第四節 SF₆混合氣體

將SF₆氣體和某種普通氣體按一定的容積比相混合即組成SF₆混合氣體。若在它的擊穿電壓比純SF₆降低不多的前提下，選用混合氣體作為原來充SF₆的電力設備的氣體絕緣介質，這在工程上是有經濟和技術方面的優點的。SF₆氣體的價格比一般氣體如氮氣、二氧化碳等要昂貴，因此選用混合氣體是可以降低設備成本的。另一方面，對SF₆氣體在使用上所存在的一些不夠滿意的地方，也可能加以適當的彌補和改善，例如有可能降低氣體的液化溫度，減少電場均勻程度和電極表面狀態等對擊穿電壓的影響。

為此，多年來許多研究者對不同的SF₆混合氣體，在不同的壓力、混合比、電極條件下的絕緣性能進行了研究。早在20世紀50年代，就有人對SF₆和N₂的混合氣體在稍不均勻電場下的工頻擊穿電壓進行了試驗研究，如圖1-11所示。SF₆和CO₂的混合氣體在直流下擊穿電壓如圖1-12，它是用一對平板電極構成的間隙為5mm的均勻電場下進行試驗研究的，該研究者還對比了SF₆和N₂、SF₆和空氣的混合氣體在同一試驗條件下的絕緣性能，發現有SF₆和N₂的混合氣體的擊穿電壓最高，圖1-13是在和圖1-12同樣試驗條件下觀

察表面粗糙度的影響，在陰極平板電極的中央放置一個半徑為0.5mm的半球狀金屬突出物。試驗結果表明，混合氣體的擊穿電壓受表面狀態的影響比之純SF₆氣體要小，而幾種SF₆混合氣體中尤以SF₆和CO₂的混合氣體受電極表面狀態的影響為最小。表1-7是SF₆和He的混合氣體在稍不均勻電場和不均勻電場下工頻擊穿電壓的比較。前者是半徑為49mm的鋁制球對平板電極、間隙為5mm時的試驗結果；后者是用一對半徑為49mm的鋁球，而下球中央插入一直徑為0.63mm高度h可變的鎢棒，因而球對棒構成一不均勻電場。從試驗結果可知，當棒電極較長即h等于2.5～10mm，而壓力為3.5～5.5個大氣壓時混合氣體的擊穿電壓甚至可能高于純SF₆氣體，由此可看出，在混合氣體中電場均勻程度對擊穿電壓的影響有所降低。

一些研究者在棒球間隙構成的不均勻電場下進行的試驗表明，在混合比相同的情況下，SF₆和CO混合氣體的性能要比和N₂的混合氣體的為好。若在這些混合氣體中再加上1%的C—C₄F₈的話，則可進一步大大提高混合氣體的擊穿電壓。如果這三種氣體的混合比配合得當的話，其在不均勻電場下的擊穿電壓甚至會高于純SF₆氣體，而稍不均勻電場下則接近純SF₆氣體的擊穿電壓，如表1-8所示。

總之SF₆混合氣體的有關特性各國尚在進一步研究之中，其目的就是要找到一種能令人滿意甚至比SF₆優越的混合氣體。

SF₆氣體的液化溫度較高，在低溫下使用時，氣體的工作壓力被迫降低，因而使斷路器的額定開斷電流以及其它性能受到很大的影響。例如某開關廠的LW2—220型SF₆斷路器在環境溫度為－30℃地區工作時，20℃時的SF₆氣體壓力為6kgf/cm²（表壓），額定開斷電流為40kA，而當用于－40℃的高寒地區時，為防止氣體液化，20℃時的SF₆氣體壓力被迫降為4.2kgf/cm²（表壓），額定開斷電流為31.5kA。

標準狀態下，SF₆氣體的密度是N₂的五倍。試驗表明沒有必要先將SF₆與N₂混合后再充入斷路器。可以先將SF₆氣體充入斷路器達到要求的分壓后再充入N₂達到所需的總壓力。在戶外混合斷路器的運行經驗表明：由于氣流的對流作用，甚至在設備長期空載的情況下，氣體仍能保持均勻的混合。

常溫下，SF₆氣體的絕熱指數K＝1.08，音速為134m/s；N₂的K＝1.4、音速為349m/s，差別較大。原先SF₆壓氣滅弧室必須修改設計后才能用于SF₆和N₂混合氣體的斷路器。

SF₆和N₂混合氣體斷路器中，由于SF₆氣體分壓力的減小，有可能降低斷路器的絕緣性能和滅弧性能。但由于總壓力由原來的6.5增加到7.5kgf/cm²（表壓）加上又對滅弧室進行了修改設計，因此仍能保持很好的絕緣性能和滅弧性能。

N₂的熱導率比SF₆低，60℃時N₂的熱導率只是SF₆的50%。曾擔心采用混合氣體后可能使散熱條件變劣，滅弧室溫升增高。但是，滅弧室中大部分的熱量是通過金屬零部件的傳導經法蘭向外散出，氣體導熱性能的改變對滅弧室內各部件的溫升影響不大。西門子公司充SF₆和N₂混合氣體滅弧室通過4000A的額定電流時，滅弧室內各部件的溫升僅比原來的SF₆滅弧室高百分之幾，不會超過溫升65K的要求。