第一章 SF₆氣體的性能及應用

第一節 SF₆氣體的特性

SF₆氣體是目前電器工業普遍應用的優良滅弧和絕緣介質，它在通常狀態下是一種無色、無味、無毒、不燃、化學性能穩定的氣態物質。

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。其分子結構為正八面體（見圖1-1）。硫原子居中，氟原子則處于六個頂角的位置上。硫原子與氟原子之間以共價鍵聯結，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年首次由法國人Moisson和Iebeau合成并分離鑒定出來，20世紀30年代以后，作為優良的絕緣介質而得到日益廣泛的應用，其生產也陸續走向工業化。

迄今為止，在工業上普遍采用的SF₆制備方法是單質硫磺與過量氣態氟直接化合，即S＋3F₂→SF₆＋Q（放熱反應）。合成的粗品中含有多種雜質，其組成和含量可因原材料純度、生產設備材質、工藝條件等因素而有很大差異，雜質總含量可達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如HF、OF₂、CF₄、N₂、O₂等。為了凈化粗品中的雜質，合成氣體需要經過水洗、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程，才能得到純度在99.8%以上的產品。該產品再用氣體壓縮機加壓充入降溫至－80℃左右的鋼瓶內。在鋼瓶中SF₆通常以液態存在，使用時將其減壓放出，呈氣態充入設備內部。

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

為了保證SF₆產品的純度和質量，國際電工委員會（IEC）和許多國家或生產廠家，都規定了SF₆產品的質量標準，用戶可據此進行復檢和驗收。表1-1列舉了若干SF₆產品的質量標準，供讀者參考。

除了上述的單質直接合成的方法外，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的基本特性參數見表1-2，為比較起見也列入了N₂的有關參數。

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溫度下出現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，例如氮氣只有在低于－146.8℃以下才可能液化，在工程使用環境條件下就不必考慮它的液化問題，而SF₆則不然，只有在溫度高于45℃以上才能恒定地保持氣態，所以在通常使用條件下它是有液化可能的。因此，SF₆氣體不能在過低溫度和過高壓力下使用。

SF₆在水中的溶解度很低，只有5.5×10^－3mL/mL，和氦氣、氬氣、氮氣等惰性氣體相當，但SF₆在某些有機溶劑中的溶解度還是比較高的，見表1-3。

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

SF₆氣體的熱傳導性能較差，導熱系數只有空氣的2/3。但是對氣體介質，它的傳熱效應往往不是單純的傳導作用，分子的擴散運動攜帶的熱量可能產生更顯著影響，影響的程度取決于氣體允許流動的空間尺寸。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散（流動），把熱量傳遞出去，這種傳熱過程稱為自然對流傳熱。對流傳熱的能力與分子比熱有關，即氣體分子升高溫度時吸收了熱量，隨著分子擴散運動而傳遞到別處。SF₆分子的定壓比熱是氮氣的3.4倍，因此其對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來表示，見表1-4。可見，實際散熱能力比空氣為好，SF₆斷路器的發熱與溫升問題不會比空氣斷路器嚴重。

SF₆是負電性氣體，負電性就是分子（原子）吸收自由電子形成負離子的特性。SF₆分子具有較強的負電性，捕捉自由電子形成負離子后再與正離子結合造成空間帶電粒子的迅速減少。這個特性在阻礙放電的形成（提高擊穿電壓）和使電弧間隙介質迅速恢復的過程中具有重要的意義，SF₆氣體的這一特性是它成為優良的絕緣與滅弧介質的重要原因之一。SF₆的負電性主要是由氟（F）元素帶來的，F在周期表上是Ⅶ族元素，最外層為七個電子，很容易吸收一個電子形成穩定的八個電子數。這是所有Ⅶ族元素（鹵族元素）的共性，F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。負電性的大小以與電子結合時釋放出來的能量（電子親合能）大小為標志，結合時釋放能量越多，表示結合的結果越穩定。

二、SF₆氣體的狀態參數

氣體在不流動時，可以用三個參數來代表它所處的狀態，即三個狀態參數：壓力（P）、密度（γ）及溫度（T）。因氣體的大量分子是處在無規則的熱運動之中，氣體的狀態參數是大量分子運行狀態的平均參數。

