SF6氣體具有高電氣強(qiáng)度的原因是什么？

一、SF₆氣體的物理化學(xué)特性

SF₆氣體是理想的絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)，被廣泛用于大容量高壓斷路器、高壓充氣電纜、高壓電容器、高壓充氣套管及全封閉組合電器中。

純凈的SF₆氣體是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)海、不燃的惰性氣體，化學(xué)性能非常穩(wěn)定，對(duì)金屬和絕緣材料無(wú)腐蝕作用。

SF₆的分子量為146，密度很高，屬重氣體。如果SF₆氣體從設(shè)備中泄漏出來，在通風(fēng)不良的密團(tuán)空間或溝道中會(huì)使工作人員因缺氧而室息，因此在檢修充有SF₆氣體的電氣設(shè)備時(shí)，應(yīng)注意采取防護(hù)措施。

SF₆氣體的液化溫度較低，基本可以滿足工程應(yīng)用條件。如SF₆高壓斷路器的氣壓在0.7MPa左右，GIS(SF₆絕緣的全封閉組合電器)中氣體的壓力一般不大于0.45Mpa。而SF₆氣體20℃時(shí)的充氣壓力為0.75MPa，對(duì)應(yīng)的液化溫度為-25℃；若20℃充氣壓力為0.45MPa，對(duì)應(yīng)的液化溫度為-40℃，所以不存在液化問題。只有在高寒地區(qū)使用SF₆時(shí)需采取加熱措施或采用SF₆與N₂的混合氣體以降低液化溫。

SF₆的穩(wěn)定性很高。在500K溫度的持續(xù)作用下不會(huì)分解，也不會(huì)與其他材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但其在電弧或局部放電的高溫作用下會(huì)離解為硫原子和氟原子，電弦消失后硫原子和氟原子可重新結(jié)合為SF₆分子，但其中一小部分會(huì)和氧氣作用，生成低氟化物。在高溫下，會(huì)與電極金屬的蒸氣發(fā)生反應(yīng)，生成金屬氟化物。

純凈的SF₆氣體是無(wú)毒的，但其分解物是有毒的。當(dāng) SF₆氣體中含有雜質(zhì)時(shí)，某些雜質(zhì)本身就是有毒的，此外其中一些雜質(zhì)在水分和電弧的作用下也可能會(huì)分解出有毒的或有腐蝕性的物質(zhì)。因此在試驗(yàn)、檢修充有SF₆氣體的電氣設(shè)備時(shí)應(yīng)十分重視這些問題，要嚴(yán)格控制SF₆氣體中的雜質(zhì)氣體。

當(dāng)氣體中含有水分時(shí)，低氟化物會(huì)發(fā)生水解作用生成腐蝕性很強(qiáng)的氫氟酸，此外低溫時(shí)水分會(huì)在固體介質(zhì)表面凝露使沿面閃絡(luò)電壓明顯降低。由此可見，水分的危害性很大，應(yīng)嚴(yán)格控制SF₆氣體中所含的水分。如測(cè)定新氣的含水量、避免在高濕度氣候條件下進(jìn)行裝配工作、部件在安裝前應(yīng)經(jīng)過干燥處理、設(shè)備應(yīng)保證良好的密封。對(duì)氣體絕緣設(shè)備在設(shè)備安裝及運(yùn)行中應(yīng)對(duì)含水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

由于SF₆氣體中的雜質(zhì)和水分對(duì)其性能有很大的影響，通常采用在充SF₆氣體的電氣設(shè)備中放置吸附劑的方法來吸附SFa的分解物和吸收水分。

二、SF₆氣體的電氣特性

SF₆是含鹵族元素的氣體，由于鹵族元素電負(fù)性很強(qiáng)，氣體分子容易與自由電子結(jié)合形成負(fù)離子；此外SF₆氣體的分子量和分了直徑都較大，使得電子在SF₆氣體中的平均白由行程縮短，不易積聚能，從而削弱了氣體中的碰撞游離過程。所以SF₆是一種高電氣強(qiáng)度氣體介質(zhì)，在均勻電場(chǎng)中SF₆的電氣強(qiáng)度為同氣體壓力下空氣的2.5倍。

與均勻電場(chǎng)中的擊穿中壓相比，SF₆在極不均勻電場(chǎng)中擊穿電壓下降的程度比空氣大得多，此外在局部放電的高溫作用下SF₆易分解。所以SF₆氣體絕緣只適用于均勻和稍不均勻電場(chǎng)。在稍不均勻電場(chǎng)作用下擊穿電壓有極性效應(yīng)：負(fù)極性擊穿電壓比正極性擊穿電壓低，所以SF₆氣體絕緣結(jié)構(gòu)的絕緣水平由負(fù)極性電壓決定。

在極不均勻電場(chǎng)中，SF₆氣體間隙的擊穿電壓與氣壓的關(guān)系在一定的氣壓區(qū)域內(nèi)存在異常現(xiàn)象：①工頻擊穿電壓隨電壓的變化曲線存在“駝峰"；② 駝峰區(qū)段內(nèi)的雷電沖擊擊穿電壓明顯低于靜態(tài)擊穿電壓，沖擊系數(shù)約為0.6，如圖TYBZ01402011-1所示。因駝峰常出現(xiàn)在0.1~0.2MPa的氣壓下，即在工作氣壓范內(nèi)，因此，在進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免極不均勻電場(chǎng)的情況。

三、SF₆氣體與其他氣體混合時(shí)的特性

SF₆作為氣體絕緣材料的缺點(diǎn)是：價(jià)格較高、液化溫度不夠低、對(duì)電場(chǎng)的不均勻度太敏感。

SF₆氣體本身具有很高的電氣強(qiáng)度，在其他氣體中加入少量SF₆氣體時(shí)可以提高這些氣體的電氣強(qiáng)度。SF₆混合氣體的這一特點(diǎn)在工程上得到應(yīng)用。

由于SF₆氣體在一定條件下能與氧氣、水分等發(fā)生反應(yīng)，生成有害化合物，所以SF₆氣體應(yīng)與惰性氣體混合。在工程實(shí)際中，對(duì)需氣量較大情況常采用SF₆與價(jià)廉的惰性氣體N₂的混合氣體。實(shí)驗(yàn)表明，在N₂中加入少量的SF₆就可以使其電氣強(qiáng)度大大提高，并可使成木大幅度降低。當(dāng)SF₆的含量?jī)H為20%時(shí)，混合氣體的電氣強(qiáng)度可達(dá)純SF₆氣體電氣強(qiáng)度的0.72。此外，SF₆- N₂混合氣體的絕緣能力對(duì)電場(chǎng)不均勻度的敏感性降低。

因?yàn)?/span>N₂的液化溫度比SF₆低，所以，SF₆- N₂混合氣體的液化溫度隨N₂含量的增加而降低。

四、SF₆氣體的微水標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 8905—1996《六氯化硫電氣設(shè)備中氣體管理和檢測(cè)導(dǎo)則》中給出了SF₆新氣的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：水分含量按質(zhì)量比不應(yīng)大于8×10^-6。在電氣設(shè)備充氣前必須確認(rèn)六氟化硫氣體質(zhì)量合格。

表TYB701402011-1是DL/T596-1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)設(shè)備中SF₆氣體的含水量容許值的規(guī)定。

表TYB701402011-1 設(shè)備中SF₆氣體的水分容許含量（20℃體積分?jǐn)?shù)）