SF6电气设备气体成分分析浅析

SF6电气设备气体成分分析浅析摘要：六氟化硫（SF6）作为一种常用的电力绝缘气体，具有优良的绝缘、灭弧特性。但其在设备运行期间可能分解产生具有毒性的其他气体，对于检修设备的工作人员来说十分危险。本文通过研究六氟化硫的理化特性，分析和比较六氟化硫分解气体成分和其分析方法，为安全使用该气体服务。关键词：六氟化硫理化特性气体成分分析中图分类号：S972.7+4文献标识码：A文章编号：1引言近年来，特高压、大容量电网的建设如雨后春笋一般发展。由于无法解决易燃的问题，原有使用绝缘油作为绝缘介质的变电站正在逐步进行无油化改造。以气体作为绝缘灭弧介质的电力电器快速发展起来。六氟化硫作为具有优良绝缘、灭弧特性的工业气体，其安全制备与使用受到广泛关注。六氟化硫是目前世界上性能最好的绝缘介质，纯净的六氟化硫没有毒性。但在使用中，不可能时时刻刻做到绝对的密封。如果六氟化硫中的杂质达到一定浓度，在生产和使用过程中都会产生具有毒性和腐蚀性的副产品。这些副产品不仅损害设备，严重时甚至会威胁到操作、检修人员的生命安全。做好检测、分析六氟化硫的使用状态，对于其安全使用，防止事故发生有着重要的作用。2六氟化硫的主要特性2.1理化特性六氟化硫，分子式为SF6，由一个硫原子与六个氟原子以共价键作用而成，六个氟原子包围着硫原子成正八面体。标态下的六氟化硫是一种无色无味气体，其密度接近理论值。当冷却到-63时变成无色的固体物质，加压时可熔化，其三相点参数为：t-50.8,p0.23MPa。六氟化硫是负电性气体。负电性是指分子（原子）吸收自由电子形成负离子的特性，这是六氟化硫能够在高压、复杂电器中使用的首要原因。2.2电气性能2.2.1绝缘性氟元素的负电性在卤族元素中居于首位，具有极大的电子截获界面。六氟化硫中含有六个氟原子，具有极强的负电性（即吸附电子的能力）。我们从分子结构即可知六氟化硫具有相当可观的绝缘特性。事实上，通过实验，人们了解到六氟化硫的击穿强度在同温同压下是空气的三倍。若是能保持三个大气压的水平，六氟化硫的绝缘性能就能与绝缘油（常压）相当。2.2.2灭弧性目前，高压开关广泛使用六氟化硫作为填充介质。主要原因就在于，六氟化硫具有优越的灭弧性能。六氟化硫强大的电子吸附能力使的高压开关中电极间的电子迅速吸附于其上，无法再次冲击，从起到熄灭电弧的作用。具体说来六氟化硫的灭弧性能主要由两点优越性：1六氟化硫断路器具有十分好的绝缘恢复性能。六氟化硫的电弧时间常数十分小。2六氟化硫的电弧分解物的灭弧绝缘性能与六氟化硫相仿，且六氟化硫具有相当出色的电弧作用下分解恢复能力。3六氟化硫气体成分分析3.1六氟化硫分解的原理六氟化硫具有稳定的化学性质，在常温常压下一般不发生任何反应。但在电器的使用中，难免会出现高压、过热、放电的极端情况。这可能造成六氟化硫气体的解离。在不同的极端情况下六氟化硫分解气体的成分不尽相同，主要的分解产物有二氧化硫（SO2）、氟化物（CF4、SF4等）、硫酰（SO2F2、SOF2等）HF、CO、CO2。故而通过分析六氟化硫分解气体的成分可以研究设备出现故障的可能性。六氟化硫的分解原理图如图1。图13.2六氟化硫分解的成分及因素分析根据电气设备的类型及器故障的不同，六氟化硫气体分解的产物也不一样。六氟化硫分解涉及复杂的物理化学过程,其分解过程的主要影响因素有:缺陷类型、放电能量、金属材料、绝缘材料、水分含量、氧气含量等。总的来说，杂质离子总量的是判断六氟化硫气体性能的一个重要指标。因为六氟化硫分解气体主要是通过六氟化硫分解产生的离子与设备中的部分物质反应得来的，缺陷类型对于主要分解产物的影响如下表所示：主要分解产物原因SO2、SOF2等电气设备故障，为主要产物HF、H2S电弧放电，产生的氟硫离子与水反应CO、CO2电弧放电或过热，灼伤绝缘部件CF4电弧放电，SF6与固体绝缘材料反应AlF3、CuF2放电，SF6与设备内触头反应电极的材料选用和固体绝缘材料也会影响到六氟化硫气体的分解产物（电极材料的影响如图2）：图2在电气设备运行中，除了故障和材料直接影响着六氟化硫气体的性能，还有一些其他因素会影响到六氟化硫气体的纯度和性能：湿度：如果电气设备进水或受潮，首先会直接影响到设备的绝缘性能。