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

氣體壓力還有絕對壓力與表壓力兩種表示方法，表壓力＝絕對壓力—大氣壓力。表壓力是在大氣環境中用表計測量的讀數壓力，其零點就是大氣壓力。工程實用中多以表壓計數，而在作氣體參數計算時必須用絕對壓力，其差值為1個大氣壓，約為1kgf/cm²。

（2）氣體的密度（γ）指單位體積的氣體質量，在國際單位中為kgf/m³。

（3）溫度的單位與日常用攝氏（℃）略為不同的是，在計算中應用絕對溫度（K），其關系為：

理想氣體的狀態參數之間存在簡單的關系，即理想氣體狀態方程式：

R稱為氣體常數。對理想氣體它是一個恒定的常數。根據狀態方程式可以推斷氣體狀態變化時各參數之間的關系，例如氣體作等溫壓縮（或膨脹）時，壓力與密度成正比，即圖1-2所示直線變化。

在工程應用范圍內，空氣完全可以當作理想氣體看待，它在數百大氣壓以下，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，按理想氣體分析計算不會有顯著誤差。

SF₆氣體則不然，SF₆氣體分子質量大，分子間相互作用顯著，這種強的相互作用使它表現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。當壓力高于（3～5）kgf/cm²時，由于SF₆分子之間的引力的壓力特性之間的偏離也愈來愈大。基于理想氣體定律推導出來的各種關系式用來計算SF₆參數會產生較大的誤差。要較為準確地計算SF₆氣體的狀態參數常采用經驗公式，下面的Battie-Bridgman公式是比較實用的：

式中單位P為kgf/cm²，γ為kg/m³，T為K。

在工程實用中用這個公式計算太麻煩，所以把它們的關系繪成一組狀態參數曲線簇，如圖1-3所示。圖中還繪出了氣態轉變為液態（液化）和固態（凝固）的臨界線，即曲線AFB，也稱飽和蒸汽壓力曲線，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時的壓力（飽和壓力）值，曲線之右側是氣態區域，AFF′為液態區域，F′FB為固態區域。F點為SF₆的熔點，其參數為T_F＝－50.8℃，P_F＝2.36kgf/cm²，在這一點是氣、液、固三相共存的狀態。B點為SF₆的沸點，T_B＝－63.8℃，飽和蒸汽壓力等于1個大氣壓。氣態區域的斜直線簇就是式（1-3）所表示的P—γ—丁的關系。

應用這個圖可以較方便地計算SF₆的狀態參數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℃時工作壓力為3kgf/cm²（表壓力），求氣體的重量和出現液化時的溫度。

由給定的20℃時壓力值可以確定工作點S（見圖1-3，縱坐標應為絕對壓力，故P＝4kgf/cm²），這一點所代表的密度，在圖中兩直線之間，估計值為25kg/m³，因此斷路器總的氣體重量為：0.5×25＝12.5kg。

求液化溫度。當環境（氣體）溫度改變時，氣體壓力將沿γ不變的斜直線變化（因為斷路器里的氣體重量及體積都不改變）。經過20℃時的工作點S，作一條與相鄰兩直線等比例的直線TSR、與臨界線AFB相交于R點，這一點就代表溫度下降而出現凝結的狀態參數，因交點R處于F點之上，故凝結成液體，是為液化點，這一點對應的坐標是－43℃，3kgf/cm²，即該斷路器在－43℃時開始液化，這時的壓力是3kgf/cm²，即2個表壓力。從R點開始，若溫度繼續下降，則數沿著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（液化溫度）并不表示全部氣體立刻都被凝成液體，只是凝結的開始，但溫度繼續降低，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。

從這個例子可以看出，液化溫度與斷路器的工作壓力有關，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，相應于20℃時的工作壓力應不高于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。

若考慮溫度升高時工作壓力升高，同理沿γ＝常數的直線向右側尋找相應的工作點，上例中，若環境溫度升高到40℃，其工作點T對應的壓力值是4.3kgf/cm²。

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