SF6混合氣體在開關(guān)設(shè)備中的應(yīng)用

李松琴

（河南平高電氣股份有限公司工藝部，河南 平頂山 467001)

六氟化硫（SF6）氣體是一種無色、無嗅、無毒、不可燃的惰性氣體。SF6氣體具有很高的電負(fù)性，其電負(fù)性比空氣高出幾十倍，從而導(dǎo)致SF6氣體的絕緣強度高于空氣，在均勻電場中，SF6氣體的擊穿電場強度是空氣的3倍，在0.25MPa下與絕緣油的擊穿電壓相等。SF6氣體具有優(yōu)越的絕緣性能，同時，SF6氣體還具有優(yōu)良的滅弧性能：SF6氣體的電負(fù)性使得在電流過零后，弧隙溫度降低時的正負(fù)離子的復(fù)合過程加快，從而可加快弧隙絕緣強度的恢復(fù)速度；SF6氣體中，電弧具有高溫的弧芯和低溫的弧焰，電弧電壓梯度小，電弧功率低，非常有利于電弧的熄滅。

正是由于 SF6氣體具有優(yōu)良的滅弧和絕緣性能，所以被廣泛應(yīng)用于輸配電設(shè)備領(lǐng)域，如變壓器、組合電器、斷路器、輸電管道、電纜等。目前，SF6氣體絕緣設(shè)備已經(jīng)占有了絕對優(yōu)勢而且還有進一步擴大其應(yīng)用范圍的趨勢。但是，SF6氣體作為一種絕緣介質(zhì)也有不足之處，如：對電場均勻性比較敏感、在電弧作用下容易分解出有毒氣體、在低溫下容易液化、價格昂貴等。同時，SF6氣體被列為6種溫室效應(yīng)氣體（CO2、CH4、PFCS、HFCS、N2O、SF6）之一, SF6氣體一個分子對溫室效應(yīng)的影響為CO2一個分子影響的25000倍，SF6氣體對環(huán)境的影響引起了國際社會的普遍關(guān)注。從保護環(huán)境的觀點出發(fā)，開始了SF6替代氣體的研究工作，近年來已有用SF6混合氣體來取代SF6氣體的趨勢。

1 混合氣體的選擇

SF6混合氣體必須具有較低的液化溫度、較高的介電強度、較好的化學(xué)穩(wěn)定性。液化溫度低才能保證在工作環(huán)境的溫度和氣壓下，氣體介質(zhì)不液化；介電強度高則可以確保斷路器斷口能夠承受長期運行的額定電壓和暫態(tài)過電壓；化學(xué)穩(wěn)定性好則不會對周圍環(huán)境造成腐蝕或污染。同時，作為滅弧介質(zhì)，SF6混合氣體還應(yīng)具有良好的熱物理和熱化學(xué)性質(zhì)。應(yīng)該具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)、定壓比熱、絕熱系數(shù)、電導(dǎo)率。在開斷能力方面應(yīng)該接近 SF6氣體的開斷能力。從經(jīng)濟效益的角度考慮，SF6混合氣體中添加氣體的價格要比較便宜。

國內(nèi)外科研部門研究了許多種混合氣體，如：SF6/空氣、SF6/CO2、SF6/CF4、SF6/N2等，但迄今為止，尚未發(fā)現(xiàn)各方面性能均非常滿意的 SF6混合氣體。盡管國際上對 SF6混合氣體滅弧能力的了解還很有限，并且存在著一定的爭議，但是，用 SF6混合氣體取代純 SF6氣體做為斷路器的絕緣和滅弧介質(zhì)，已被國內(nèi)外部分開關(guān)制造公司所采用，并取得了成功的經(jīng)驗和可喜的運行業(yè)績。

試驗表明，對SF6/空氣混合氣體，當(dāng)摻入50%左右的空氣時，擊穿電壓的降低不超過10%；而SF6/空氣混合氣體的滅弧性能改變要比絕緣性能改變復(fù)雜些，在適當(dāng)混合比時（60% ～ 80% SF6）有最佳的熄弧能力；但是，隨著空氣含量比例的增加，電弧時間常數(shù)將按指數(shù)關(guān)系增大。

研究表明，CO2是弱負(fù)電性氣體，它與 SF6混合后對高能電子可能有減速作用；由相對耐電強度的變化可判定 SF6/CO2為協(xié)同效應(yīng)型混合氣體，一般情況下，SF6/CO2的耐電強度低于 SF6/N2的耐電強度，但是在有局部場強集中的情況下（如：電極粗糙、導(dǎo)電塵埃的影響等），SF6/CO2的耐電強度可能高于SF6/N2的耐電強度。

采用 SF6/CF4混合氣體作為滅弧、絕緣介質(zhì)，在GEC-Alsthom公司加拿大分部研制生產(chǎn)的GL200系列SF6斷路器中已經(jīng)有運行業(yè)績，產(chǎn)品可以在-50℃環(huán)境溫度下正常運行，滿足了象加拿大這樣有嚴(yán)冬氣候國家和地區(qū)，對高壓開關(guān)耐低溫性能的要求。在極低溫度下，CF4比N2具有更優(yōu)越的特性（但由于CF4具有一定的毒性，限制了它在斷路器中的推廣應(yīng)用）。

