第一章 SF₆氣體的性能及應(yīng)用

第一節(jié) SF₆氣體的特性

SF₆氣體是目前電器工業(yè)普遍應(yīng)用的優(yōu)良滅弧和絕緣介質(zhì)，它在通常狀態(tài)下是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒、不燃、化學(xué)性能穩(wěn)定的氣態(tài)物質(zhì)。

一、SF₆氣體的基本特性

SF₆是由鹵素中最活潑的氟原子（F）和硫（S）原子化合而成。其分子結(jié)構(gòu)為正八面體（見(jiàn)圖1-1）。硫原子居中，氟原子則處于六個(gè)頂角的位置上。硫原子與氟原子之間以共價(jià)鍵聯(lián)結(jié)，鍵距為1.58A（1A＝10^－10m）。SF₆分子的等值直徑為4.58A，比水蒸氣的分子等值直徑3.2A要大些。

SF₆分子量較大，是氮（N₂）的5.2倍，所以它的密度約為空氣的5.1倍。同樣體積和壓力的SF₆就比空氣重得多。

SF₆于1900年首次由法國(guó)人Moisson和Iebeau合成并分離鑒定出來(lái)，20世紀(jì)30年代以后，作為優(yōu)良的絕緣介質(zhì)而得到日益廣泛的應(yīng)用，其生產(chǎn)也陸續(xù)走向工業(yè)化。

迄今為止，在工業(yè)上普遍采用的SF₆制備方法是單質(zhì)硫磺與過(guò)量氣態(tài)氟直接化合，即S＋3F₂→SF₆＋Q（放熱反應(yīng)）。合成的粗品中含有多種雜質(zhì)，其組成和含量可因原材料純度、生產(chǎn)設(shè)備材質(zhì)、工藝條件等因素而有很大差異，雜質(zhì)總含量可達(dá)5%。其組成有硫氟化合物如S₂F₂、SF₂、SF₄、S₂F₁₀等；硫氟氧化物如SOF₂、SO₂F₂、SOF₄、S₂F₁₀O等以及原料中帶入的雜質(zhì)如HF、OF₂、CF₄、N₂、O₂等。為了凈化粗品中的雜質(zhì)，合成氣體需要經(jīng)過(guò)水洗、堿洗、熱解（主要去除劇毒的十氟化物）、吸附等一系列凈化處理過(guò)程，才能得到純度在99.8%以上的產(chǎn)品。該產(chǎn)品再用氣體壓縮機(jī)加壓充入降溫至－80℃左右的鋼瓶?jī)?nèi)。在鋼瓶中SF₆通常以液態(tài)存在，使用時(shí)將其減壓放出，呈氣態(tài)充入設(shè)備內(nèi)部。

除上面列舉的在合成過(guò)程中可能產(chǎn)生的若干雜質(zhì)成分外，在氣體輸送和充裝過(guò)程中還有可能混入少量的空氣、水分和礦物油等物質(zhì)。

為了保證SF₆產(chǎn)品的純度和質(zhì)量，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）和許多國(guó)家或生產(chǎn)廠(chǎng)家，都規(guī)定了SF₆產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，用戶(hù)可據(jù)此進(jìn)行復(fù)檢和驗(yàn)收。表1-1列舉了若干SF₆產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，供讀者參考。

除了上述的單質(zhì)直接合成的方法外，尚有氧化硫碳法、直接電解法、氟化鈷法等多種合成SF₆的方法。

SF₆的基本特性參數(shù)見(jiàn)表1-2，為比較起見(jiàn)也列入了N₂的有關(guān)參數(shù)。

SF₆的臨界壓力，臨界溫度都很高（38.5大氣壓，45.6℃）。臨界溫度表示氣體可以被液化的最高溫度，臨界壓力表示在這個(gè)溫度下出現(xiàn)液化所需的氣體壓力。氣體臨界溫度越低越好，表明它不容易被液化，例如氮?dú)庵挥性诘陀冢?46.8℃以下才可能液化，在工程使用環(huán)境條件下就不必考慮它的液化問(wèn)題，而SF₆則不然，只有在溫度高于45℃以上才能恒定地保持氣態(tài)，所以在通常使用條件下它是有液化可能的。因此，SF₆氣體不能在過(guò)低溫度和過(guò)高壓力下使用。

SF₆在水中的溶解度很低，只有5.5×10^－3mL/mL，和氦氣、氬氣、氮?dú)獾榷栊詺怏w相當(dāng)，但SF₆在某些有機(jī)溶劑中的溶解度還是比較高的，見(jiàn)表1-3。

SF₆在常溫甚至較高的溫度下一般不會(huì)發(fā)生自分解反應(yīng)，它的熱分解溫度在500℃左右，熱分解時(shí)形成的成分十分復(fù)雜，且因溫度不同而異，這將在以后的電弧分解部分介紹。

