第一章 SF₆气体的性能及应用

第一节 SF₆气体的特性

SF₆气体是目前电器工业普遍应用的优良灭弧和绝缘介质，它在通常状态下是一种无色、无味、无毒、不燃、化学性能稳定的气态物质。

一、SF₆气体的基本特性

SF₆是由卤素中最活泼的氟原子（F）和硫（S）原子化合而成。其分子结构为正八面体（见图1-1）。硫原子居中，氟原子则处于六个顶角的位置上。硫原子与氟原子之间以共价键联结，键距为1.58A（1A＝10^－10m）。SF₆分子的等值直径为4.58A，比水蒸气的分子等值直径3.2A要大些。

SF₆分子量较大，是氮（N₂）的5.2倍，所以它的密度约为空气的5.1倍。同样体积和压力的SF₆就比空气重得多。

SF₆于1900年首次由法国人Moisson和Iebeau合成并分离鉴定出来，20世纪30年代以后，作为优良的绝缘介质而得到日益广泛的应用，其生产也陆续走向工业化。

迄今为止，在工业上普遍采用的SF₆制备方法是单质硫磺与过量气态氟直接化合，即S＋3F₂→SF₆＋Q（放热反应）。合成的粗品中含有多种杂质，其组成和含量可因原材料纯度、生产设备材质、工艺条件等因素而有很大差异，杂质总含量可达5%。其组成有硫氟化合物如S₂F₂、SF₂、SF₄、S₂F₁₀等；硫氟氧化物如SOF₂、SO₂F₂、SOF₄、S₂F₁₀O等以及原料中带入的杂质如HF、OF₂、CF₄、N₂、O₂等。为了净化粗品中的杂质，合成气体需要经过水洗、碱洗、热解（主要去除剧毒的十氟化物）、吸附等一系列净化处理过程，才能得到纯度在99.8%以上的产品。该产品再用气体压缩机加压充入降温至－80℃左右的钢瓶内。在钢瓶中SF₆通常以液态存在，使用时将其减压放出，呈气态充入设备内部。

除上面列举的在合成过程中可能产生的若干杂质成分外，在气体输送和充装过程中还有可能混入少量的空气、水分和矿物油等物质。

为了保证SF₆产品的纯度和质量，国际电工委员会（IEC）和许多国家或生产厂家，都规定了SF₆产品的质量标准，用户可据此进行复检和验收。表1-1列举了若干SF₆产品的质量标准，供读者参考。

除了上述的单质直接合成的方法外，尚有氧化硫碳法、直接电解法、氟化钴法等多种合成SF₆的方法。

SF₆的基本特性参数见表1-2，为比较起见也列入了N₂的有关参数。

SF₆的临界压力，临界温度都很高（38.5大气压，45.6℃）。临界温度表示气体可以被液化的最高温度，临界压力表示在这个温度下出现液化所需的气体压力。气体临界温度越低越好，表明它不容易被液化，例如氮气只有在低于－146.8℃以下才可能液化，在工程使用环境条件下就不必考虑它的液化问题，而SF₆则不然，只有在温度高于45℃以上才能恒定地保持气态，所以在通常使用条件下它是有液化可能的。因此，SF₆气体不能在过低温度和过高压力下使用。

SF₆在水中的溶解度很低，只有5.5×10^－3mL/mL，和氦气、氩气、氮气等惰性气体相当，但SF₆在某些有机溶剂中的溶解度还是比较高的，见表1-3。

SF₆在常温甚至较高的温度下一般不会发生自分解反应，它的热分解温度在500℃左右，热分解时形成的成分十分复杂，且因温度不同而异，这将在以后的电弧分解部分介绍。

SF₆气体的热传导性能较差，导热系数只有空气的2/3。但是对气体介质，它的传热效应往往不是单纯的传导作用，分子的扩散运动携带的热量可能产生更显著影响，影响的程度取决于气体允许流动的空间尺寸。例如气体与热固体表面接触，紧靠表面的局部气体温度升高而膨胀向外扩散（流动），把热量传递出去，这种传热过程称为自然对流传热。对流传热的能力与分子比热有关，即气体分子升高温度时吸收了热量，随着分子扩散运动而传递到别处。SF₆分子的定压比热是氮气的3.4倍，因此其对流散热能力比空气大得多。热物体在空气和SF₆中的表面散热效果以单位表面积在单位温差下的散热系数来表示，见表1-4。可见，实际散热能力比空气为好，SF₆断路器的发热与温升问题不会比空气断路器严重。

SF₆是负电性气体，负电性就是分子（原子）吸收自由电子形成负离子的特性。SF₆分子具有较强的负电性，捕捉自由电子形成负离子后再与正离子结合造成空间带电粒子的迅速减少。这个特性在阻碍放电的形成（提高击穿电压）和使电弧间隙介质迅速恢复的过程中具有重要的意义，SF₆气体的这一特性是它成为优良的绝缘与灭弧介质的重要原因之一。SF₆的负电性主要是由氟（F）元素带来的，F在周期表上是Ⅶ族元素，最外层为七个电子，很容易吸收一个电子形成稳定的八个电子数。这是所有Ⅶ族元素（卤族元素）的共性，F居其首。其它元素如Ⅵ族的氧、硫也能吸收电子，但可能性不如Ⅶ族元素。负电性的大小以与电子结合时释放出来的能量（电子亲合能）大小为标志，结合时释放能量越多，表示结合的结果越稳定。

