六氟化硫气体在电气工程中的应用

1、电气功能材料论文六氟化硫气体在电气工程中的应用摘要：本文简要介绍了六氟化硫气体的基本特性， 并介绍了六氟化硫气体在电气 领域中的主要应用对象一一断路器、 变压器和组合电器，以及该应用对象的特点 与功能。与此同时，针对六氟化硫气体存在的危害，本文还简要介绍了六氟化硫 气体的未来发展状况和解决措施。关键词：六氟化硫，断路器，变压器，温室效应在当今的电力工程领域中，六氟化硫是一种应用广泛的电负性气体， 从它发 明至今，已有百年历史。它最初是由法国两位化学家Moissan和Lebeau于1900年合成的人造惰性气体，1940年前后，美国军方将其用于曼哈顿计划（核军事）， 1947年成为商用。当前六氟化

2、硫气体主要用于电力工业中。作为性能优良的绝 缘和灭弧气体，六氟化硫气体主要用于几种类型的电气设备：六氟化硫断路器、 六氟化硫负荷开关设备，六氟化硫绝缘输电管线，六氟化硫变压器及六氟化硫绝 缘变电站。其中80%用于高中压电力设备。一.六氟化硫气体基本简介六氟化硫气体化学性质稳定，微溶于水、醇及醚，可溶于氢氧化钾，不与氢 氧化钠、液氨、盐酸及水起化学的反应。300 r以下干燥环境中与铜、银、铁、铝不反应。500r以下对石英不起作用。250r时与金属钠反应，-64C时在液氨 中反应。与硫化氢混合加热则分解。200r时，在特定的金属如钢及硅钢存在下， 能促使其缓慢分解。六氟化硫耐电强度为同一压力下氮气

3、的 2.5倍，击穿电压是空气的2.5倍， 灭弧能力是空气的100倍，是一种优于空气和油之间的新一代超高压绝缘介质材 料。六氟化硫以其良好的绝缘性能和灭弧性能，在电力工业中应用广泛，如断路 器、高压变压器、气封闭组合电容器、高压传输线、互感器等。电子级高纯六氟 化硫是一中理想的电子蚀刻剂，被大量应用于微电子技术领域。采矿工业用作为反吸附剂，用于矿井煤尘中置换氧。高纯六氟化硫还因其化学惰性、无毒、不燃 及无腐蚀性，还被广泛应用于金属冶炼（如镁合金熔化炉保护气体）、航空航天、 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。随着当今科技的发展，六氟化硫涉及的领域不断扩

4、展，被越来越多的基础领 域和科技领域广泛应用。但是，六氟化硫具有一定危险性。六氟化硫纯品 ，毒性较低、性状稳定，但 人在吸入80%六氟化硫+20%的氧气的混合气体几分钟后，人体会出现四肢麻木， 轻度兴奋症状。六氟化硫气体充入高压开关柜内有一定的压力，因此，气体泄漏的概率较高，而空气中的氧气含量充足，这样使得六氟化硫泄漏后与氧气结合产 生毒性的条件充分。这是需要防护的情况之一。除此之外，一旦六氟化硫气体遇 到高热、高温，如电弧，会产生出副产物 一氧化硫和氟化氢气体，它们与未分解 的六氟化硫气体共存。此时就有三种毒气存在。二.六氟化硫断路器GCB ）简介六氟化硫断路器，简称 GCB，是利用六氟化硫

5、气体作为灭弧介质和绝缘介 质的一种断路器。六氟化硫用作断路器中灭弧介质始于20世纪50年代初，由于这种气体的优异特性，使这种断路器单断口在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。在 6070年代，六氟化硫断路器已广泛用于超高压大容量电力系统中。80年代初已研制成功363千伏单断口、550千伏双断口和额定开断电流达 80、100千安的 六氟化硫断路器。而如今，它更是广泛的用在电力领域中，成为了不可或缺的设 备之一。与传统断路器相比，六氟化硫断路器具有以下显著优点。1. 能够充分发挥气流的吹弧效果，灭弧室体积小、结构简单、开断电流大、 燃弧时