SF6/N2混合氣體是所有混合氣體中研究得最多，也是最有應(yīng)用前景的混合氣體。這是因為 N2具有許多特點：首先 N2的液化溫度較低，其次 N2的成本也最低。另外，在SF6/N2混合氣體中， SF6濃度的降低，分解的毒物就減少，已有試驗報告證明了這一點。同時，SF6/N2混合氣體中，由于 N2占有一定的比例，所以對電場的敏感性也有所降低。

2 SF6/N2混合氣體的應(yīng)用

采用SF6/N2混合氣體作為滅弧、絕緣介質(zhì)，在國內(nèi)外開關(guān)制造行業(yè)均取得了良好的運行業(yè)績，如：ABB公司生產(chǎn)的ELF SL4-1 SF6斷路器，西門子公司針對環(huán)境溫度達-40℃地區(qū)而設(shè)計生產(chǎn)的 123kV至800kV壓氣式SF6斷路器，以及上海華通開關(guān)廠為佳木斯市鶴崗電廠提供的3臺LW17—220型SF6斷路器等。試驗表明，如果恰當(dāng)?shù)剡x擇SF6和N2的混合比例，就可在相當(dāng)?shù)偷臏囟认拢浣^緣強度不低于同樣壓力下純凈的 SF6氣體的絕緣強度；但由于 SF6分壓力的降低將導(dǎo)致開斷能力的下降，因為混合氣體中N2部份對于滅弧的影響只起次要作用。

2.1 SF6/N2混合氣體的比例選擇

關(guān)于SF6/N2混合比例的選擇，應(yīng)綜合考慮三方面的因素，即氣體液化溫度、絕緣性能、滅弧性能。從防止氣體低溫液化的角度看，SF6/N2混合氣體中SF6的含量應(yīng)該盡可能低些；但是從保證斷路器的絕緣性能和滅弧性能方面看，SF6/N2混合氣體中 SF6的含量又應(yīng)該高些；兩者互相制約，解決矛盾的方法是保證在規(guī)定的最低使用環(huán)境溫度范圍內(nèi)，滅弧性能盡可能接近純SF6的滅弧性能。

從“SF6的狀態(tài)參數(shù)曲線”可知，若要在-50℃情況下介質(zhì)不液化，則混合氣體中 SF6的分壓力不能超過0.3MPa。單壓式SF6斷路器的工作壓力一般為 0.5～0.7MPa（絕對壓力），所以混合比例應(yīng)該在50%左右。如果考慮到斷路器在額定電壓下工作時，斷口上存在交變電磁場，氣體中有微弱電流通過，起到加熱和擾動氣體介質(zhì)的作用，則 SF6所占比例可適當(dāng)提高。一般采用 60% SF6+40%N2的混合比例，此時混合氣體的介電強度已達純 SF6介電強度的90%，其開斷能力略有降低；在總氣壓為0.7MPa（絕對壓力）時，60%SF6+40%N2混合氣體的液化溫度為-42℃（對應(yīng) 0.7MPa純 SF6介質(zhì)時，液化溫度約-27℃）。

2.2 SF6/N2混合氣體的絕緣性能

SF6/N2混合氣體的絕緣性能，主要決定于兩種氣體的性質(zhì)和混合比例，根據(jù)混合氣體理論，分子量大、混合比例大的氣體的性質(zhì)將主宰混合氣體的性質(zhì)。從圖 1“SF6/N2混合氣體的相對介電強度曲線”不難看出，由SF6和N2構(gòu)成的二元混合氣體，其介電強度介于SF6和N2兩氣體性質(zhì)之間；隨著SF6氣體比例的增加，混合氣體的相對介電強度RES也隨之增加，并呈非線性關(guān)系，且比較接近于分子量大的SF6氣體的性質(zhì)（SF6的相對分子量為146，N2的相對分子量為28）；當(dāng)SF6氣體的比例達60%時，混合氣體的介電強度已達純SF6介電強度的90%。

圖1 SF6/N2混合氣體的相對介電強度曲線

SF6/N2混合氣體的充氣壓力應(yīng)高于純 SF6時的氣壓。當(dāng)斷路器采用混合氣體作為滅弧、絕緣介質(zhì)時，由于N2的引入，造成了絕緣強度的下降，為了確保斷路器能夠承受長期運行時的額定電壓和暫態(tài)過電壓，可采取比較熟知的西門子壓氣式斷路器內(nèi)總壓力提高0.1MPa的方法來彌補。