同时，绝缘气体中水含量超标也容易造成气体的水解产生酸和氟化物。密封：电气设备的密闭性能直接影响着其使用、操作、运行。如果设备的密闭性出现问题，一方面六氟化硫气体绝缘气体的纯度会降低，在放电中可能产生更多的硫酰类物质（如SOF2、SO2F2）。另一方面，六氟化硫气体及其有毒分解产物的泄露可能造成环境破坏，甚至是人身安全事故。3.3六氟化硫气体毒性分析前文已经介绍过，纯净的六氟化硫气体是无毒的。但是，六氟化硫气体工作环境中的某些极端情况（如电弧、电火花、高温）会造成其分解。这些分解物质会威胁到设备的安全运行：其一，分解物溶于水会形成腐蚀性电解质；其二，部分分解物具有高毒性，如四氟化硫（SF4）、氧化硫酰（SO2F2）、氟化亚硫酰（SOF2）、二氧化硫（SO2）等。图3为六氟化硫主要高毒分解物在工作场合中的允许含量。图33.4利用六氟化硫分解产物对设备情况进行分析判断设备故障等因素会导致六氟化硫气体分解，反过来我们也可以利用六氟化硫分解物的含量对设备的状态进行判断，下表给出了通过六氟化硫分解物含量对断路器检测周期的判断情况。分解物含量（L/L）检测周期SO2+SOF2H2S（HF）CO25135103510305103010300建议电气试验和停电检查4六氟化硫气体分析技术4.1化学分析技术六氟化硫气体的化学分析技术主要利用三个原理：1酸碱中和滴定2分解产物的水、碱解、3电化学测定。其中，酸碱中和滴定可以测定分解产物中的酸性气体；利用原理二可以测定气体中氟化物的各项指标；原理三只能测定分解物酸度和氟化物，但无法测定种类和浓度。4.2试管测量法利用装有NaOH的试管可以对分解物种的HF和SO2两种酸性物质进行检测（如图4）。同时加入碘粉，则可利用SO2与碘的变色反应测定其浓度。图44.3色谱法气象色谱法利用分解气体在两相中具有不同分配系数的特性，使分解气体各个成分在两相的相对运动中不断按照其自身的分配系数进行分离。再通过检测仪查看不同成分在色谱仪中表现出的不同“峰”来进行测定。这种方法可以用来测定四氟化硫（SF4）、氧化硫酰（SO2F2）、氟化压硫酰（SOF2）、二氧化硫（SO2）等成分，而且精度很高，是一种重要的检测方法4.4光声光谱法要介绍光声光谱法，首先要介绍光声效应：当物质受到周期性强度调制的光照射时，产生声信号的现象即为光声效应。也就是说，当六氟化硫气体分子吸收一定量的电磁辐射，就会产生光声效应。例如：用红外线照射气体，当气体分子吸收红外线后，其温度会相应升高，达到应激状态。随后分子又会以释放热能的形式退激，此时，气体分子会受释放出的热能影响产生体积变化，从而形成与红外线频率相似的压力波。由于不同气体组分形成的压力波强度不一，我们运用能够检测压力波的仪器就可以得到不同气体的组分了。4.5动态离子法这种方法利用不同离子在电场中到达极板的迁移时间不同的原理来对气体进行分析。但是这种方法由于需要将检测气体离子化，所以只能测量待测气体的纯度，并不能具体分析其中成分。而且，待检测气体离子化的程度也对结果有着直接影响。直接操作方法如下（图5为使用动态离子法的检测原理图）：1首先将待检测气体进行高压放电离子化；2将离子化后的产物输进带有法拉第极板的电场；3离子在电场中发生迁移，不同离子的迁移时间不同，到达极板的时间也不同；4检测离子迁移时间的波形图，与纯净的六氟化硫气体的相应波形图作对比就能得出待检测气体纯度的相关数据。图55总结六氟化硫气体是一种温室气体，在具有优越的绝缘、灭弧性能的同时，也具有多种高毒性的分解产物。尽管如此，只要慎重、正确的进行使用，六氟化硫是一种高性能的工业用气体，为电力工业发挥着不可磨灭的作用。反之，如果在使用过程中粗心大意、不按规程操作和检测，它也会对设备和人员甚至是自然环境产生极大的危害。同时，除了会带来严重安全隐患，六氟化硫气体本身也是昂贵，泄露也会造成极大的浪费。综合来看，在使用六氟化硫气体时，对它的检测和成分分析十分重要，严格的检测和分析技能帮助避免安全隐患，也能在设备出现故障时成为一种分析故障的方法。不论何时，这都应该成为各项使用六氟化硫气体做介质的设备的日常操作规范之一。参考文献1郑重,浅谈六氟化硫,农村电气化,1995年第04期.2朱芳菲,孟玉婵,六氟化硫气体分