè)備金分反應(yīng)，雖降低水分含量，但其水解反應(yīng)所產(chǎn)生的各種產(chǎn)物腐蝕設(shè)備金屬外殼，觸頭、導(dǎo)體、密封件，加速絕緣

19、材料老化，降低屬外殼，觸頭、導(dǎo)體、密封件，加速絕緣材料老化，降低SFSF6 6電氣性能電氣性能 分解產(chǎn)物的水解反應(yīng)能阻礙分解產(chǎn)物的水解反應(yīng)能阻礙SFSF6 6分解產(chǎn)物的復(fù)合，降低分解產(chǎn)物的復(fù)合，降低SFSF6 6的介電恢復(fù)的介電恢復(fù)強(qiáng)度，也增加了毒性及有害物質(zhì)的組分和含量強(qiáng)度，也增加了毒性及有害物質(zhì)的組分和含量 SFSF6 6設(shè)備內(nèi)部存在少量的金屬離子、灰塵雜質(zhì)等污物，增加其發(fā)生局設(shè)備內(nèi)部存在少量的金屬離子、灰塵雜質(zhì)等污物，增加其發(fā)生局部放電的可能部放電的可能 3 3、故障狀態(tài)及相應(yīng)分解物、故障狀態(tài)及相應(yīng)分解物 SF6電氣設(shè)備內(nèi)部故障可分為局部放電和過熱兩大類。而局部放電又分為電暈放電、火花放電和電弧放電。內(nèi)部常見的故障部位歸納為以下三種： 1)1)、導(dǎo)電金屬對(duì)地放電、導(dǎo)電金屬對(duì)地放電這類故障主要表現(xiàn)在SF6氣體中存在導(dǎo)電顆粒雜質(zhì)引起對(duì)地放電和絕緣子絕緣缺陷后引起對(duì)地放電。這種放電