第一章 引言
第一节 SF6气体
一、SF6气体的基本性质
1.稳定的理化特性
纯净的六氟化硫（SF6）是一种无色、无味、无毒、不可燃的气体。常温下惰性极强，化学性质稳定，一般不与其他材料发生化学反应。在20℃、标准大气压下，SF6气体的密度为6.14g/L，约为空气密度1.29g/L的5倍，因此在空气中SF6气体易下沉使浓度升高且不易扩散。SF6气体的临界温度为45.6℃，临界压力为38.5kg/cm2，即SF6气体被液化的最高温度和最小压力，表明其不能在过低温度和过高压力下使用。SF6气体的热传导性能较差，导热系数约为空气的2/3，但其分子的定压比热为N2的3.4倍，因此对流散热能力比空气更强。
2.优异的电气性能
SF6气体分子的电子碰撞附着截面较大，使之具有很强的电子吸附能力，从而表现出优异的绝缘性能。此外，SF6分子直径比空气中氧气分子、氮气分子的大，使得电子在气体中的平均自由行程缩短而不易在电场中积累能量，减少了碰撞电离的能力。同时，SF6气体分子量是空气的5倍，离子的运动速度比空气中氧、氮离子的运动速度慢，正、负离子更容易发生复合，使得SF6气体中带电质点减少，阻碍了气体放电的形成和发展。基于以上特点，SF6气体在均匀电场下的绝缘强度约为空气的3倍。
SF6气体对电场均匀程度的敏感性要远高于空气等介质。具体来说，与均匀电场中的击穿电压相比，SF6在极不均匀电场中击穿电压下降的程度比空气要大得多。换言之，SF6优异的绝缘性能只有在电场比较均匀的场合才能得到充分的发挥。因此，在设计以SF6气体作为绝缘介质的各种电气设备时，应尽可能使气隙中的电场均匀化，使SF6优异的绝缘性能得到充分的利用。
SF6气体具有强的电负性和较高的热传导效率，因此在交流电弧下具有强烈的电弧冷却能力。SF6分子量大，在交流电弧过零时，电子运动速度较慢，不能获得使电子再次碰撞的速度，因此电弧较容易熄灭。SF6分解后的复合能力很强，灭弧性能可达到空气的100倍。因此，SF6气体在电气设备中应用非常广泛，是迄今为止发现的灭弧性能最好的气体介质。现代SF6高压断路器的气压为0.7MPa左右，应用于气体绝缘金属全封闭开关设备时，充气压力一般低于0.45MPa。20℃时，若充气压力为0.75MPa（相当于断路器中常用的工作气压），液化温度为-25℃；当充气压力为0.45MPa时，液化温度为-40℃。在高寒地区应用时，需考虑SF6气体的液化问题，对电气设备采取加热措施，或采用SF6混合气体降低液化温度。
二、SF6气体的应用情况
SF6以其良好的绝缘性能和灭弧性能，被广泛地应用于电气工业，如断路器、高压开关、高压变压器、全封闭组合电器、气体绝缘输电线路、互感器等；因其化学惰性、无毒、不燃及无腐蚀性，被广泛地应用于航空航天领域和金属冶炼、医疗、气象、化工等行业；还可应用于半导体制造中的蚀刻、化学气相淀积、标准气、检漏气体和色谱仪的载气。
1.电力行业
目前，SF6气体主要用于电力行业，SF6在电力工业中主要用于气体断路器、气体绝缘金属全封闭组合电器、气体绝缘输电线路、气体绝缘变压器、SF6负荷开关、高压直流输电直流场开关等设备中。
气体断路器（Gas Circuit Breaker，GCB）是一种利用气体作为灭弧介质和绝缘介质的断路器，用于敞开式变电站，已覆盖40.5～1100kV电压等级。绝大多数气体断路器介质为SF6，这种断路器在单断口电压和电流参数方面大大高于压缩空气断路器和少油断路器，并且不需要高的气压和相当多的串联断口数。常规SF6断路器分为瓷柱式和罐式两种，外壳分别为陶瓷和金属材料。此外，SF6发电机断路器的额定电流和额定短路开断电流大，是一种形态特殊的断路器，主要用于发电机出口保护，使用量远少于常规SF6断路器。
气体绝缘金属全封闭组合电器（Gas Insulated Switchgear，GIS）是20世纪60年代中期出现的一种组合电器装置，它将断路器、隔离开关、接地开关、避雷器、互感器、套管或电缆终端等组合在一起，126～1100kV GIS一般采用SF6气体作为灭弧介质和绝缘介质。它的问世，对传统的敞开式高压配电装置来说是一次革命。近60年来，GIS的发展非常迅速，其优点得到国内外电力部门的公认。与传统的敞开式高压配电装置相比，GIS具有下列优点：
