第八章六氟化硫絕緣氣體

第八章六氟化硫絕緣氣體SF6氣體絕緣的電氣設(shè)備與充油電氣設(shè)備相比，它具有以下主要特點：不易著火、安全性高；使用壽命和檢修周期長；占地面積小，安裝、操作簡便；性能優(yōu)良、運行可靠。第一節(jié)SF6氣體的性質(zhì)一、SF6的結(jié)構(gòu)特點SF6的分子為一正八面體的立體結(jié)構(gòu)。SF6分子所獨有的結(jié)構(gòu)特點使SF6氣體具有獨特的物理化學(xué)性能和電氣性能。

二、SF6的物理性質(zhì)SF6在常溫、常壓下，為無色、無味、無毒的不可燃氣體。SF6在設(shè)備中的工作壓力通常為0.2～0.7MPa，呈氣態(tài)。SF6的密度比空氣大，約為空氣的5倍，因而具有強烈的窒息性。SF6為優(yōu)良的冷卻介質(zhì)。SF6在不同的溫度和壓力下，可呈氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)，使用中應(yīng)予注意。

三、SF6的化學(xué)性質(zhì)SF6的結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，化學(xué)性也極不活潑。在空氣中不燃燒、不助燃，與硫酸、鹽酸、強堿、水、氨等不反應(yīng)。在150℃以下，SF6不與設(shè)備中的電氣材料起化學(xué)反應(yīng)；超過150℃時，硅鋼會促使SF6分解，并有微弱反應(yīng)；有銅或鋁存在時，SF6在200℃左右開始分解；在250℃左右可與SO3發(fā)生反應(yīng)：SF6十2SO33SO2F2在室溫下，SF6可被無水碘酸定量地還原：SF6十8HIH2S十6HF十4I2SF6對各種金屬的腐蝕性是很微弱的。

四、SF6絕緣特性1.SF6的高絕緣強度SF6是一種高絕緣強度的氣體電介質(zhì)。SF6具有高絕緣強度的主要原因是：在SF6分子中，六個F原子緊密地圍繞其分子表面，使SF6具有很強的電負性，容易與電子結(jié)合形成負離子，削弱電子碰撞電離的能力，阻礙電離的形成和發(fā)展。負離子形成的反應(yīng)如下式：

SF6＋eSF6－

SF6＋eSF5－＋FSF6分子直徑比空氣中氧、氮分子大，使得電子在SF6中的平均自由行程縮短，不易在電場中積累能量，從而減少了自由電子的碰撞電離的能力。SF6的分子量是空氣的5倍。SF6負離子的質(zhì)量更大，其離子遷移率比空氣中氧、氮離子的遷移速度更小，極易與正離子發(fā)生復(fù)合作用而形成中性分子，使氣體中帶電質(zhì)點減少，不易形成放電。所謂電負性就是分子或原子吸收自由電子形成負離子的特性。電負性的大小表示分子或原子吸收自由電子能力的強弱。電負性的大小一般以“電子親和能”衡量。分子吸收自由電子時釋放出能量，稱為“電子親和能”。分子與電子結(jié)合，釋放出的能量愈多，則電子親和能愈大，該物質(zhì)的電負性愈強。

2.影響SF6擊穿電壓的因素（1）電場均勻性（2）SF6的工作壓力（3）電極表面（4）導(dǎo)電雜質(zhì)的影響

3.SF6的沿面放電SF6氣體在電氣設(shè)備中總會與固體絕緣物形成交界面，若在強電場作用下有可能出現(xiàn)沿面放電。為防止這種放電的發(fā)生，要充分注意電極間電場應(yīng)盡量均勻；應(yīng)消除固體絕緣物與電極接觸部分的氣隙以及材質(zhì)本身的氣隙；防止固體絕緣物表面的污染和受潮；加強設(shè)備的密封；嚴格控制充入新SF6的含水量；及時清除設(shè)備運行中產(chǎn)生的氟化物和水分等。

五、SF6的滅弧特性

1、SF6電弧弧柱的基本性質(zhì)在不同的氣體電介質(zhì)中，電弧弧柱的溫度分布各不相同，N2的弧柱溫度比SF6的高得多。電弧周圍區(qū)域內(nèi)，SF6的電弧溫度較低(＜4000K)，電導(dǎo)很小僅有微弱的電弧電流；N2的電弧溫度較高(＜7500K)，電導(dǎo)較大，有稍大的電弧電流。電弧弧芯區(qū)域(電孤導(dǎo)電部分)內(nèi)，SF6的區(qū)域直徑比N2小得多。當電弧電流突然停止之后，在SF6弧芯區(qū)所包含的熱量比N2的少，而且SF6在電弧作用下的分解是吸熱反應(yīng)，故冷卻效果好，易熄滅電孤。

