第一章 引言

第一節 SF₆氣體

一、SF₆氣體的基本性質

1.穩定的理化特性

純凈的六氟化硫（SF₆）是一種無色、無味、無毒、不可燃的氣體。常溫下惰性極強，化學性質穩定，一般不與其他材料發生化學反應。在20℃、標準大氣壓下，SF₆氣體的密度為6.14g/L，約為空氣密度1.29g/L的5倍，因此在空氣中SF₆氣體易下沉使濃度升高且不易擴散。SF₆氣體的臨界溫度為45.6℃，臨界壓力為38.5kg/cm²，即SF₆氣體被液化的最高溫度和最小壓力，表明其不能在過低溫度和過高壓力下使用。SF₆氣體的熱傳導性能較差，導熱系數約為空氣的2/3，但其分子的定壓比熱為N₂的3.4倍，因此對流散熱能力比空氣更強。

2.優異的電氣性能

SF₆氣體分子的電子碰撞附著截面較大，使之具有很強的電子吸附能力，從而表現出優異的絕緣性能。此外，SF₆分子直徑比空氣中氧氣分子、氮氣分子的大，使得電子在氣體中的平均自由行程縮短而不易在電場中積累能量，減少了碰撞電離的能力。同時，SF₆氣體分子量是空氣的5倍，離子的運動速度比空氣中氧、氮離子的運動速度慢，正、負離子更容易發生復合，使得SF₆氣體中帶電質點減少，阻礙了氣體放電的形成和發展?；谝陨咸攸c，SF₆氣體在均勻電場下的絕緣強度約為空氣的3倍。

SF₆氣體對電場均勻程度的敏感性要遠高于空氣等介質。具體來說，與均勻電場中的擊穿電壓相比，SF₆在極不均勻電場中擊穿電壓下降的程度比空氣要大得多。換言之，SF₆優異的絕緣性能只有在電場比較均勻的場合才能得到充分的發揮。因此，在設計以SF₆氣體作為絕緣介質的各種電氣設備時，應盡可能使氣隙中的電場均勻化，使SF₆優異的絕緣性能得到充分的利用。

SF₆氣體具有強的電負性和較高的熱傳導效率，因此在交流電弧下具有強烈的電弧冷卻能力。SF₆分子量大，在交流電弧過零時，電子運動速度較慢，不能獲得使電子再次碰撞的速度，因此電弧較容易熄滅。SF₆分解后的復合能力很強，滅弧性能可達到空氣的100倍。因此，SF₆氣體在電氣設備中應用非常廣泛，是迄今為止發現的滅弧性能最好的氣體介質?，F代SF₆高壓斷路器的氣壓為0.7MPa左右，應用于氣體絕緣金屬全封閉開關設備時，充氣壓力一般低于0.45MPa。20℃時，若充氣壓力為0.75MPa（相當于斷路器中常用的工作氣壓），液化溫度為-25℃；當充氣壓力為0.45MPa時，液化溫度為-40℃。在高寒地區應用時，需考慮SF₆氣體的液化問題，對電氣設備采取加熱措施，或采用SF₆混合氣體降低液化溫度。

二、SF₆氣體的應用情況

SF₆以其良好的絕緣性能和滅弧性能，被廣泛地應用于電氣工業，如斷路器、高壓開關、高壓變壓器、全封閉組合電器、氣體絕緣輸電線路、互感器等；因其化學惰性、無毒、不燃及無腐蝕性，被廣泛地應用于航空航天領域和金屬冶煉、醫療、氣象、化工等行業；還可應用于半導體制造中的蝕刻、化學氣相淀積、標準氣、檢漏氣體和色譜儀的載氣。

1.電力行業

目前，SF₆氣體主要用于電力行業，SF₆在電力工業中主要用于氣體斷路器、氣體絕緣金屬全封閉組合電器、氣體絕緣輸電線路、氣體絕緣變壓器、SF₆負荷開關、高壓直流輸電直流場開關等設備中。

氣體斷路器（Gas Circuit Breaker，GCB）是一種利用氣體作為滅弧介質和絕緣介質的斷路器，用于敞開式變電站，已覆蓋40.5～1100kV電壓等級。絕大多數氣體斷路器介質為SF₆，這種斷路器在單斷口電壓和電流參數方面大大高于壓縮空氣斷路器和少油斷路器，并且不需要高的氣壓和相當多的串聯斷口數。常規SF₆斷路器分為瓷柱式和罐式兩種，外殼分別為陶瓷和金屬材料。此外，SF₆發電機斷路器的額定電流和額定短路開斷電流大，是一種形態特殊的斷路器，主要用于發電機出口保護，使用量遠少于常規SF₆斷路器。

氣體絕緣金屬全封閉組合電器（Gas Insulated Switchgear，GIS）是20世紀60年代中期出現的一種組合電器裝置，它將斷路器、隔離開關、接地開關、避雷器、互感器、套管或電纜終端等組合在一起，126～1100kV GIS一般采用SF₆氣體作為滅弧介質和絕緣介質。它的問世，對傳統的敞開式高壓配電裝置來說是一次革命。近60年來，GIS的發展非常迅速，其優點得到國內外電力部門的公認。與傳統的敞開式高壓配電裝置相比，GIS具有下列優點：

