第一章 引言

第一節(jié) SF₆氣體

一、SF₆氣體的基本性質(zhì)

1.穩(wěn)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(qiáng)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，一般不與其他材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在20℃、標(biāo)準(zhǔn)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?jié)舛壬咔也灰讛U(kuò)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(dǎo)性能較差，導(dǎo)熱系數(shù)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(duì)流散熱能力比空氣更強(qiáng)。

2.優(yōu)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(qiáng)的電子吸附能力，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的絕緣性能。此外，SF₆分子直徑比空氣中氧氣分子、氮?dú)夥肿拥拇螅沟秒娮釉跉怏w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(shí)，SF₆氣體分子量是空氣的5倍，離子的運(yùn)動(dòng)速度比空氣中氧、氮離子的運(yùn)動(dòng)速度慢，正、負(fù)離子更容易發(fā)生復(fù)合，使得SF₆氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)減少，阻礙了氣體放電的形成和發(fā)展。基于以上特點(diǎn)，SF₆氣體在均勻電場下的絕緣強(qiáng)度約為空氣的3倍。

SF₆氣體對(duì)電場均勻程度的敏感性要遠(yuǎn)高于空氣等介質(zhì)。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(yōu)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(fā)揮。因此，在設(shè)計(jì)以SF₆氣體作為絕緣介質(zhì)的各種電氣設(shè)備時(shí)，應(yīng)盡可能使氣隙中的電場均勻化，使SF₆優(yōu)異的絕緣性能得到充分的利用。

SF₆氣體具有強(qiáng)的電負(fù)性和較高的熱傳導(dǎo)效率，因此在交流電弧下具有強(qiáng)烈的電弧冷卻能力。SF₆分子量大，在交流電弧過零時(shí)，電子運(yùn)動(dòng)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(fù)合能力很強(qiáng)，滅弧性能可達(dá)到空氣的100倍。因此，SF₆氣體在電氣設(shè)備中應(yīng)用非常廣泛，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的滅弧性能最好的氣體介質(zhì)。現(xiàn)代SF₆高壓斷路器的氣壓為0.7MPa左右，應(yīng)用于氣體絕緣金屬全封閉開關(guān)設(shè)備時(shí)，充氣壓力一般低于0.45MPa。20℃時(shí)，若充氣壓力為0.75MPa（相當(dāng)于斷路器中常用的工作氣壓），液化溫度為-25℃；當(dāng)充氣壓力為0.45MPa時(shí)，液化溫度為-40℃。在高寒地區(qū)應(yīng)用時(shí)，需考慮SF₆氣體的液化問題，對(duì)電氣設(shè)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(yīng)用情況

SF₆以其良好的絕緣性能和滅弧性能，被廣泛地應(yīng)用于電氣工業(yè)，如斷路器、高壓開關(guān)、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(xué)惰性、無毒、不燃及無腐蝕性，被廣泛地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域和金屬冶煉、醫(yī)療、氣象、化工等行業(yè)；還可應(yīng)用于半導(dǎo)體制造中的蝕刻、化學(xué)氣相淀積、標(biāo)準(zhǔn)氣、檢漏氣體和色譜儀的載氣。

1.電力行業(yè)

目前，SF₆氣體主要用于電力行業(yè)，SF₆在電力工業(yè)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(fù)荷開關(guān)、高壓直流輸電直流場開關(guān)等設(shè)備中。

氣體斷路器（Gas Circuit Breaker，GCB）是一種利用氣體作為滅弧介質(zhì)和絕緣介質(zhì)的斷路器，用于敞開式變電站，已覆蓋40.5～1100kV電壓等級(jí)。絕大多數(shù)氣體斷路器介質(zhì)為SF₆，這種斷路器在單斷口電壓和電流參數(shù)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(dāng)多的串聯(lián)斷口數(shù)。常規(guī)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(fā)電機(jī)斷路器的額定電流和額定短路開斷電流大，是一種形態(tài)特殊的斷路器，主要用于發(fā)電機(jī)出口保護(hù)，使用量遠(yuǎn)少于常規(guī)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(jì)60年代中期出現(xiàn)的一種組合電器裝置，它將斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、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(zhì)和絕緣介質(zhì)。它的問世，對(duì)傳統(tǒng)的敞開式高壓配電裝置來說是一次革命。近60年來，GIS的發(fā)展非常迅速，其優(yōu)點(diǎn)得到國內(nèi)外電力部門的公認(rèn)。與傳統(tǒng)的敞開式高壓配電裝置相比，GIS具有下列優(yōu)點(diǎn)：