2.SF6的滅弧作用除SF6電弧弧柱的自身特性對熄滅電弧有利外，還有以下重要的原因：1）SF6的復(fù)合作用SF6的某些高溫電弧產(chǎn)物，在消弧的瞬間可能復(fù)合，例如：S＋6FSF6SF6＋＋SF6－2SF6…………當電流過零后，SF6弧隙介質(zhì)的強度比N2大得多，易阻止電弧的繼續(xù)和發(fā)展，縮短燃弧時間。

（2）SF6的冷卻作用從SF6的物理性質(zhì)可知，SF6為優(yōu)良的冷卻介質(zhì)，其冷卻散熱的效果好，可有效地降低電弧溫度，有利于電弧的熄滅。（3）SF6具有吸附電子的能力SF6吸附電子一方面可減少電子的密度，降低電導(dǎo)率，促使電弧熄滅；另一方面，由于SF6－的離子遷移速度比電子慢得多，SF6－與SF6＋易復(fù)合成SF6，也有利于電弧的熄滅。若在斷路器中設(shè)置專門的吹弧裝置（滅弧室），還可增強SF6熄滅電弧的能力。第二節(jié)SF6的電弧分解產(chǎn)物及其危害一、SF6氣體電弧分解產(chǎn)物的生成SF6氣體自身的分解反應(yīng)SF6SF4＋

F2SF6氣體與電極觸頭材料反應(yīng)4SF6

＋W＋Cu2S2F2＋3WF6＋CuF22SF6

＋W＋Cu2SF2＋WF6＋CuF2水解反應(yīng)2SF6

＋

H2O2SO2＋

O2＋12HFSF4

＋

H2O2SOF2＋2HF與氧作用2SF4

＋

O22SOF4二、分解產(chǎn)物和水分的危害1.固體分解產(chǎn)物2.氣體分解產(chǎn)物3.水分

一、SF6氣體的質(zhì)量標準目前工業(yè)上制備SF6的方法，較普遍采用的是單質(zhì)硫磺與過量氣態(tài)氟直接化合：為保證SF6氣體的純度和質(zhì)量，國際電工委員會(IEC)和許多國家、生產(chǎn)廠家都規(guī)定了SF6氣體的質(zhì)量標準，用戶可根據(jù)標準進行檢測和驗收。表8-5為IEC和我國SF6氣體的質(zhì)量標準。第三節(jié)SF6的監(jiān)督與管理

二、新SF6氣體的監(jiān)督和管理1.取樣技術(shù)直接法：采用取樣管把鋼瓶出口與分析設(shè)備直接聯(lián)起來。SF6液體從鋼瓶中流入取樣管，氣化后以SF6氣體進入分析設(shè)備中進行檢測。中間取樣法：將鋼瓶中的液態(tài)SF6輸入已抽空、洗凈、能耐7000kPa試驗壓力的瓶內(nèi)，氣化后作試樣備用。

2.毒性試驗將五只雌白鼠置于SF679％和O221％(均為體積％)的混合氣體中保持24小時，此期間應(yīng)供應(yīng)充分的水和鼠食。試驗后的白鼠若有異?，F(xiàn)象則應(yīng)作為疑點，待發(fā)現(xiàn)有明顯中毒癥狀(即陽性反應(yīng))時，表明該氣體不合格。3.SF6的鑒別若對新購的或貯存中的氣體是否為SF6有懷疑時，可測定該氣體的密度或?qū)嵯禂?shù)或紅外吸收光譜等數(shù)據(jù)，并與純SF6之值相比較即可鑒別。

三、六氟化硫設(shè)備運行氣體的監(jiān)督與管理六氟化硫電氣設(shè)備中運行氣體管理主要包括泄漏管理、純度管理、濕度管理3項內(nèi)容。1.六氟化硫運行氣體的泄漏管理SF6

