第八章六氟化硫绝缘气体

第八章六氟化硫绝缘气体SF6气体绝缘的电气设备与充油电气设备相比，它具有以下主要特点：不易着火、安全性高；使用寿命和检修周期长；占地面积小，安装、操作简便；性能优良、运行可靠。第一节SF6气体的性质一、SF6的结构特点SF6的分子为一正八面体的立体结构。SF6分子所独有的结构特点使SF6气体具有独特的物理化学性能和电气性能。

二、SF6的物理性质SF6在常温、常压下，为无色、无味、无毒的不可燃气体。SF6在设备中的工作压力通常为0.2～0.7MPa，呈气态。SF6的密度比空气大，约为空气的5倍，因而具有强烈的窒息性。SF6为优良的冷却介质。SF6在不同的温度和压力下，可呈气态、液态和固态，使用中应予注意。

三、SF6的化学性质SF6的结构比较稳定，化学性也极不活泼。在空气中不燃烧、不助燃，与硫酸、盐酸、强碱、水、氨等不反应。在150℃以下，SF6不与设备中的电气材料起化学反应；超过150℃时，硅钢会促使SF6分解，并有微弱反应；有铜或铝存在时，SF6在200℃左右开始分解；在250℃左右可与SO3发生反应：SF6十2SO33SO2F2在室温下，SF6可被无水碘酸定量地还原：SF6十8HIH2S十6HF十4I2SF6对各种金属的腐蚀性是很微弱的。

四、SF6绝缘特性1.SF6的高绝缘强度SF6是一种高绝缘强度的气体电介质。SF6具有高绝缘强度的主要原因是：在SF6分子中，六个F原子紧密地围绕其分子表面，使SF6具有很强的电负性，容易与电子结合形成负离子，削弱电子碰撞电离的能力，阻碍电离的形成和发展。负离子形成的反应如下式：

SF6＋eSF6－

SF6＋eSF5－＋FSF6分子直径比空气中氧、氮分子大，使得电子在SF6中的平均自由行程缩短，不易在电场中积累能量，从而减少了自由电子的碰撞电离的能力。SF6的分子量是空气的5倍。SF6负离子的质量更大，其离子迁移率比空气中氧、氮离子的迁移速度更小，极易与正离子发生复合作用而形成中性分子，使气体中带电质点减少，不易形成放电。所谓电负性就是分子或原子吸收自由电子形成负离子的特性。电负性的大小表示分子或原子吸收自由电子能力的强弱。电负性的大小一般以“电子亲和能”衡量。分子吸收自由电子时释放出能量，称为“电子亲和能”。分子与电子结合，释放出的能量愈多，则电子亲和能愈大，该物质的电负性愈强。

2.影响SF6击穿电压的因素（1）电场均匀性（2）SF6的工作压力（3）电极表面（4）导电杂质的影响

3.SF6的沿面放电SF6气体在电气设备中总会与固体绝缘物形成交界面，若在强电场作用下有可能出现沿面放电。为防止这种放电的发生，要充分注意电极间电场应尽量均匀；应消除固体绝缘物与电极接触部分的气隙以及材质本身的气隙；防止固体绝缘物表面的污染和受潮；加强设备的密封；严格控制充入新SF6的含水量；及时清除设备运行中产生的氟化物和水分等。

五、SF6的灭弧特性

1、SF6电弧弧柱的基本性质在不同的气体电介质中，电弧弧柱的温度分布各不相同，N2的弧柱温度比SF6的高得多。电弧周围区域内，SF6的电弧温度较低(＜4000K)，电导很小仅有微弱的电弧电流；N2的电弧温度较高(＜7500K)，电导较大，有稍大的电弧电流。电弧弧芯区域(电孤导电部分)内，SF6的区域直径比N2小得多。当电弧电流突然停止之后，在SF6弧芯区所包含的热量比N2的少，而且SF6在电弧作用下的分解是吸热反应，故冷却效果好，易熄灭电孤。

2.SF6的灭弧作用除SF6电弧弧柱的自身特性对熄灭电弧有利外，还有以下重要的原因：1）SF6的复合作用SF6的某些高温电弧产物，在消弧的瞬间可能复合，例如：S＋6FSF6SF6＋＋SF6－2SF6…………当电流过零后，SF6弧隙介质的强度比N2大得多，易阻止电弧的继续和发展，缩短燃弧时间。