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(qū)高壓電網(wǎng)的變電站。在上述情況下，雖然GIS的設(shè)備造價(jià)較敞開式更高，但如計(jì)及土建和土地的費(fèi)用，則GIS有更好的綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

2）安全可靠。GIS的帶電部分全部封閉在接地的金屬外殼內(nèi)，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(shè)備的運(yùn)行免受污穢、雨、霧等不利環(huán)境條件的影響，因而GIS的工作可靠性較高。

3）有利于環(huán)境保護(hù)。采用GIS可使運(yùn)行人員不受電磁場對(duì)人體的影響，因此變電站的設(shè)計(jì)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(shè)備的故障率只有常規(guī)設(shè)備的20%～40%。12～40.5kV GIS常做成柜式，即氣體絕緣型開關(guān)柜（C-GIS）。采用干燥空氣、N₂、SF₆等作為絕緣介質(zhì)，滅弧介質(zhì)一般不采用SF₆，C-GIS具有柜式外殼，因此其結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)和高壓GIS有很大的不同。C-GIS是20世紀(jì)70年代末出現(xiàn)的，由于它具有很多優(yōu)點(diǎn)，所以發(fā)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(nèi)部導(dǎo)體，電壓等級(jí)覆蓋80～1200kV，絕大多數(shù)以SF₆作為絕緣介質(zhì)，近年也有少量的SF₆-N₂絕緣GIL投入運(yùn)行。與充油電纜相比，GIL有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）電容量小。SF₆氣體的介電常數(shù)比油要低。此外，GIL的外殼直徑與導(dǎo)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(guī)電纜遠(yuǎn)。

2）損耗小。GIL的絕緣介質(zhì)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(zhì)損耗可忽略不計(jì)。常規(guī)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(shù)難度也低于充油電纜。

3）傳輸容量大。常規(guī)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(dǎo)熱性能比油紙介質(zhì)好，且GIL的介損可忽略，其導(dǎo)電芯的允許溫度也可取得較高（耐熱型環(huán)氧樹脂支撐的允許工作溫度可達(dá)105℃），所以GIL的傳輸容量比常規(guī)電纜大，且電壓等級(jí)越高，這一優(yōu)點(diǎn)越明顯。

4）適用于高落差場合。由于SF₆氣體密度遠(yuǎn)低于絕緣油，因此GIL便于垂直鋪設(shè)。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(zhì)，具有不燃、不爆的優(yōu)點(diǎn)，因此非常適合于城市人口稠密地區(qū)和高層建筑的供電。20世紀(jì)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(shù)（變壓器箱內(nèi)封閉冷卻管道系統(tǒng)和蒸發(fā)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(duì)較少。與傳統(tǒng)的油浸式變壓器相比，GIT有下列優(yōu)點(diǎn)：

1）不易燃、易爆。GIT是防火防爆型變壓器，因此在變電站設(shè)計(jì)時(shí)不需防火墻和泄油坑。有資料表明，這可節(jié)約相當(dāng)于變壓器初次投資的8%。由于GIT可安裝在發(fā)電廠廠房內(nèi)，因而可減少發(fā)電機(jī)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(dòng)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(shí)的質(zhì)量約為變壓器油的1/70左右，所以GIT的質(zhì)量可比油浸式變壓器減輕20%～30%。

4）安裝方便。GIT在出廠時(shí)完整組裝，SF₆氣體也注入其中，在安裝現(xiàn)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(gè)變電站全氣體絕緣化。

5）氣體不會(huì)老化，且GIT為全密封式，因而運(yùn)行維護(hù)工作大大簡化。

6）占地面積少。GIT本身的結(jié)構(gòu)簡潔、輕巧，高度降低，相應(yīng)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(gè)空間得到了充分利用，大大降低了變電所的建設(shè)成本。尤其當(dāng)GIT與GIS配合使用時(shí)，這些優(yōu)勢更加明顯。

SF₆負(fù)荷開關(guān)是帶有簡單滅弧裝置的一種開關(guān)電器，使用SF₆氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)，用于10～35kV配電網(wǎng)中。它不能開斷短路電流，可以作為關(guān)合和開斷負(fù)荷電流及過負(fù)荷電流用，亦可以關(guān)合和開斷空載線路、空載變壓器及電容器組等。SF₆負(fù)荷開關(guān)不僅具有電壽命長、開斷能力強(qiáng)等與真空負(fù)荷開關(guān)相同的優(yōu)點(diǎn)，還容易實(shí)現(xiàn)三工位，小電流開斷，抗嚴(yán)酷環(huán)境條件能力強(qiáng)，適宜在城鄉(xiāng)中壓配電網(wǎng)中應(yīng)用。