1）占地面積和空間占有體積大為減小。GIS特別適用于位于深山峽谷的水電站的升壓變電站，以及城區高壓電網的變電站。在上述情況下，雖然GIS的設備造價較敞開式更高，但如計及土建和土地的費用，則GIS有更好的綜合經濟指標。

2）安全可靠。GIS的帶電部分全部封閉在接地的金屬外殼內，可以完全防止人員意外接觸帶電體。此外，封閉的金屬外殼也使設備的運行免受污穢、雨、霧等不利環境條件的影響，因而GIS的工作可靠性較高。

3）有利于環境保護。采用GIS可使運行人員不受電磁場對人體的影響，因此變電站的設計比采用敞開式配電裝置簡單。

4）安裝工作量小、檢修周期長。一般來說，GIS設備的故障率只有常規設備的20%～40%。12～40.5kV GIS常做成柜式，即氣體絕緣型開關柜（C-GIS）。采用干燥空氣、N₂、SF₆等作為絕緣介質，滅弧介質一般不采用SF₆，C-GIS具有柜式外殼，因此其結構與設計和高壓GIS有很大的不同。C-GIS是20世紀70年代末出現的，由于它具有很多優點，所以發展很快。

氣體絕緣輸電線路（Gas Insulated Transmisson Line，GIL）是一種氣體絕緣型輸電管道，由金屬外殼封閉內部導體，電壓等級覆蓋80～1200kV，絕大多數以SF₆作為絕緣介質，近年也有少量的SF₆-N₂絕緣GIL投入運行。與充油電纜相比，GIL有以下優點：

1）電容量小。SF₆氣體的介電常數比油要低。此外，GIL的外殼直徑與導體直徑的比值也大于充油電纜。因此，GIL的電容量通常只有充油電纜的1/4左右。由于GIL充電電流小，所以其臨界傳輸距離比常規電纜遠。

2）損耗小。GIL的絕緣介質主要是氣體，通常支撐絕緣子的間隔距離不小于6m，因此其介質損耗可忽略不計。常規充油電纜常因介損值較大而限制了其在特高壓下的使用。GIL即使在特高壓下技術難度也低于充油電纜。

3）傳輸容量大。常規電纜因制造工藝等原因，纜芯截面積一般不超過2000mm²，而GIL卻無此限制。此外，由于SF₆氣體的導熱性能比油紙介質好，且GIL的介損可忽略，其導電芯的允許溫度也可取得較高（耐熱型環氧樹脂支撐的允許工作溫度可達105℃），所以GIL的傳輸容量比常規電纜大，且電壓等級越高，這一優點越明顯。

4）適用于高落差場合。由于SF₆氣體密度遠低于絕緣油，因此GIL便于垂直鋪設。這使得GIL尤其適合用于落差較大的水電站或抽水蓄能電站中。

氣體絕緣變壓器（Gas Insulated Transformer，GIT）以SF₆作為絕緣介質，具有不燃、不爆的優點，因此非常適合于城市人口稠密地區和高層建筑的供電。20世紀50年代末，美國首先制成SF₆氣體絕緣的電力變壓器，并采用氟利昂冷卻技術（變壓器箱內封閉冷卻管道系統和蒸發冷卻兩種方式）。我國在GIT方面的研究起步較晚，目前使用相對較少。與傳統的油浸式變壓器相比，GIT有下列優點：

1）不易燃、易爆。GIT是防火防爆型變壓器，因此在變電站設計時不需防火墻和泄油坑。有資料表明，這可節約相當于變壓器初次投資的8%。由于GIT可安裝在發電廠廠房內，因而可減少發電機至變壓器引線的投資和電力損耗。

2）噪聲小。氣體密度比液體密度小，傳遞振動的能力弱于液體，所以GIT的噪聲小于油浸式變壓器。10MVA的GIT的噪聲比同容量的油浸式變壓器小8dB。

3）重量輕。SF₆氣體在20℃和0.2MPa時的質量約為變壓器油的1/70左右，所以GIT的質量可比油浸式變壓器減輕20%～30%。

4）安裝方便。GIT在出廠時完整組裝，SF₆氣體也注入其中，在安裝現場無須抽真空，且SF₆氣體由氣罐直接輸入到變壓罐中。GIT與GIS的連接非常方便，使用GIT可使整個變電站全氣體絕緣化。

5）氣體不會老化，且GIT為全密封式，因而運行維護工作大大簡化。

6）占地面積少。GIT本身的結構簡潔、輕巧，高度降低，相應的地下變電所的棚頂也降低，且無須隔離墻，安裝占地面積少，整個空間得到了充分利用，大大降低了變電所的建設成本。尤其當GIT與GIS配合使用時，這些優勢更加明顯。