6、间短，开断电容或电感电流无重燃或无复燃，过电压低。2电气寿命长。在50kA满容量情况下可连续开断19次，累计开断电流可达 4200kA，且适于频繁操作。3绝缘水平高。六氟化硫气体在 0.3MPa气压时，通过了各种绝缘试验并有 较大裕度，累计开断电流 3000kA以后，在0.3MPa气压下每个断口还可耐受工 频电压250kV达1 min，将六氟化硫气体减至零表压仍可耐受工频电压166.4kV电压5分钟。4密封性能好。六氟化硫气体含水量低，灭弧室、电阻和支柱分成独立气隔， 现场安装时不用打开，安装好后用自动接头连通，且安装检修方便，并可防止脏 物和水分进入断路器内部。5自我保护和监视系统完备。断路

7、器中的信号缸可实现对断路器的自我保 护，密度继电器可以监视六氟化硫气体泄漏， 压力开关和安全阀可以监视液压机 构压力，保护液压系统安全。除此之外，液压机构还采用了可防止"失压慢分"的阀系统，本体上就可进行机构闭锁，保证运行安全。虽然六氟化硫断路器具有上述诸多优点， 但由于六氟化硫本身的缺陷，使得 由它制成的断路器也存在很多缺陷。六氟化硫气体在放电时的高温下会分解出有 腐蚀性的气体，对铝合金有严重的腐蚀作用，对酚醛树脂层压材料、瓷绝缘也有 损害。若把六氟化硫和氮气混合使用，当六氟化硫含量超过 20%30%时，其绝 缘强度已和全充六氟化硫时绝缘强度相同，而腐蚀性又大大减少，因此

8、六氟化硫常混合氮气使用，在六氟化硫断路器中，六氟化硫气体的含水量必须严格规定不 能超过标准。水会与电弧分解物中的四氟化硫产生氢氟酸而腐蚀材料。当水分含量达到饱和时，还会在绝缘件表面凝露，使绝缘强度显著降低，甚至引起沿面放 电。运行经验及上述论析都表明：六氟化硫断路器由于绝缘结构体积较小， 若六 氟化硫气体的含水量较高，则将使绝缘水平大大下降，接触电阻急剧增加，在运 行中易发生损坏或爆炸事故。因此，各制造厂及运行部门都要求有严格的密封工 艺，同时规定六氟化硫气体的含水量不得超过标准。中国的标准是六氟化硫气体的含水量应小于300ppm （容积比）。除此之外，六氟化硫气体在电弧作用下，小部分会被分解

9、，生成一些有毒的 低氟化物，对体健康有影响，对金属部件也有腐蚀和劣化作用。因此，在六氟化 硫断路器中，一般均装有吸附装置，吸附剂为活性氧化铝、活性碳和分子筛等。 吸附装置可完全吸附四氟化硫气体在电弧的高温下分解生成的毒质。三. 六氟化硫变压器（GIT）简介六氟化硫变压器，简称GIT，是一种具有良好发展前景的的变压器。目前， 变压器主要向两个方面发展：一是向特大型超高压方面发展，另一是向节能化、 小型化、低噪声、高阻抗、防爆型发展。前者一般都用在大型电站或电力输送上， 后者，主要以中小型产品为主。随着中国的城市化发展，大城市人口更加密集， 高层建筑林立，用电量急剧增加，变压器数量也在不断增加，传