電氣設(shè)備在安裝完畢后，一般先對設(shè)備的法蘭接口等結(jié)合面，進行定性檢漏，如發(fā)現(xiàn)SF6氣體泄漏部位時，再進行定量檢漏。GB/T8905—1996《六氟化硫電氣設(shè)備中氣體管理和檢測導(dǎo)則》中規(guī)定：每個氣隔的年漏氣率應(yīng)不大于1％。1）六氟化硫運行氣體的泄漏檢測由于是電負性氣體，具有很強的吸收自由電子形成負離子的特性，因而人們利用六氟化硫氣體的這種特性，設(shè)計出了多種氣體泄漏的檢測方法，常用的主要有紫外電離、電子捕獲、真空高頻電離和負電暈放電檢測四種。紫外電離檢測紫外電離檢測是利用紫外線將被檢氣體中的氧氣和六氟化硫氣體離子化，根據(jù)它們的離子遷移速度和對電子吸收能力的差異，迅速檢測出被檢氣體中微量六氟化硫氣體的濃度。電子捕獲檢測電子捕獲的檢測原理是：當載氣通過同位素Ni63

產(chǎn)放射源時，放射源所產(chǎn)生的β射線的高能電子使載氣電離形成正離子和慢速電子，在外加直流電場的作用下，它們向極性相反的方向定向遷移，形成一定的基流。當含有電負性氣體的被測氣體通過檢測器時，電負性氣體捕獲檢測器中的慢速電子形成負離子，因負離子的質(zhì)量遠大于電子，故其在電場中的遷移速度遠低于自由電子，從而使原來形成的穩(wěn)定基流降低，基流減少的量與被測氣體中電負性氣體的濃度成正比。因此，基流的變化量大小就表示了被測氣體中電負性氣體濃度的高低。負電暈放電檢測負電暈放電的檢測原理是：檢測器在脈沖高壓電場的作用下產(chǎn)生連續(xù)電暈放電，被測氣體進入檢測器后，其中的電負性氣體因吸收電暈放電產(chǎn)生的電子，使電暈放電電流降低，從而對電暈電場起到抑制作用。被測氣體中的電負性氣體電負性越強、濃度越高，對電暈電場抑制的作用越大，電暈放電電流降低得也越多。因此電暈放電電流降低的程度就反映了被測氣體中電負性氣體濃度的高低。真空高頻電離檢測真空高頻電離檢測是根據(jù)電負性氣體在高頻電場中電離程度的差別而設(shè)計的檢測方法。四種檢漏方法中，以電子捕獲檢測法靈敏度最高，穩(wěn)定性好，但對載氣氣源的純度要求高，且價格昂貴；紫外電離法檢測靈敏度適中，穩(wěn)定性較好；負電暈放電法檢測準確性較差，但價格低廉；高頻電離法雖然檢測靈敏度高，檢測范圍寬，但因穩(wěn)定性差，只適合做定性和半定量測定，國外已基本淘汰。2）設(shè)備檢漏方法六氟化硫設(shè)備氣體的泄漏檢測一般分為定性檢漏和定量檢漏兩類。定性檢漏定性檢漏的目的是確定六氟化硫電氣設(shè)備是否漏氣、漏氣的具體部位、大致判斷漏氣量的大小。常用判斷設(shè)備漏氣的方法有：氣體壓力降法、密度降法、定性檢漏儀法及真空檢漏法等。氣體壓力降法和密度降法。對于運行設(shè)備，一般當發(fā)現(xiàn)同一溫度下相鄰兩次SF6氣體壓力表上的讀數(shù)相差0.01~0.03MPa時，即可定性判斷設(shè)備存在漏氣現(xiàn)象。對于裝有密度繼電器的運行設(shè)備，若發(fā)現(xiàn)密度計指示的氣體密度連續(xù)下降，也可判定設(shè)備存在漏氣現(xiàn)象。上述方法可大致判斷設(shè)備的漏氣量，但不能確定漏氣部位。定性檢漏儀法在設(shè)備安裝、檢修完畢后，一般用手持式SF6氣體定性檢漏儀沿設(shè)備的連接密封部位緩慢移動，查找漏氣點，若發(fā)現(xiàn)漏點需進行有效的處理，至確定設(shè)備沒有漏氣部位為止。在懷疑運行設(shè)備存在漏氣時，也常用定性檢漏儀查找漏氣部位。真空檢漏法真空檢漏法一般只適用于現(xiàn)場設(shè)備安裝和檢修后的檢測，其方法是：對設(shè)備抽真空至133×10-6