（2）SF6的冷却作用从SF6的物理性质可知，SF6为优良的冷却介质，其冷却散热的效果好，可有效地降低电弧温度，有利于电弧的熄灭。（3）SF6具有吸附电子的能力SF6吸附电子一方面可减少电子的密度，降低电导率，促使电弧熄灭；另一方面，由于SF6－的离子迁移速度比电子慢得多，SF6－与SF6＋易复合成SF6，也有利于电弧的熄灭。若在断路器中设置专门的吹弧装置（灭弧室），还可增强SF6熄灭电弧的能力。第二节SF6的电弧分解产物及其危害一、SF6气体电弧分解产物的生成SF6气体自身的分解反应SF6SF4＋

F2SF6气体与电极触头材料反应4SF6

＋W＋Cu2S2F2＋3WF6＋CuF22SF6

＋W＋Cu2SF2＋WF6＋CuF2水解反应2SF6

＋

H2O2SO2＋

O2＋12HFSF4

＋

H2O2SOF2＋2HF与氧作用2SF4

＋

O22SOF4二、分解产物和水分的危害1.固体分解产物2.气体分解产物3.水分

一、SF6气体的质量标准目前工业上制备SF6的方法，较普遍采用的是单质硫磺与过量气态氟直接化合：为保证SF6气体的纯度和质量，国际电工委员会(IEC)和许多国家、生产厂家都规定了SF6气体的质量标准，用户可根据标准进行检测和验收。表8-5为IEC和我国SF6气体的质量标准。第三节SF6的监督与管理

二、新SF6气体的监督和管理1.取样技术直接法：采用取样管把钢瓶出口与分析设备直接联起来。SF6液体从钢瓶中流入取样管，气化后以SF6气体进入分析设备中进行检测。中间取样法：将钢瓶中的液态SF6输入已抽空、洗净、能耐7000kPa试验压力的瓶内，气化后作试样备用。

2.毒性试验将五只雌白鼠置于SF679％和O221％(均为体积％)的混合气体中保持24小时，此期间应供应充分的水和鼠食。试验后的白鼠若有异常现象则应作为疑点，待发现有明显中毒症状(即阳性反应)时，表明该气体不合格。3.SF6的鉴别若对新购的或贮存中的气体是否为SF6有怀疑时，可测定该气体的密度或导热系数或红外吸收光谱等数据，并与纯SF6之值相比较即可鉴别。

三、六氟化硫设备运行气体的监督与管理六氟化硫电气设备中运行气体管理主要包括泄漏管理、纯度管理、湿度管理3项内容。1.六氟化硫运行气体的泄漏管理SF6

电气设备在安装完毕后，一般先对设备的法兰接口等结合面，进行定性检漏，如发现SF6气体泄漏部位时，再进行定量检漏。GB/T8905—1996《六氟化硫电气设备中气体管理和检测导则》中规定：每个气隔的年漏气率应不大于1％。1）六氟化硫运行气体的泄漏检测由于是电负性气体，具有很强的吸收自由电子形成负离子的特性，因而人们利用六氟化硫气体的这种特性，设计出了多种气体泄漏的检测方法，常用的主要有紫外电离、电子捕获、真空高频电离和负电晕放电检测四种。紫外电离检测紫外电离检测是利用紫外线将被检气体中的氧气和六氟化硫气体离子化，根据它们的离子迁移速度和对电子吸收能力的差异，迅速检测出被检气体中微量六氟化硫气体的浓度。电子捕获检测电子捕获的检测原理是：当载气通过同位素Ni63