1）占地面积和空间占有体积大为减小。GIS特别适用于位于深山峡谷的水电站的升压变电站，以及城区高压电网的变电站。在上述情况下，虽然GIS的设备造价较敞开式更高，但如计及土建和土地的费用，则GIS有更好的综合经济指标。
2）安全可靠。GIS的带电部分全部封闭在接地的金属外壳内，可以完全防止人员意外接触带电体。此外，封闭的金属外壳也使设备的运行免受污秽、雨、雾等不利环境条件的影响，因而GIS的工作可靠性较高。
3）有利于环境保护。采用GIS可使运行人员不受电磁场对人体的影响，因此变电站的设计比采用敞开式配电装置简单。
4）安装工作量小、检修周期长。一般来说，GIS设备的故障率只有常规设备的20%～40%。12～40.5kV GIS常做成柜式，即气体绝缘型开关柜（C-GIS）。采用干燥空气、N2、SF6等作为绝缘介质，灭弧介质一般不采用SF6，C-GIS具有柜式外壳，因此其结构与设计和高压GIS有很大的不同。C-GIS是20世纪70年代末出现的，由于它具有很多优点，所以发展很快。
气体绝缘输电线路（Gas Insulated Transmisson Line，GIL）是一种气体绝缘型输电管道，由金属外壳封闭内部导体，电压等级覆盖80～1200kV，绝大多数以SF6作为绝缘介质，近年也有少量的SF6-N2绝缘GIL投入运行。与充油电缆相比，GIL有以下优点：
1）电容量小。SF6气体的介电常数比油要低。此外，GIL的外壳直径与导体直径的比值也大于充油电缆。因此，GIL的电容量通常只有充油电缆的1/4左右。由于GIL充电电流小，所以其临界传输距离比常规电缆远。
2）损耗小。GIL的绝缘介质主要是气体，通常支撑绝缘子的间隔距离不小于6m，因此其介质损耗可忽略不计。常规充油电缆常因介损值较大而限制了其在特高压下的使用。GIL即使在特高压下技术难度也低于充油电缆。
3）传输容量大。常规电缆因制造工艺等原因，缆芯截面积一般不超过2000mm2，而GIL却无此限制。此外，由于SF6气体的导热性能比油纸介质好，且GIL的介损可忽略，其导电芯的允许温度也可取得较高（耐热型环氧树脂支撑的允许工作温度可达105℃），所以GIL的传输容量比常规电缆大，且电压等级越高，这一优点越明显。
4）适用于高落差场合。由于SF6气体密度远低于绝缘油，因此GIL便于垂直铺设。这使得GIL尤其适合用于落差较大的水电站或抽水蓄能电站中。
气体绝缘变压器（Gas Insulated Transformer，GIT）以SF6作为绝缘介质，具有不燃、不爆的优点，因此非常适合于城市人口稠密地区和高层建筑的供电。20世纪50年代末，美国首先制成SF6气体绝缘的电力变压器，并采用氟利昂冷却技术（变压器箱内封闭冷却管道系统和蒸发冷却两种方式）。我国在GIT方面的研究起步较晚，目前使用相对较少。与传统的油浸式变压器相比，GIT有下列优点：
1）不易燃、易爆。GIT是防火防爆型变压器，因此在变电站设计时不需防火墙和泄油坑。有资料表明，这可节约相当于变压器初次投资的8%。由于GIT可安装在发电厂厂房内，因而可减少发电机至变压器引线的投资和电力损耗。
2）噪声小。气体密度比液体密度小，传递振动的能力弱于液体，所以GIT的噪声小于油浸式变压器。10MVA的GIT的噪声比同容量的油浸式变压器小8dB。
3）重量轻。SF6气体在20℃和0.2MPa时的质量约为变压器油的1/70左右，所以GIT的质量可比油浸式变压器减轻20%～30%。
4）安装方便。GIT在出厂时完整组装，SF6气体也注入其中，在安装现场无须抽真空，且SF6气体由气罐直接输入到变压罐中。GIT与GIS的连接非常方便，使用GIT可使整个变电站全气体绝缘化。
5）气体不会老化，且GIT为全密封式，因而运行维护工作大大简化。
6）占地面积少。GIT本身的结构简洁、轻巧，高度降低，相应的地下变电所的棚顶也降低，且无须隔离墙，安装占地面积少，整个空间得到了充分利用，大大降低了变电所的建设成本。尤其当GIT与GIS配合使用时，这些优势更加明显。
