sf6的气体有哪些（为什么它的绝缘和灭弧性能很好）

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如果您是从事电力高压工作的小伙伴，可能会接触到GIS。这三个字母是气体绝缘全封闭组合电器的英文缩写。也可以叫做“SF6全封闭组合电器”。这是为什么呢？

原来，如果在GIS设备内部充有SF6气体，那可以实现导体对外壳、相间以及断口间的可靠绝缘。

那么，SF6气体究竟是什么？它又为什么具有良好的绝缘性能和灭弧性能呢？本文笔者就来带你揭开它的神秘面纱。

GIS（图片来源：网络）

一、SF6气体的基本特性

SF6气体是目前最优良的绝缘介质和灭弧介质，其绝缘和灭弧性能要比绝缘油好得多。

它的分子结构是：六个氟原子处在顶点位置，硫原子处在中心位置，以共价键结合、完全对称的正八面体结构。

SF6气体的分子结构（图片来源：网络）

物理特性：无色、无味、无嗅、无毒、不燃烧，临界温度是45.6℃；难溶于水，在部分有机溶剂中的溶解度比较高。

化学性能：很稳定。常温甚至电气设备最高允许温度150℃内，一般不会发生化学反应。150℃以上，与塑料发生微弱化学反应，200℃以上和铜铝慢慢反应，500℃自身开始分解。