SF₆氣體的熱傳導(dǎo)性能較差，導(dǎo)熱系數(shù)只有空氣的2/3。但是對(duì)氣體介質(zhì)，它的傳熱效應(yīng)往往不是單純的傳導(dǎo)作用，分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)攜帶的熱量可能產(chǎn)生更顯著影響，影響的程度取決于氣體允許流動(dòng)的空間尺寸。例如氣體與熱固體表面接觸，緊靠表面的局部氣體溫度升高而膨脹向外擴(kuò)散（流動(dòng)），把熱量傳遞出去，這種傳熱過(guò)程稱(chēng)為自然對(duì)流傳熱。對(duì)流傳熱的能力與分子比熱有關(guān)，即氣體分子升高溫度時(shí)吸收了熱量，隨著分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而傳遞到別處。SF₆分子的定壓比熱是氮?dú)獾?.4倍，因此其對(duì)流散熱能力比空氣大得多。熱物體在空氣和SF₆中的表面散熱效果以單位表面積在單位溫差下的散熱系數(shù)來(lái)表示，見(jiàn)表1-4。可見(jiàn)，實(shí)際散熱能力比空氣為好，SF₆斷路器的發(fā)熱與溫升問(wèn)題不會(huì)比空氣斷路器嚴(yán)重。

SF₆是負(fù)電性氣體，負(fù)電性就是分子（原子）吸收自由電子形成負(fù)離子的特性。SF₆分子具有較強(qiáng)的負(fù)電性，捕捉自由電子形成負(fù)離子后再與正離子結(jié)合造成空間帶電粒子的迅速減少。這個(gè)特性在阻礙放電的形成（提高擊穿電壓）和使電弧間隙介質(zhì)迅速恢復(fù)的過(guò)程中具有重要的意義，SF₆氣體的這一特性是它成為優(yōu)良的絕緣與滅弧介質(zhì)的重要原因之一。SF₆的負(fù)電性主要是由氟（F）元素帶來(lái)的，F(xiàn)在周期表上是Ⅶ族元素，最外層為七個(gè)電子，很容易吸收一個(gè)電子形成穩(wěn)定的八個(gè)電子數(shù)。這是所有Ⅶ族元素（鹵族元素）的共性，F(xiàn)居其首。其它元素如Ⅵ族的氧、硫也能吸收電子，但可能性不如Ⅶ族元素。負(fù)電性的大小以與電子結(jié)合時(shí)釋放出來(lái)的能量（電子親合能）大小為標(biāo)志，結(jié)合時(shí)釋放能量越多，表示結(jié)合的結(jié)果越穩(wěn)定。

二、SF₆氣體的狀態(tài)參數(shù)

氣體在不流動(dòng)時(shí)，可以用三個(gè)參數(shù)來(lái)代表它所處的狀態(tài)，即三個(gè)狀態(tài)參數(shù)：壓力（P）、密度（γ）及溫度（T）。因氣體的大量分子是處在無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)之中，氣體的狀態(tài)參數(shù)是大量分子運(yùn)行狀態(tài)的平均參數(shù)。

（1）氣體的壓力P，在工程上習(xí)慣用kgf/cm²做單位，即工程大氣壓，國(guó)際單位制（SI），常以帕（Pa）即牛頓/米²，巴（bar）表示，英制國(guó)家還使用磅/英寸（psi），這些單位的換算關(guān)系列于表1-5。

氣體壓力還有絕對(duì)壓力與表壓力兩種表示方法，表壓力＝絕對(duì)壓力—大氣壓力。表壓力是在大氣環(huán)境中用表計(jì)測(cè)量的讀數(shù)壓力，其零點(diǎn)就是大氣壓力。工程實(shí)用中多以表壓計(jì)數(shù)，而在作氣體參數(shù)計(jì)算時(shí)必須用絕對(duì)壓力，其差值為1個(gè)大氣壓，約為1kgf/cm²。

（2）氣體的密度（γ）指單位體積的氣體質(zhì)量，在國(guó)際單位中為kgf/m³。

（3）溫度的單位與日常用攝氏（℃）略為不同的是，在計(jì)算中應(yīng)用絕對(duì)溫度（K），其關(guān)系為：

理想氣體的狀態(tài)參數(shù)之間存在簡(jiǎn)單的關(guān)系，即理想氣體狀態(tài)方程式：

R稱(chēng)為氣體常數(shù)。對(duì)理想氣體它是一個(gè)恒定的常數(shù)。根據(jù)狀態(tài)方程式可以推斷氣體狀態(tài)變化時(shí)各參數(shù)之間的關(guān)系，例如氣體作等溫壓縮（或膨脹）時(shí)，壓力與密度成正比，即圖1-2所示直線(xiàn)變化。

在工程應(yīng)用范圍內(nèi)，空氣完全可以當(dāng)作理想氣體看待，它在數(shù)百大氣壓以下，溫度在攝氏零下一百多度以上，即通常工程使用所涉及的范圍，與理想氣體的特性差異很小，按理想氣體分析計(jì)算不會(huì)有顯著誤差。