MPa

后，繼續(xù)抽真空30min，停泵30min后讀取真空度A，再過5h后讀取真空度B，若B-A

差值小于133Pa，則可認為設(shè)備密封不漏，否則需要進行處理，消除漏氣點。定量檢漏定量檢漏方法主要有扣罩法、掛瓶法、局部包扎法及壓力降法。由于六氟化硫設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，六氟化硫氣體濃度在密閉空間分布不均勻以及密閉空間體積難以準確計算等特點，因此在生產(chǎn)現(xiàn)場用扣罩法、掛瓶法、局部包扎法等既費時、費力，又很難準確檢測、計算出設(shè)備的漏氣量。故現(xiàn)場很少采用，因而運行設(shè)備年泄漏率小于1％的控制標準只對生產(chǎn)制造商具有更大的約束作用和指導(dǎo)意義。對運行設(shè)備，監(jiān)督人員常用壓力降法或密度降法估算設(shè)備的漏氣率。其具體做法是：運行人員連續(xù)記錄設(shè)備中氣體的壓力（密度）和溫度，并換算出相應(yīng)的密度，經(jīng)過一段較長的時間間隔后，根據(jù)密度的變化計算出該設(shè)備的漏氣率。該方法的優(yōu)點：①簡便易行；②可及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備的漏氣現(xiàn)象，為定性檢漏和設(shè)備檢修提供依據(jù)。2.六氟化硫設(shè)備內(nèi)氣體水分的檢測六氟化硫設(shè)備中的氣體水分來源SF6

新氣帶入的水分安裝SF6

設(shè)備時混入的水分固體絕緣釋放出的水分SF6設(shè)備滲漏進入的水分水分測試儀器與方法

SF6

氣體水分的測量方法主要有4種，即重量法、電解法、阻容法和露點法。由于每種測量方法的原理不同，其適用的測試范圍也不同重量法重量法是電力行業(yè)SF6

氣體水分測量的仲裁方法，其測量原理是：用恒重的無水高氯酸鎂吸收一定體積的六氟化硫氣體中的水分，并測量其增加的重量，以計算六氟化硫氣體中的水分含量。阻容法阻容法測量原理。所謂電容器，顧名思義就是儲存電荷的“容器”，它是由兩塊相互接近，并由絕緣介質(zhì)隔開的金屬板構(gòu)成的。當電容器兩極板間接上直流電源時，在電場的作用下，電源負極的自由電子移動到B板上，B板積存負電荷；而電源中的正電荷則移動到A板上，A板積存正電荷。這個過程就是電容器的充電過程。電容器儲存電荷的能力與電容器的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。若極板的面積為S，極板間的距離為d，極板間絕緣材料的介電系數(shù)為ε，則電容器的電容量C與極板的面積S及材料的介電系數(shù)ε成正比，與極板間的距離d成反比，即有下列關(guān)系：從上式可見，若電容器極板的面積、距離不變，電容器的電容量

C與絕緣材料的介電系數(shù)ε成正比。也就是說電容量的大小反映了介電材料介電系數(shù)的大小，而絕緣材料的介電系數(shù)是與其干燥程度有關(guān)的。對于吸濕性絕緣材料而言，水分含量高，則介電系數(shù)?。凰趾康?，則介電系數(shù)大。阻容法就是利用電容器間絕緣材料，如氧化鋁薄膜、高分子薄膜等因吸收水蒸氣，改變其介電系數(shù)，最終導(dǎo)致電容變化的原理制造的測量儀器。氧化鋁傳感器。氧化鋁傳感器是在帶有多孔氧化鋁層的鋁基片上，用特殊工藝蒸發(fā)上一薄層金金屬膜，這樣鋁基片與鍍金層就構(gòu)成了電容器的兩塊極板，其間的氧化鋁薄膜就成為絕緣介質(zhì)。高分子薄膜傳感器。高分子薄膜傳感器與氧化鋁傳感器的結(jié)構(gòu)相似。不同的是高分子薄膜具有快速吸收和釋放水分的特點，很少的水蒸氣就能引起較大的電容變化，測試靈敏度高，且電容的變化與水分的含量成正比。儀器標定方便、容易。3.運行氣體質(zhì)量管理標準4.SF6運行氣體的管理所謂SF6運行氣體的質(zhì)量管理，主要是SF6氣體純度、電弧分解氣體和水分含量的管理，即確保SF6氣體純度達到97％以上；確保SF6氣體的濕度合格，滿足設(shè)備絕緣要求；降低和去除SF6氣體中的電弧分解產(chǎn)物，防止設(shè)備腐蝕。1）確保SF6氣體純度、濕度合格的措施SF6氣體絕緣設(shè)備屬免維護設(shè)備，正常情況下，影響設(shè)備安全性能的主要氣體指標―純度、濕度一般不會出現(xiàn)超標問題?？陀^地說，SF6氣體純度、濕度指標主要依賴設(shè)備的制造質(zhì)量和安裝、檢修質(zhì)量。因為影響氣體純度、濕度的主要成分是空氣和空氣中的水分，而空氣主要來源于氣體的滲漏和安裝、檢修時的殘留。因此設(shè)備的制造質(zhì)量和現(xiàn)場安裝、檢修工藝對SF6氣體的質(zhì)量指標影響很大。（1）電氣設(shè)備質(zhì)量好。