SF₆負荷開關是帶有簡單滅弧裝置的一種開關電器，使用SF₆氣體作為絕緣和滅弧介質，用于10～35kV配電網中。它不能開斷短路電流，可以作為關合和開斷負荷電流及過負荷電流用，亦可以關合和開斷空載線路、空載變壓器及電容器組等。SF₆負荷開關不僅具有電壽命長、開斷能力強等與真空負荷開關相同的優點，還容易實現三工位，小電流開斷，抗嚴酷環境條件能力強，適宜在城鄉中壓配電網中應用。

2.電子領域

電子級高純SF₆是一種理想的電子蝕刻劑，廣泛應用于微電子技術領域，用作計算機芯片、液晶屏等大型集成電路制造中的等離子刻蝕及清洗劑。在微電子業中，可用SF₆蝕刻硅表面并去除半導體材料上的有機或無機膜狀物。在光纖制備中，用作生產摻氟玻璃的氟源，在制造低損耗優質單模光纖中用作隔離層的摻雜劑，還可用作氮準分子激光器的摻加氣體。

3.其他領域

高純SF₆因其化學惰性、無毒、不燃及無腐蝕性，還被廣泛應用于航空航天領域、金屬冶煉（如鎂合金熔化爐保護氣體）、醫療（X光機、激光機）、氣象（示蹤分析）、化工（高級汽車輪胎、新型滅火器）等行業。在采礦工業中用作反吸附劑，用于礦井煤塵中置換氧。隨著當今科技的發展，SF₆涉及領域不斷擴展，被越來越多的基礎領域和科技領域廣泛應用。

三、SF₆氣體應用中存在的問題

純凈的SF₆氣體雖然無毒，但在工作場所要防止SF₆氣體濃度上升到缺氧的水平。如發生SF₆氣體泄漏，將會沉積于地勢較低處。一旦濃度過大會出現使人窒息的危險，因此在使用SF₆設備的地方均應設計戶內通風裝置。SF₆在電弧作用下會分解出SF₄、S₂F₂、SF₂、SOF₂、SO₂F₂、SOF₄和HF等具有強烈腐蝕性和毒性的物質，因此在使用和接觸SF₆過程中，應采取必要的防護措施。

此外，SF₆是人類目前已知最強的溫室氣體，其以100年為基準的全球變暖潛能值（GWP）約為CO₂的23500倍，并且由于SF₆的化學性質極為穩定，在大氣中的存在時間可長達3200年之久，一旦泄漏基本不會自然分解，對全球氣候變暖的影響具有累積效應。由于溫室效應引起的全球氣候變暖會給人類的生存環境帶來嚴重的威脅，并可能引起災難性的后果，因此溫室效應已成為國際關注的三大環境問題之一。近年來，國際社會開展了廣泛的全球性合作和努力，以期控制大氣中的溫室氣體含量，共同維持經濟的可持續發展。在1997年日本京都召開的《聯合國氣候變化框架公約》（UNFCCC）第3次締約方會議上，84個國家相繼簽署了《京都議定書》（Kyoto Protocol）以共同應對全球氣候變暖。在該議定書中，明確將CO₂、甲烷（CF₄）、氧化亞氮（N₂O）、全氟化碳（PFC）、氫氟碳化物（HFC）和SF₆列為限制排放的六種溫室氣體。我國作為《京都議定書》的主要締約國之一，正在積極地推進和執行溫室氣體減排任務。2016年，我國政府在《巴黎協定》中承諾，到2030年單位國內生產總值CO₂排放比2005年下降60%～65%，明確指出要積極參與應對全球氣候變化，落實減排承諾。這意味著繼續使用SF₆，未來將造成環境成本、社會成本的大幅提升。探索環境友好的SF₆替代氣體已成為電力行業重要的研究方向和迫切需要解決的熱點問題。

表1-1所示為一些常見絕緣氣體介質的物理和環境參數?？梢钥吹剑^緣性能優于SF₆或者與SF₆相當的絕緣氣體都存在GWP較高或者液化溫度過高的缺點，如N-C₄F₁₀、C-C₄F₈等。而對環境友好的氣體，如CO₂、N₂等，則由于電負性太弱或不具有電負性，導致氣體的絕緣強度過低而無法用于高壓電氣設備中。美國國家標準局（NIST）曾在1997年出具研究報告，提出了一些可能用于取代SF₆的潛在氣體，其中包括：1）40%SF₆-60%N₂和50%SF₆-50%N₂混合氣體可普遍適用于電氣設備中作為絕緣介質和滅弧介質；2）壓縮空氣、低SF₆含量（<15%）的SF₆-N₂混合氣體在短期內可作為氣體絕緣介質，SF₆-He可用于斷路器中作為滅弧介質；3）CO₂、SO₂、N₂O、N₂-SO₂、SF₆-CO₂、C-C₄F₈-N₂、C-C₄F₈-SO₂混合氣體等有望在中長期作為絕緣介質取代SF₆。

表1-1 常見絕緣氣體的物理和環境參數

（續）