产放射源时，放射源所产生的β射线的高能电子使载气电离形成正离子和慢速电子，在外加直流电场的作用下，它们向极性相反的方向定向迁移，形成一定的基流。当含有电负性气体的被测气体通过检测器时，电负性气体捕获检测器中的慢速电子形成负离子，因负离子的质量远大于电子，故其在电场中的迁移速度远低于自由电子，从而使原来形成的稳定基流降低，基流减少的量与被测气体中电负性气体的浓度成正比。因此，基流的变化量大小就表示了被测气体中电负性气体浓度的高低。负电晕放电检测负电晕放电的检测原理是：检测器在脉冲高压电场的作用下产生连续电晕放电，被测气体进入检测器后，其中的电负性气体因吸收电晕放电产生的电子，使电晕放电电流降低，从而对电晕电场起到抑制作用。被测气体中的电负性气体电负性越强、浓度越高，对电晕电场抑制的作用越大，电晕放电电流降低得也越多。因此电晕放电电流降低的程度就反映了被测气体中电负性气体浓度的高低。真空高频电离检测真空高频电离检测是根据电负性气体在高频电场中电离程度的差别而设计的检测方法。四种检漏方法中，以电子捕获检测法灵敏度最高，稳定性好，但对载气气源的纯度要求高，且价格昂贵；紫外电离法检测灵敏度适中，稳定性较好；负电晕放电法检测准确性较差，但价格低廉；高频电离法虽然检测灵敏度高，检测范围宽，但因稳定性差，只适合做定性和半定量测定，国外已基本淘汰。2）设备检漏方法六氟化硫设备气体的泄漏检测一般分为定性检漏和定量检漏两类。定性检漏定性检漏的目的是确定六氟化硫电气设备是否漏气、漏气的具体部位、大致判断漏气量的大小。常用判断设备漏气的方法有：气体压力降法、密度降法、定性检漏仪法及真空检漏法等。气体压力降法和密度降法。对于运行设备，一般当发现同一温度下相邻两次SF6气体压力表上的读数相差0.01~0.03MPa时，即可定性判断设备存在漏气现象。对于装有密度继电器的运行设备，若发现密度计指示的气体密度连续下降，也可判定设备存在漏气现象。上述方法可大致判断设备的漏气量，但不能确定漏气部位。定性检漏仪法在设备安装、检修完毕后，一般用手持式SF6气体定性检漏仪沿设备的连接密封部位缓慢移动，查找漏气点，若发现漏点需进行有效的处理，至确定设备没有漏气部位为止。在怀疑运行设备存在漏气时，也常用定性检漏仪查找漏气部位。真空检漏法真空检漏法一般只适用于现场设备安装和检修后的检测，其方法是：对设备抽真空至133×10-6

MPa

后，继续抽真空30min，停泵30min后读取真空度A，再过5h后读取真空度B，若B-A

差值小于133Pa，则可认为设备密封不漏，否则需要进行处理，消除漏气点。定量检漏定量检漏方法主要有扣罩法、挂瓶法、局部包扎法及压力降法。由于六氟化硫设备结构复杂、体积庞大，六氟化硫气体浓度在密闭空间分布不均匀以及密闭空间体积难以准确计算等特点，因此在生产现场用扣罩法、挂瓶法、局部包扎法等既费时、费力，又很难准确检测、计算出设备的漏气量。故现场很少采用，因而运行设备年泄漏率小于1％的控制标准只对生产制造商具有更大的约束作用和指导意义。对运行设备，监督人员常用压力降法或密度降法估算设备的漏气率。其具体做法是：运行人员连续记录设备中气体的压力（密度）和温度，并换算出相应的密度，经过一段较长的时间间隔后，根据密度的变化计算出该设备的漏气率。该方法的优点：①简便易行；②可及早发现设备的漏气现象，为定性检漏和设备检修提供依据。2.六氟化硫设备内气体水分的检测六氟化硫设备中的气体水分来源SF6

新气带入的水分安装SF6

设备时混入的水分固体绝缘释放出的水分SF6设备渗漏进入的水分水分测试仪器与方法

SF6

气体水分的测量方法主要有4种，即重量法、电解法、阻容法和露点法。由于每种测量方法的原理不同，其适用的测试范围也不同重量法重量法是电力行业SF6

气体水分测量的仲裁方法，其测量原理是：用恒重的无水高氯酸镁吸收一定体积的六氟化硫气体中的水分，并测量其增加的重量，以计算六氟化硫气体中的水分含量。阻容法阻容法测量原理。所谓电容器，顾名思义就是储存电荷的“容器”，它是由两块相互接近，并由绝缘介质隔开的金属板构成的。当电容器两极板间接上直流电源时，在电场的作用下，电源负极的自由电子移动到B板上，B板积存负电荷；而电源中的正电荷则移动到A板上，A板积存正电荷。这个过程就是电容器的充电过程。电容器储存电荷的能力与电容器的结构密切相关。若极板的面积为S，极板间的距离为d，极板间绝缘材料的介电系数为ε，则电容器的电容量C与极板的面积S及材料的介电系数ε成正比，与极板间的距离d成反比，即有下列关系：从上式可见，若电容器极板的面积、距离不变，电容器的电容量