1）設(shè)備密封件質(zhì)量合格；

2）絕緣材料化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性符合要求；

3）設(shè)備部件制造、處理工藝嚴格，吸附水分及其他雜質(zhì)含量低，揮發(fā)成分少；4）電氣性能指標符合相關(guān)規(guī)定的要求。（2）安裝、檢修質(zhì)量高。

1）設(shè)備現(xiàn)場安裝工藝控制嚴格，密封檢驗合格；

2）干燥處理工藝得當，濕度符合要求；

3）新氣質(zhì)量合格，充裝工藝、方法正確。（3）回收凈化。當在日常監(jiān)督檢測中發(fā)現(xiàn)SF6氣體的純度或濕度超標時，首先應(yīng)檢查設(shè)備是否存在泄漏，找出漏點進行檢修。在對設(shè)備進行解體檢修以前，應(yīng)利用專用SF6氣體回收凈化裝置對運行氣體進行回收。2）降低SF6氣體中的電弧分解產(chǎn)物運行SF6設(shè)備氣體中的雜質(zhì)有幾十種之多，其中主要有SOF2、SO2F2

、SO2

、HF、CO2、CF4等。依新氣的來源、使用時間及設(shè)備不同，這些雜質(zhì)的含量和比例亦有較大的差異，但含量都在μL/L級水平上，基本上不影響運行氣體的純度。這些雜質(zhì)氣體盡管含量很低，但對電氣設(shè)備卻構(gòu)成了腐蝕性危害，進而影響設(shè)備的電氣性能，危及設(shè)備的安全運行。因此必須降低或除去運行氣體中的這些雜質(zhì)氣體。為此，目前的普遍做法是：在SF6

設(shè)備內(nèi)裝填固體吸附劑，用吸附劑對SF6氣體進行凈化處理。（1）吸附劑及其吸附性能。SF6電氣設(shè)備對吸附劑有如下要求：吸附劑的選擇性好吸附能力強吸附劑要有良好的機械強度吸附劑要有較好的耐高溫特性不含有導(dǎo)電或低介電常數(shù)的成分（2）吸附劑對SF6氣體中水分的吸附凈化SF6設(shè)備中，注入的新氣要求水分含量在8μg/g

以下，運行設(shè)備中要求水分含量不能超過300μL/L。由于固體吸附劑不僅能夠吸附電弧分解氣體，而且能吸收氣體中的水分。因此，在設(shè)備中放入干燥劑，既是除去電弧分解氣體的有效措施，也是控制水分含量的有效方法。目前使用的吸附劑主要有活性氧化鋁和分子篩。3．吸附劑的使用方法（1）吸附劑的預(yù)處理吸附劑在出廠時，一般要把吸附劑預(yù)處理后，密封包裝起來。按其密封的方式可大致分為兩種：一種是簡單的防潮包裝，如使用一層或兩層塑料膜密封的軟包裝，外面設(shè)有硬保護層。這種包裝密封可靠程度低，使用前必須進行處理，另一種是有可靠的密封手段，如用塑料真空包裝后再裝入金屬容器，對于這樣包裝的產(chǎn)品，如使用前沒有漏氣現(xiàn)象則可直接使用。吸附劑預(yù)處理的目的是為了除去吸附劑使用前所吸附的水分和其他雜質(zhì)，因為這些物質(zhì)的存在將降低吸附劑在設(shè)備中的吸附能力，影響對設(shè)備內(nèi)部氣體的凈化效果和吸附劑的使用壽命。吸附劑的預(yù)處理方法主要有常壓干燥法和真空干燥法。常壓干燥法一般是在干燥箱或高溫爐中進行。對于活性氧化鋁，一般干燥溫度控制在180~200℃；對分子篩控制在450~550℃。真空干燥法要在真空干燥爐內(nèi)進行。當干燥溫度低于200℃且用量較小時