导热性：热传导性差，导热系数只有空气的2/3，但表面传热系数为15，是空气的2.5倍，综合来说，其散热性比空气要好。

下表为SF6的一些性能参数：

SF6气体的一些参数（图片来源：网络）

负电性：分子容易吸收自由电子形成负离子的特性。因为F最外层为7个电子，很容易吸收一个电子成为稳定的8个电子。

灭弧原理：SF6负电性形成负离子，与电弧中正离子结合，使电弧中带点离子迅速减少，提高了电弧的击穿电压，使电弧很快恢复。

制造方法：S 3F2→SF6 Q（放热），合成粗品经过水洗、碱洗、热解、用吸附剂吸净等一系列净化处理，装入钢瓶液态运输。

GIS设备安装完毕后，还要除去各种杂质和水分。其标准是由国际电工委员会（IEC）和各国制定。

下表为某些元素的电子亲和能：

某些元素的电子亲和能（图片来源：网络）

二、SF6气体的状态参数

由于SF6气体分子质量大，用P=RT这个公式来计算温度、压力、密度三个状态参数偏差是很大的。

但可以根据下面的曲线图，求出S（升华点）、T（熔点）、K（临界点）三个参数。

SF6气体曲线图1（图片来源：网络）

SF6气体液化温度与密度值有关，只要SF6气体的密度不变，则其液化温度也不变。每条密度线与分界线的交点，就是SF6气体的液化点，从而可得到这一密度下的液化温度。

T不变，P↑，液化温度↑，因此压力不能太高。

SF6气体的温度太低也容易液化，所以在寒冷地区，GIS要采取保温措施。

SF6气体状态参数特性曲线图（图片来源：网络）

三、SF6气体分解物的毒性和其他性质

注意：SF6气体本身是无毒的。但分子质量大，有窒息的作用。

以下为SF6自分解和灭弧的化学方程式：

SF6自分解和灭弧的化学方程式（图片来源：网络）

影响SF6气体分解过程的主要因素有：

弧能量的影响：能量增多，SF6气体分解物含量也増大；

电极材料的影响：分解物含量取决于电极材料的金属蒸发量，铜、银影响较小；

水分的影响：含水量的多少，对电弧分解物组成的含量有极大影响。

绝缘材料的影响：理想材料是聚四氟乙烯。实际用环氧树脂多，运行中会释放水分和氧气。

氧气的影响：如下图所示：

氧气对SF6气体分解的影响（图片来源：网络）

电弧作用下SF6分解物的性质如下：

SF4性质：无色、刺激味、易溶于苯、有毒；性能稳定，与水、碱反应；

S2F4性质：无色、有溴味、有毒；与碱、钠、水反应，能使橡胶硫化；

SF2性质：有毒；化学性能极不稳定，可用碱、活性氧化铝吸收；

S2F10性质：无色、易挥发、有毒；性能稳定，不溶于水、碱液中；

SOF2性质：无色、刺激性、有毒；性能稳定，有很高的电击穿稳定性；

SO2F2性质：无嗅无味、有毒；性能稳定，易溶于甲苯和四氯化碳；

SOF4性质：无色、刺激性、有毒；可与水反应。

四氟化硫的分子结构式（图片来源：网络）

四、GIS设备中的水分

4.1 产生原因

（1）GIS设备在制造、运输、安装、检修过程中都可能会接触水分；

（2）GIS设备的绝缘件带有少量水分；

（3）GIS吸附剂本身含有水分；

（4）SF6气体含有水分；

（5）水分子直径远小于SF6气体分子直径，水分子可以钻进去。

4.2 SF6气体中含水量单位及其换算

（1）体积浓度单位：气体与气体中水分的体积之比（PPMV）；

（2）质量浓度单位：1g气体中含有1μg水蒸气，叫做1PPMW；

（3）SF6气体中体积比与质量比的换算：体积比/（146/18）=质量比；

（4）环境温度升高，SF6气体中的水分也增高；环境湿度增大，SF6气体中的水分也增大。

下图为不同介质下水分含量与环境温度的变化关系图：

不同介质下水分含量与环境温度的变化关系图（图片来源：网络）

4.3 水分对GIS设备的危害性

水分会引起设备的化学腐蚀。在GIS设备上，除了腐蚀，还会在绝缘件表面形成凝结水，附在绝缘件表面，造成沿面闪络。但当压力和温度达到一定值时，水蒸气变成冰，对绝缘件危害大大减小。

4.4 GIS中水分的控制

严格控制新的SF6气体含水量；

改善GIS设备密封材料的质量，严格遵守安装密封环的工艺规程；

在GIS设备中放置吸附剂；

GIS设备尽量使用室内式布置，可控制室内湿度、温度、减少产生水分的机会，避免灰尘和其他杂质侵入。

SF6气体设备（图片来源：网络）

五、GIS设备中的吸附剂

SF6气体中的水分和有毒气体，都可以用吸附剂来吸收。

有以下几种吸附剂：活性炭、活性氧化铝、烧碱、石灰、分子筛。

活性炭：吸附能力强，但选择性差，能吸附SF6，因此不能用于GIS；

活性氧化铝：不吸收SF6，可吸收大部分分解物，有较好的选择性，是GIS设备较为理想的吸附剂；

活性炭可吸附SF6气体（图片来源：摄图新视界）

烧碱：可吸附大部分分解物，吸附能力较好，和氧化铝相似；

石灰：吸附SO2F2能力好，但是吸附S2F10较差；

分子筛：对SO2吸附能力好，不太理想的吸附剂。

烧碱吸附SF6气体分解物的能力较好（图片来源：网络）

六、SF6气体杂质的检测

SF6气体中的杂质和水分的含量是很微小的，但是其危害很大，它足以改变SF6气体的性能。因此一定要严格检测。检测方法有以下几种：

1、水分的测定方法：重量法、电解法、露点法。

2、空气和四氟化碳的测定方法：用气象色谱法测量。

3、矿物油的测定方法：用红外分光光度计进行测定。

4、游离酸的测定方法：用标准碱吸收SF6气体中的酸，然后用标准酸来反滴过量碱的酸碱中和滴定法。

5、可水解氟化物的测定方法：用比色分光光度分析法和氟离子选择电极等2种方法。

SF6气体瓶（图片来源：网络）

七、SF6气体的绝缘特性

1、均匀电场下气体的击穿特性：

游离：宇宙射线照射下，原子吸收能量，最外层电子脱离原子核束缚，变为自由电子，中性原子变成正离子。

复合：正离子遇到自由电子，把它吸附到最外层变为中性原子，放出能量。

间隙被击穿：随着电压升高，电子碰撞产生更多自由电子，最终在间隙中变成了等离子体，使间隙完全失去了绝缘性能，变为导体了。

自持放电：间隙一旦击穿，外界游离因素可以取消，本身游离维持能量。

2、极不均匀电场下气体的击穿特性（棒--板电级）：

电晕放电：随着电压升高，棒电极周围气体达到自持放电，周围发生电晕。

间隙被击穿：随着电压升高，电晕放电继续扩大，直到间隙被击穿。

极性效应：正棒--负板，电晕起始电压高，击穿电压较低；

负棒--正板，电晕起始电压低，击穿电压较高。

气体介质中电流和电压的关系图（图片来源：网络）

3、稍不均匀电场下气体的击穿特性：

稍不均匀的电场的击穿场强，介于均匀电场和不均匀电场之间，电场越均匀，击穿场强越高。因此，安装GIS设备时，不要破坏电场均匀性。

4、SF6气体的击穿特性：

与空气的击穿特性相似，但是SF6气体有很强的负电性，很容易吸附电子成为负离子，游离能力大减，阻碍放电的形成。

SF6气体分子直径比氧气、氮气大很多，平均自由行程缩短，碰撞游离能力减弱。运动速度小，更容易发生复合，使带电质点减少。

因此，SF6是电气强度很高的气体，大概是空气的3倍左右。3个大气压下和绝缘油电气强度相当。用SF6气体做成电气设备，其绝缘距离小、体积也小。

SF6气体、空气、变压器油在工频电压下击穿电压的比较图（图片来源：网络）

八、SF6气体的灭弧性能

想要知道这个答案，就得先知道电弧的定义。

电弧的定义：温度很高时，气体分子产生游离，中性分子分解为自由电子和正离子，在电场作用下向一定方向运动，气体放电。离子流和电子流一起组成放电的电流，叫电弧。

特性：温度很高，10000-20000℃；密度大，平均密度为 1000A/cm²，具有负的伏安特性和负的电阻温度特性。

灭弧的基本过程：电弧的特性由等离子体的特性决定，起决定作用的是电弧的温度。所以要是电弧熄灭，必须降低电弧的温度，要用强烈的冷却手段。电弧温度下降，其电导率也相应减小。导致间隙中带点粒子复合为中性分子，使气体恢复到绝缘状态。