SF6负荷开关是带有简单灭弧装置的一种开关电器，使用SF6气体作为绝缘和灭弧介质，用于10～35kV配电网中。它不能开断短路电流，可以作为关合和开断负荷电流及过负荷电流用，亦可以关合和开断空载线路、空载变压器及电容器组等。SF6负荷开关不仅具有电寿命长、开断能力强等与真空负荷开关相同的优点，还容易实现三工位，小电流开断，抗严酷环境条件能力强，适宜在城乡中压配电网中应用。
2.电子领域
电子级高纯SF6是一种理想的电子蚀刻剂，广泛应用于微电子技术领域，用作计算机芯片、液晶屏等大型集成电路制造中的等离子刻蚀及清洗剂。在微电子业中，可用SF6蚀刻硅表面并去除半导体材料上的有机或无机膜状物。在光纤制备中，用作生产掺氟玻璃的氟源，在制造低损耗优质单模光纤中用作隔离层的掺杂剂，还可用作氮准分子激光器的掺加气体。
3.其他领域
高纯SF6因其化学惰性、无毒、不燃及无腐蚀性，还被广泛应用于航空航天领域、金属冶炼（如镁合金熔化炉保护气体）、医疗（X光机、激光机）、气象（示踪分析）、化工（高级汽车轮胎、新型灭火器）等行业。在采矿工业中用作反吸附剂，用于矿井煤尘中置换氧。随着当今科技的发展，SF6涉及领域不断扩展，被越来越多的基础领域和科技领域广泛应用。
三、SF6气体应用中存在的问题
纯净的SF6气体虽然无毒，但在工作场所要防止SF6气体浓度上升到缺氧的水平。如发生SF6气体泄漏，将会沉积于地势较低处。一旦浓度过大会出现使人窒息的危险，因此在使用SF6设备的地方均应设计户内通风装置。SF6在电弧作用下会分解出SF4、S2F2、SF2、SOF2、SO2F2、SOF4和HF等具有强烈腐蚀性和毒性的物质，因此在使用和接触SF6过程中，应采取必要的防护措施。
此外，SF6是人类目前已知最强的温室气体，其以100年为基准的全球变暖潜能值（GWP）约为CO2的23500倍，并且由于SF6的化学性质极为稳定，在大气中的存在时间可长达3200年之久，一旦泄漏基本不会自然分解，对全球气候变暖的影响具有累积效应。由于温室效应引起的全球气候变暖会给人类的生存环境带来严重的威胁，并可能引起灾难性的后果，因此温室效应已成为国际关注的三大环境问题之一。近年来，国际社会开展了广泛的全球性合作和努力，以期控制大气中的温室气体含量，共同维持经济的可持续发展。在1997年日本京都召开的《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC）第3次缔约方会议上，84个国家相继签署了《京都议定书》（Kyoto Protocol）以共同应对全球气候变暖。在该议定书中，明确将CO2、甲烷（CF4）、氧化亚氮（N2O）、全氟化碳（PFC）、氢氟碳化物（HFC）和SF6列为限制排放的六种温室气体。我国作为《京都议定书》的主要缔约国之一，正在积极地推进和执行温室气体减排任务。2016年，我国政府在《巴黎协定》中承诺，到2030年单位国内生产总值CO2排放比2005年下降60%～65%，明确指出要积极参与应对全球气候变化，落实减排承诺。这意味着继续使用SF6，未来将造成环境成本、社会成本的大幅提升。探索环境友好的SF6替代气体已成为电力行业重要的研究方向和迫切需要解决的热点问题。
表1-1所示为一些常见绝缘气体介质的物理和环境参数。可以看到，绝缘性能优于SF6或者与SF6相当的绝缘气体都存在GWP较高或者液化温度过高的缺点，如N-C4F10、C-C4F8等。而对环境友好的气体，如CO2、N2等，则由于电负性太弱或不具有电负性，导致气体的绝缘强度过低而无法用于高压电气设备中。美国国家标准局（NIST）曾在1997年出具研究报告，提出了一些可能用于取代SF6的潜在气体，其中包括：1）40%SF6-60%N2和50%SF6-50%N2混合气体可普遍适用于电气设备中作为绝缘介质和灭弧介质；2）压缩空气、低SF6含量（<15%）的SF6-N2混合气体在短期内可作为气体绝缘介质，SF6-He可用于断路器中作为灭弧介质；3）CO2、SO2、N2O、N2-SO2、SF6-CO2、C-C4F8-N2、C-C4F8-SO2混合气体等有望在中长期作为绝缘介质取代SF6。
表1-1 常见绝缘气体的物理和环境参数
（续）