C与绝缘材料的介电系数ε成正比。也就是说电容量的大小反映了介电材料介电系数的大小，而绝缘材料的介电系数是与其干燥程度有关的。对于吸湿性绝缘材料而言，水分含量高，则介电系数小；水分含量低，则介电系数大。阻容法就是利用电容器间绝缘材料，如氧化铝薄膜、高分子薄膜等因吸收水蒸气，改变其介电系数，最终导致电容变化的原理制造的测量仪器。氧化铝传感器。氧化铝传感器是在带有多孔氧化铝层的铝基片上，用特殊工艺蒸发上一薄层金金属膜，这样铝基片与镀金层就构成了电容器的两块极板，其间的氧化铝薄膜就成为绝缘介质。高分子薄膜传感器。高分子薄膜传感器与氧化铝传感器的结构相似。不同的是高分子薄膜具有快速吸收和释放水分的特点，很少的水蒸气就能引起较大的电容变化，测试灵敏度高，且电容的变化与水分的含量成正比。仪器标定方便、容易。3.运行气体质量管理标准4.SF6运行气体的管理所谓SF6运行气体的质量管理，主要是SF6气体纯度、电弧分解气体和水分含量的管理，即确保SF6气体纯度达到97％以上；确保SF6气体的湿度合格，满足设备绝缘要求；降低和去除SF6气体中的电弧分解产物，防止设备腐蚀。1）确保SF6气体纯度、湿度合格的措施SF6气体绝缘设备属免维护设备，正常情况下，影响设备安全性能的主要气体指标―纯度、湿度一般不会出现超标问题。客观地说，SF6气体纯度、湿度指标主要依赖设备的制造质量和安装、检修质量。因为影响气体纯度、湿度的主要成分是空气和空气中的水分，而空气主要来源于气体的渗漏和安装、检修时的残留。因此设备的制造质量和现场安装、检修工艺对SF6气体的质量指标影响很大。（1）电气设备质量好。

1）设备密封件质量合格；

2）绝缘材料化学稳定性、热稳定性符合要求；

3）设备部件制造、处理工艺严格，吸附水分及其他杂质含量低，挥发成分少；4）电气性能指标符合相关规定的要求。（2）安装、检修质量高。

1）设备现场安装工艺控制严格，密封检验合格；

2）干燥处理工艺得当，湿度符合要求；

3）新气质量合格，充装工艺、方法正确。（3）回收净化。当在日常监督检测中发现SF6气体的纯度或湿度超标时，首先应检查设备是否存在泄漏，找出漏点进行检修。在对设备进行解体检修以前，应利用专用SF6气体回收净化装置对运行气体进行回收。2）降低SF6气体中的电弧分解产物运行SF6设备气体中的杂质有几十种之多，其中主要有SOF2、SO2F2

、SO2

、HF、CO2、CF4等。依新气的来源、使用时间及设备不同，这些杂质的含量和比例亦有较大的差异，但含量都在μL/L级水平上，基本上不影响运行气体的纯度。这些杂质气体尽管含量很低，但对电气设备却构成了腐蚀性危害，进而影响设备的电气性能，危及设备的安全运行。因此必须降低或除去运行气体中的这些杂质气体。为此，目前的普遍做法是：在SF6

设备内装填固体吸附剂，用吸附剂对SF6气体进行净化处理。（1）吸附剂及其吸附性能。SF6电气设备对吸附剂有如下要求：吸附剂的选择性好吸附能力强吸附剂要有良好的机械强度吸附剂要有较好的耐高温特性不含有导电或低介电常数的成分（2）吸附剂对SF6气体中水分的吸附净化SF6设备中，注入的新气要求水分含量在8μg/g

以下，运行设备中要求水分含量不能超过300μL/L。由于固体吸附剂不仅能够吸附电弧分解气体，而且能吸收气体中的水分。因此，在设备中放入干燥剂，既是除去电弧分解气体的有效措施，也是控制水分含量的有效方法。目前使用的吸附剂主要有活性氧化铝和分子筛。3．吸附剂的使用方法（1）吸附剂的预处理吸附剂在出厂时，一般要把吸附剂预处理后，密封包装起来。按其密封的方式可大致分为两种：一种是简单的防潮包装，如使用一层或两层塑料膜密封的软包装，外面设有硬保护层。这种包装密封可靠程度低，使用前必须进行处理，另一种是有可靠的密封手段，如用塑料真空包装后再装入金属容器，对于这样包装的产品，如使用前没有漏气现象则可直接使用。吸附剂预处理的目的是为了除去吸附剂使用前所吸附的水分和其他杂质，因为这些物质的存在将降低吸附剂在设备中的吸附能力，影响对设备内部气体的净化效果和吸附剂的使用寿命。吸附剂的预处理方法主要有常压干燥法和真空干燥法。常压干燥法一般是在干燥箱或高温炉中进行。对于活性氧化铝，一般干燥温度控制在180~200℃；对分子筛控制在450~550℃。真空干燥法要在真空干燥炉内进行。当干燥温度低于200℃且用量较小时