灭弧六氟化硫断路器（图片来源：网络）

当温度达到5000K以上时，SF6气体出现电离现象。使气隙中产生自由电子e-，和正离子S ，以及负的氟离子F-，从而使气体带电，电弧具有了较高的导电率。

SF6气体灭弧好的原因在于：

SF6气体分解过程中，自由电子速度很快，难与正离子复合；SF6-不活泼，容易与正离子复合成中性原子，使得气体导电率下降，恢复绝缘。

下图为SF6气体的分解和电离示意图：

SF6气体的分解和电离示意图（图片来源：网络）

关于SF6气体电弧的热传导，SF6气体的电弧在弧芯和弧焰的交界处，有很高的热传导，温度降低很快，且弧芯温度高，电弧的电压梯度低，因此SF6不易重燃。

SF6气体的弧芯中央一直维持高温结构，这一特点对灭弧很有好处，因为电流过零时，电弧的体积已经很小了，所储存的能量也很小，有利于绝缘的恢复，并不再重燃。

六氟化硫气体和氮气的电弧电压梯度比较图（图片来源：网络）

关于SF6气体电弧的辐射，压力与辐射成正比。气压越大，辐射能量越大。

当辐射能量穿过5mm的电弧后，同样的压力下，其减少一个数量级。

注意以下三点：

a、没有金属蒸汽的SF6气体，其辐射能量要比有金属蒸汽的大一个数量级；

b、纯SF6气体的辐射能量比电弧外层的温度较低之处大100倍。99%被电弧本身所吸收；

c、只有纯SF6气体的辐射能量略高于氮气。

六氟化硫气体弧芯中的辐射能量与温度的关系曲线图（图片来源：网络）

关于电弧的对流散热，指气体热运动而带走的能量，它可以由局部的压力差而引起气体流动。这里来看电弧中央、距电弧中央2mm处、距电弧中央2mm处三种情况。

a、电弧中央：散热以传导为主；

b、距电弧中央2mm处：辐射散热、对流散热、传导散热都有，但以辐射为主。

c、电弧中央2mm处：辐射散热、对流散热、传导散热都有，但对流散热占了66.6%，辐射散热占了20%，传导散热只占13.4%。

不同散热方式对电弧散热的作用图（图片来源：网络）

最后，来看看SF6气体优良的灭弧性能，体现在哪几点。

a、有优良的热特性

SF6气体电弧在弧芯区，温度高、具有高电导率和低的导热率，低温区也有很高的导热率。因此电弧的温度很快降低，导致电弧的电压低，功率小，即灭弧的能量小。由于SF6气体中电弧的电压梯度比空气小两倍，所以SF6气体中电弧的输入功率少，在与空气同样的散热条件下，在SF6气体中的电弧容易熄灭，绝缘恢复得快，且不易重燃。

b、SF6气体的绝缘性能恢复快

SF6气体的电弧柱，能在电流接近于零点时，还能维持高温结构。使得弧柱能保持截面小的状态，电弧的能量就小。电流过零时电弧不会造成电流折断，在开断感性小电流时，不会产生高的截流过电压，使得电流过零后，介质绝缘强度恢复快。

装有六氟化硫气体的容器（图片来源：网络）

c、有负电性

SF6气体具有负电性，故此负离子SR-的运动速度比自由 电子低很多，当发生离子碰撞时，与正离子复合成为中性分子的概率高于自由电子，为此可以降低电弧的导电率，使得SF6气体的灭弧性能比空气好。

d、SF6气体的电弧时间常数小

GIS设备的优良开断性能，与SF6气体电弧的时间常数小是分不开的。试验表明，电弧的时间常数只是空气的百分之一，则其灭弧能力则为空气的100倍。以上是小电流断开的结果。在开断大电流的试验中，SF6气体的开断能力大约为空气的2~3倍。在开断相同的电流时，SR气体吹弧所需要的压力只有空气的二分之一到三分之一。电流过零后，介质恢复过程的时间常数，在热恢复阶段，SF6气体比空气快一倍。

e、SF6气体有优良的绝缘性能

在稍不均匀的电场下，SR气体的绝缘性能比空气强三倍。

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