2.電子領(lǐng)域

電子級(jí)高純SF₆是一種理想的電子蝕刻劑，廣泛應(yīng)用于微電子技術(shù)領(lǐng)域，用作計(jì)算機(jī)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(yè)中，可用SF₆蝕刻硅表面并去除半導(dǎo)體材料上的有機(jī)或無機(jī)膜狀物。在光纖制備中，用作生產(chǎn)摻氟玻璃的氟源，在制造低損耗優(yōu)質(zhì)單模光纖中用作隔離層的摻雜劑，還可用作氮準(zhǔn)分子激光器的摻加氣體。

3.其他領(lǐng)域

高純SF₆因其化學(xué)惰性、無毒、不燃及無腐蝕性，還被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域、金屬冶煉（如鎂合金熔化爐保護(hù)氣體）、醫(yī)療（X光機(jī)、激光機(jī)）、氣象（示蹤分析）、化工（高級(jí)汽車輪胎、新型滅火器）等行業(yè)。在采礦工業(yè)中用作反吸附劑，用于礦井煤塵中置換氧。隨著當(dāng)今科技的發(fā)展，SF₆涉及領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，被越來越多的基礎(chǔ)領(lǐng)域和科技領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

三、SF₆氣體應(yīng)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(fā)生SF₆氣體泄漏，將會(huì)沉積于地勢較低處。一旦濃度過大會(huì)出現(xiàn)使人窒息的危險(xiǎn)，因此在使用SF₆設(shè)備的地方均應(yīng)設(shè)計(jì)戶內(nèi)通風(fēng)裝置。SF₆在電弧作用下會(huì)分解出SF₄、S₂F₂、SF₂、SOF₂、SO₂F₂、SOF₄和HF等具有強(qiáng)烈腐蝕性和毒性的物質(zhì)，因此在使用和接觸SF₆過程中，應(yīng)采取必要的防護(hù)措施。

此外，SF₆是人類目前已知最強(qiáng)的溫室氣體，其以100年為基準(zhǔn)的全球變暖潛能值（GWP）約為CO₂的23500倍，并且由于SF₆的化學(xué)性質(zhì)極為穩(wěn)定，在大氣中的存在時(shí)間可長達(dá)3200年之久，一旦泄漏基本不會(huì)自然分解，對(duì)全球氣候變暖的影響具有累積效應(yīng)。由于溫室效應(yīng)引起的全球氣候變暖會(huì)給人類的生存環(huán)境帶來嚴(yán)重的威脅，并可能引起災(zāi)難性的后果，因此溫室效應(yīng)已成為國際關(guān)注的三大環(huán)境問題之一。近年來，國際社會(huì)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(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。在1997年日本京都召開的《聯(lián)合國氣候變化框架公約》（UNFCCC）第3次締約方會(huì)議上，84個(gè)國家相繼簽署了《京都議定書》（Kyoto Protocol）以共同應(yīng)對(duì)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(jìn)和執(zhí)行溫室氣體減排任務(wù)。2016年，我國政府在《巴黎協(xié)定》中承諾，到2030年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO₂排放比2005年下降60%～65%，明確指出要積極參與應(yīng)對(duì)全球氣候變化，落實(shí)減排承諾。這意味著繼續(xù)使用SF₆，未來將造成環(huán)境成本、社會(huì)成本的大幅提升。探索環(huán)境友好的SF₆替代氣體已成為電力行業(yè)重要的研究方向和迫切需要解決的熱點(diǎn)問題。

表1-1所示為一些常見絕緣氣體介質(zhì)的物理和環(huán)境參數(shù)。可以看到，絕緣性能優(yōu)于SF₆或者與SF₆相當(dāng)?shù)慕^緣氣體都存在GWP較高或者液化溫度過高的缺點(diǎn)，如N-C₄F₁₀、C-C₄F₈等。而對(duì)環(huán)境友好的氣體，如CO₂、N₂等，則由于電負(fù)性太弱或不具有電負(fù)性，導(dǎo)致氣體的絕緣強(qiáng)度過低而無法用于高壓電氣設(shè)備中。美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（NIST）曾在1997年出具研究報(bào)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(shè)備中作為絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)；2）壓縮空氣、低SF₆含量（<15%）的SF₆-N₂混合氣體在短期內(nèi)可作為氣體絕緣介質(zhì)，SF₆-He可用于斷路器中作為滅弧介質(zhì)；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(zhì)取代SF₆。

表1-1 常見絕緣氣體的物理和環(huán)境參數(shù)

（續(xù)）