SF₆氣體則不然，SF₆氣體分子質(zhì)量大，分子間相互作用顯著，這種強(qiáng)的相互作用使它表現(xiàn)得與理想氣體的特性相偏離。圖1-2給出在溫度不變（20℃）條件下SF₆氣體壓力隨著體積壓縮而變化的情況。當(dāng)壓力高于（3～5）kgf/cm²時(shí)，由于SF₆分子之間的引力的壓力特性之間的偏離也愈來(lái)愈大。基于理想氣體定律推導(dǎo)出來(lái)的各種關(guān)系式用來(lái)計(jì)算SF₆參數(shù)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。要較為準(zhǔn)確地計(jì)算SF₆氣體的狀態(tài)參數(shù)常采用經(jīng)驗(yàn)公式，下面的Battie-Bridgman公式是比較實(shí)用的：

式中單位P為kgf/cm²，γ為kg/m³，T為K。

在工程實(shí)用中用這個(gè)公式計(jì)算太麻煩，所以把它們的關(guān)系繪成一組狀態(tài)參數(shù)曲線(xiàn)簇，如圖1-3所示。圖中還繪出了氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)（液化）和固態(tài)（凝固）的臨界線(xiàn)，即曲線(xiàn)AFB，也稱(chēng)飽和蒸汽壓力曲線(xiàn)，它代表在給定溫度下氣相與液相，氣相與固相處于平衡狀態(tài)時(shí)的壓力（飽和壓力）值，曲線(xiàn)之右側(cè)是氣態(tài)區(qū)域，AFF′為液態(tài)區(qū)域，F(xiàn)′FB為固態(tài)區(qū)域。F點(diǎn)為SF₆的熔點(diǎn)，其參數(shù)為T(mén)_F＝－50.8℃，P_F＝2.36kgf/cm²，在這一點(diǎn)是氣、液、固三相共存的狀態(tài)。B點(diǎn)為SF₆的沸點(diǎn)，T_B＝－63.8℃，飽和蒸汽壓力等于1個(gè)大氣壓。氣態(tài)區(qū)域的斜直線(xiàn)簇就是式（1-3）所表示的P—γ—丁的關(guān)系。

應(yīng)用這個(gè)圖可以較方便地計(jì)算SF₆的狀態(tài)參數(shù)以及求取液化或固化的溫度。

例：某SF₆斷路器充氣體積為0.5m³，在20℃時(shí)工作壓力為3kgf/cm²（表壓力），求氣體的重量和出現(xiàn)液化時(shí)的溫度。

由給定的20℃時(shí)壓力值可以確定工作點(diǎn)S（見(jiàn)圖1-3，縱坐標(biāo)應(yīng)為絕對(duì)壓力，故P＝4kgf/cm²），這一點(diǎn)所代表的密度，在圖中兩直線(xiàn)之間，估計(jì)值為25kg/m³，因此斷路器總的氣體重量為：0.5×25＝12.5kg。

求液化溫度。當(dāng)環(huán)境（氣體）溫度改變時(shí)，氣體壓力將沿γ不變的斜直線(xiàn)變化（因?yàn)閿嗦菲骼锏臍怏w重量及體積都不改變）。經(jīng)過(guò)20℃時(shí)的工作點(diǎn)S，作一條與相鄰兩直線(xiàn)等比例的直線(xiàn)TSR、與臨界線(xiàn)AFB相交于R點(diǎn)，這一點(diǎn)就代表溫度下降而出現(xiàn)凝結(jié)的狀態(tài)參數(shù)，因交點(diǎn)R處于F點(diǎn)之上，故凝結(jié)成液體，是為液化點(diǎn)，這一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)是－43℃，3kgf/cm²，即該斷路器在－43℃時(shí)開(kāi)始液化，這時(shí)的壓力是3kgf/cm²，即2個(gè)表壓力。從R點(diǎn)開(kāi)始，若溫度繼續(xù)下降，則數(shù)沿著RFB變化，氣體不斷地凝成液體，氣體的密度不再保持常數(shù)而是不斷減少，而且氣體的壓力下降得更快。溫度降到液化點(diǎn)（液化溫度）并不表示全部氣體立刻都被凝成液體，只是凝結(jié)的開(kāi)始，但溫度繼續(xù)降低，氣體壓力密度下降很快，氣體的滅弧絕緣性能都迅速下降，所以斷路器不允許工作溫度低于液化點(diǎn)。

從這個(gè)例子可以看出，液化溫度與斷路器的工作壓力有關(guān)，工作壓力越高液化溫度也越高。若按液化溫度不高于－20℃考慮，相應(yīng)于20℃時(shí)的工作壓力應(yīng)不高于8kgf/cm²（如表壓），一般單壓式SF₆斷路器的工作壓力大致是這樣選擇的。

若考慮溫度升高時(shí)工作壓力升高，同理沿γ＝常數(shù)的直線(xiàn)向右側(cè)尋找相應(yīng)的工作點(diǎn)，上例中，若環(huán)境溫度升高到40℃，其工作點(diǎn)T對(duì)應(yīng)的壓力值是4.3kgf/cm²。

有時(shí)，斷路器工作壓力很低，溫度下降時(shí)可能不出現(xiàn)液化而直接凝成固體，例如在20℃時(shí)工作壓力小于2.8kgf/cm²（表壓力1.8kgf/cm²），其P－T直線(xiàn)與臨界線(xiàn)的交點(diǎn)在點(diǎn)F之下。