10、统的大容量油浸 式变压器油量大，一旦因故障着火，将对高层建筑和人们的生命财产安全构成严 重的威胁。因此，人们对不燃变压器的研究和应用也日益重视。不燃变压器按其绝缘介质不同，可以分为硅变压器、环氧树脂浇注变压器、复敏绝缘液介质变压 器和六氟化硫气体绝缘变压器，其中 GIT以其独有的优势受到了人们的关注， 自20世纪60年代以来在日本、欧洲应用和开发较为广泛。目前中国也正在快速 发展。根据冷却介质不同，GIT可以分为气体绝缘、气体冷却和气体绝缘、液体冷 却两大类型。容量小于60MVA的GIT，其热损耗小，一般采用六氟化硫气体循 环冷却的散热方式，这种类型的 GIT与传统的油浸式变压器在结构上有不少

11、类 似之处，在设计中可以借鉴。而容量大于 60MVA的GIT，大多数采用液体冷却 和气体绝缘分离式结构，这类产品的结构和油浸式变压器有很大差异，通常为分层冷却、箔式绕组的GIT。与传统油浸式变压器的相比，GIT有以下优势。第一，具有良好的绝缘性能 和冷却效果。六氟化硫有着很好的电气特性，主要表现在其绝缘特性和电弧熄灭 特性上。由于六氟化硫的负电性（即吸附电子的能力），使其具有极好的介电绝缘 性能。在均匀电场中，六氟化硫绝缘强度约为空气的2.5倍；当气体压力为0.2MPa 时，六氟化硫气体的绝缘强度与绝缘油相当。 同时六氟化硫在熄灭电弧和瞬时放 电的温度范围内（15005000K）有着优异的热交

12、换特性。因此，GIT有着很好的 绝缘性能和冷却效果。第二，不易燃易爆。六氟化硫气体属于惰性气体，五色、 无味、无毒和不可燃，其分子结构非常稳定，室温条件下，它不会和与之接触的 物质发生化学变化，从而大大简化了灭火设施的配置；当GIT与GIS相结合时，整个变电站处于气体绝缘的环境中， 这样就增强了整个变电站的不易燃性。 在防 爆性方面，当变压器内部发生电弧现象时，内部升高的压力会被六氟化硫气体体 积的变化而抵消，因而 GIT不需要附加压力释放设备。第三，安装方便，布局 灵活。GIT在出厂时完整组装，六氟化硫气体也注入其中，在安装现场无需抽真空，且六氟化硫气体由气罐直接输入到变压罐中，基本上不需要

13、任何工具，因此装料时清洁、迅速。同时，由于六氟化硫气体的密度仅为绝缘油密度的1/60,且黏性较低，因此在冷却管中压力降很小，这样冷却器可以水平安装，也可以脱 离变压器垂直安装，从而使其布局相当灵活。第四，简洁、轻巧。GIT不需要油枕和压力释放设备这些附文无需隔离墙，同时六氟化硫气体密度比变压器油密 多，从而显得简洁、轻巧。除此之外，GIT还具有噪声低，易于维护检查，占地 面积少等优点，尤其当GIT与GIS配合使用时，这些优势更加明显。四. 六氟化硫全封闭组合电器（GIS）简介六氟化硫封闭式组合电器，国际上称为“气体绝缘开关设备”，简称GIS。它 将一座变电站中除变压器以外的一次设备，经优化设计

14、有机地组合成一个整体。 这些设备主要有：断路器、隔离开关、母线、电压互感器（PT）、电流互感器（CT）、 进、出线套管等。GIS设备的所有带电部分都被金属外壳所包围，它是用铝合 金、不锈钢、无磁铸钢的材料组成。外壳用铜母线接地，内部充有一定压力的六 氟化硫气体。接下来分别介绍各部件与其功能。断路器。断路器组件由三相共箱式断路器和操动机构组成。每相灭弧室有独 立的绝缘筒封闭。灭弧室为单压式，采用轴向同步双向吹弧式工作原理， 结构简 单，开断能力强。隔离开关和接地开关。接地开关可以配手动、电动或电动弹簧机构。手动和 电动机构主要用于检修用接地开关；电动弹簧机构用于具有开合电磁感应电流、 静电感应电