二、SF₆气体的状态参数

气体在不流动时，可以用三个参数来代表它所处的状态，即三个状态参数：压力（P）、密度（γ）及温度（T）。因气体的大量分子是处在无规则的热运动之中，气体的状态参数是大量分子运行状态的平均参数。

（1）气体的压力P，在工程上习惯用kgf/cm²做单位，即工程大气压，国际单位制（SI），常以帕（Pa）即牛顿/米²，巴（bar）表示，英制国家还使用磅/英寸（psi），这些单位的换算关系列于表1-5。

气体压力还有绝对压力与表压力两种表示方法，表压力＝绝对压力—大气压力。表压力是在大气环境中用表计测量的读数压力，其零点就是大气压力。工程实用中多以表压计数，而在作气体参数计算时必须用绝对压力，其差值为1个大气压，约为1kgf/cm²。

（2）气体的密度（γ）指单位体积的气体质量，在国际单位中为kgf/m³。

（3）温度的单位与日常用摄氏（℃）略为不同的是，在计算中应用绝对温度（K），其关系为：

理想气体的状态参数之间存在简单的关系，即理想气体状态方程式：

R称为气体常数。对理想气体它是一个恒定的常数。根据状态方程式可以推断气体状态变化时各参数之间的关系，例如气体作等温压缩（或膨胀）时，压力与密度成正比，即图1-2所示直线变化。

在工程应用范围内，空气完全可以当作理想气体看待，它在数百大气压以下，温度在摄氏零下一百多度以上，即通常工程使用所涉及的范围，与理想气体的特性差异很小，按理想气体分析计算不会有显著误差。

SF₆气体则不然，SF₆气体分子质量大，分子间相互作用显著，这种强的相互作用使它表现得与理想气体的特性相偏离。图1-2给出在温度不变（20℃）条件下SF₆气体压力随着体积压缩而变化的情况。当压力高于（3～5）kgf/cm²时，由于SF₆分子之间的引力的压力特性之间的偏离也愈来愈大。基于理想气体定律推导出来的各种关系式用来计算SF₆参数会产生较大的误差。要较为准确地计算SF₆气体的状态参数常采用经验公式，下面的Battie-Bridgman公式是比较实用的：

式中单位P为kgf/cm²，γ为kg/m³，T为K。

在工程实用中用这个公式计算太麻烦，所以把它们的关系绘成一组状态参数曲线簇，如图1-3所示。图中还绘出了气态转变为液态（液化）和固态（凝固）的临界线，即曲线AFB，也称饱和蒸汽压力曲线，它代表在给定温度下气相与液相，气相与固相处于平衡状态时的压力（饱和压力）值，曲线之右侧是气态区域，AFF′为液态区域，F′FB为固态区域。F点为SF₆的熔点，其参数为T_F＝－50.8℃，P_F＝2.36kgf/cm²，在这一点是气、液、固三相共存的状态。B点为SF₆的沸点，T_B＝－63.8℃，饱和蒸汽压力等于1个大气压。气态区域的斜直线簇就是式（1-3）所表示的P—γ—丁的关系。

应用这个图可以较方便地计算SF₆的状态参数以及求取液化或固化的温度。

例：某SF₆断路器充气体积为0.5m³，在20℃时工作压力为3kgf/cm²（表压力），求气体的重量和出现液化时的温度。

由给定的20℃时压力值可以确定工作点S（见图1-3，纵坐标应为绝对压力，故P＝4kgf/cm²），这一点所代表的密度，在图中两直线之间，估计值为25kg/m³，因此断路器总的气体重量为：0.5×25＝12.5kg。

求液化温度。当环境（气体）温度改变时，气体压力将沿γ不变的斜直线变化（因为断路器里的气体重量及体积都不改变）。经过20℃时的工作点S，作一条与相邻两直线等比例的直线TSR、与临界线AFB相交于R点，这一点就代表温度下降而出现凝结的状态参数，因交点R处于F点之上，故凝结成液体，是为液化点，这一点对应的坐标是－43℃，3kgf/cm²，即该断路器在－43℃时开始液化，这时的压力是3kgf/cm²，即2个表压力。从R点开始，若温度继续下降，则数沿着RFB变化，气体不断地凝成液体，气体的密度不再保持常数而是不断减少，而且气体的压力下降得更快。温度降到液化点（液化温度）并不表示全部气体立刻都被凝成液体，只是凝结的开始，但温度继续降低，气体压力密度下降很快，气体的灭弧绝缘性能都迅速下降，所以断路器不允许工作温度低于液化点。

从这个例子可以看出，液化温度与断路器的工作压力有关，工作压力越高液化温度也越高。若按液化温度不高于－20℃考虑，相应于20℃时的工作压力应不高于8kgf/cm²（如表压），一般单压式SF₆断路器的工作压力大致是这样选择的。

若考虑温度升高时工作压力升高，同理沿γ＝常数的直线向右侧寻找相应的工作点，上例中，若环境温度升高到40℃，其工作点T对应的压力值是4.3kgf/cm²。

有时，断路器工作压力很低，温度下降时可能不出现液化而直接凝成固体，例如在20℃时工作压力小于2.8kgf/cm²（表压力1.8kgf/cm²），其P－T直线与临界线的交点在点F之下。