15、流能力和需要关合短路电流的接地开关。与此同时，接地开关可用做一次接引线端子，因此，在不需要放掉气体的条件下，用于检查电流互感器的变 化和测量电阻等。避雷器。避雷器为氧化锌型封闭式结构，采用六氟化硫绝缘，有垂直或水平 接口，主要由罐体盆式绝缘子安装底座及芯体等部分组成， 芯体是由氧化锌电阻 片作为主要元件，它具有良好的伏安特性和较大的通容量。气隔。GIS的每一个间隔，用不通气的盆式绝缘子（气隔绝缘子）划分为若 干个独立的六氟化硫气室，即气隔单元。各独立气室在电路上彼此相通，而在气 路上则相互隔离。与传统电器设备相比，GIS具有以下特点：1. 小型化。因采用绝缘性能卓越的六氟化硫气体做绝缘和灭弧介

16、质，所以能大幅度缩小变电站的体积，实现小型化。三相共箱紧凑型GIS，最小间隔宽度为0.8m,标准间隔占地仅有2.9m2。一般220kV GIS设备的占地面积为常规设备的 37%; 110kV GIS设备占地面积为常规设备的 46%左右。2. 可靠、安全。由于带电部分全部密封于惰性六氟化硫气体中，不与外部接 触，不受外部环境的影响，大大提高了可靠性。此外由于所有元件组合成为一个 整体，具有优良的抗地震性能。与此同时，因带电部分密封于接地的金属壳体内， 因而没有触电危险。六氟化硫气体为不燃烧气体，所以无火灾危险。又因带电部 分以金属壳体封闭，对电磁和静电实现屏蔽，噪音小，抗无线电干扰能力强。3.

17、适应环境能力强。GIT适用于环境条件恶劣，如严重污秽、冰雹、多风雪、 多水露、高海拔、多地震等地区。4. 安装与维护较简易。GIT由于实现小型化，所以安装周期短，可在工厂内 进行整机装配和试验合格后，以单元或间隔的形式运达现场，因此可缩短现场安 装工期，又能提高可靠性。与此同时，因其结构布局合理，灭弧系统先进，大大 提高了产品的使用寿命，因此检修周期长，维修工作量小，而且由于小型化，离 地面低，因此日常维护方便。五. 六氟化硫的未来与新绝缘气体的探索虽然在电力工业中，六氟化硫以其优越的性能，发挥了重要的作用。但任何 事都具有两面性，我们在利用其优点的同时，还应充分关注其缺陷。六氟化硫气 体最大

18、的危害在于温室效应。六氟化硫气体虽然不会破坏臭氧层，但对全球气候 变暖有特别大的影响。随着六氟化硫气体使用量、排放量的增加，大气中的六氟 化硫气体浓度也在逐年增加，其浓度大小随地点、季节而变化。为此，减少六氟 化硫气体排放量以改善我们的生存环境，已成为一个巨大的课题。替代六氟化硫气体的研究，从20世纪70年代到80年代，美国的EPRI （电 力研究所）积极开展了这方面的工作，虽然这期间有采用诸多专家绝缘的提议， 但最终还是否定了在绝缘特性方面和灭弧性能方面有比气体更加优越的气体存 在的观点。关于绝缘特性方面，在相同的气压下，放电电压比六氟化硫气体高的 气体有几种，但从液化温度和有无毒性、稳定性等方面综合来看，却没有比六氟 化硫更加优越的气体。考虑到全球性的环境影响这一新的特性，最近再一次开始 了探索替代六氟化硫的新气体的研究工作。 考虑到对臭氧层的破坏，所以在研究 时附加上不包含Cl元素或Br元素的气体这一新的控制条件，探索工作正在进行 之中。迄今为止，似乎还没有找到可以替代六氟化硫的气体。在有关文献中，对 元素的各种可能组合进行一一处理，结果表明，能够完全对环境不造成不利影响 而又能够使用的气体只有空气和氮气。现在盛行研究的混合气体几乎都是六氟化硫和氮气的组合