2.3 SF6/N2混合氣體的滅弧性能

在SF6/N2混合氣體的滅弧機理中，SF6和N2起著不同的作用。由于導(dǎo)熱、導(dǎo)電性好和強負(fù)電性等特點，SF6氣體滅弧主要是通過在電弧過零之前以大量新鮮冷氣流包圍熾熱的電弧弧柱，使得SF6分子與電弧接觸，進行充分的熱傳導(dǎo)，傳輸并耗散能量，降低溫度，并加強吸附電子以形成負(fù)離子，使電弧熄滅。SF6氣體的電特性和熱特性的良好配合使觸頭間的介質(zhì)強度得以迅速恢復(fù)。N2氣體則主要是通過等熵冷卻熄弧。

隨著SF6/N2混合氣體中SF6比例的下降，開斷性能也隨之降低。決定混合氣體滅弧性能的主要因素是 SF6的成份，實質(zhì)問題可認(rèn)為是 SF6的質(zhì)量流量，因為，氣體的熱物理性質(zhì)都是與其質(zhì)量有關(guān)的，計算氣體熱力學(xué)參數(shù)時均要計入分子量的影響。按照SF6/N2混合氣體的體積混合比例可以計算出各種比例SF6/N2混合氣體的等效分子量。

SF6/N2等效分子量=SF6分壓比×SF6分子量+N2分壓比×N2分子量

以60% SF6+40%N2的混合氣體為例，其等效分子量為98.8，單位質(zhì)量的SF6/N2混合氣體中，SF6的質(zhì)量占總質(zhì)量的88.7%。試驗表明，對于60%SF6+40%N2的混合氣體，斷路器的開斷電流能力只有原來的80%左右。將SF6/N2混合氣體的充氣壓力提高1/5左右，才有可望得到與SF6斷路器一樣的開斷能力。

2.4 SF6/N2混合氣體的充氣方法

根據(jù)道爾頓分壓定律，處于擴散平衡的混合氣體中，每一種氣體成份均是按它單獨存在時那樣分布的。因此，沒有必要先將兩種滅弧介質(zhì)成份混合后再充入開關(guān)設(shè)備，可以先充入 SF6氣體至其分壓力的規(guī)定值，然后再充入氮氣至混合氣體的最終壓力值。氣體的擴散和對流作用，使得在設(shè)備長期投運的情況下的氣體混合仍保持得很均勻。例如：60%SF6和 40%N2組成的混合氣體，當(dāng)額定壓力為0.5MPa時，對應(yīng)的SF6氣體分壓力為0.30MPa，N2氣體的分壓力為0.20MPa。

2.5 SF6/N2混合氣體的回收方法

混合氣體中的 SF6氣體是一種公認(rèn)的溫室氣體，SF6氣體對環(huán)境的影響引起了國際社會的普遍關(guān)注，SF6氣體在大氣中的排放量已受到政策性控制。在充分利用 SF6/N2混合氣體的同時，有必要對SF6/N2混合氣體的回收方法進行認(rèn)真研究，確保設(shè)備內(nèi)SF6氣體的泄漏量和排放量得到有效地控制。

表1列出了SF6/N2混合氣體的各種處理方法。

表1 SF6/N2混合氣體的處理方法

SF6/N2混合氣體回收裝置的處理過程如圖 2所示。該回收裝置主要由兩個組件構(gòu)成：一個是氣體分離系統(tǒng)，另一個是液化系統(tǒng)。通過一個過濾裝置的過濾，不含水分或SF6分解物的混合氣體被引入到分離系統(tǒng)，該系統(tǒng)有選擇地將N2吸附。未被氣體分離系統(tǒng)吸附的氣體（富SF6氣體）通過一個液化系統(tǒng)的壓縮和冷卻，可以很容易地液化。然后，已液化的SF6被存儲和回收。液化系統(tǒng)中的剩余氣體含有 N2。這種含有N2的氣體返回到氣體分離系統(tǒng)并與新導(dǎo)入的混合氣體一起進行再處理。氣體分離系統(tǒng)吸附的主要是N2，也含有一些SF6，其原因如下：

1）SF6附著在吸附劑粒子的外表面。

2）吸附劑粒子間或容器壁之間有剩余空間。

3）有其他空間。

然后，將這種含有 SF6的氣體放在一個配置有輔助吸附劑的容器中進行處理，在這個容器中的SF6被極大地吸附，而通過該系統(tǒng)地N2氣體，其純度極高，完全可以排放到大氣中。

圖2 SF6/N2混合氣體處理過程

3 結(jié)論

SF6氣體是一種公認(rèn)的溫室氣體，在1997年聯(lián)合國氣候變化框架公約《京都議定書》的附件A中，SF6氣體被列為6種溫室效應(yīng)氣體之一。在全球減排溫室氣體的前提下，為保護環(huán)境，開關(guān)設(shè)備行業(yè)如何從設(shè)計和管理上采取有效措施，減少SF6氣體的使用和排放，已成為共同關(guān)注的問題。科研工作者一直在尋找一種對環(huán)境沒有危害的氣體取代SF6氣體，但迄今為止尚未發(fā)現(xiàn)綜合性能優(yōu)于純 SF6氣體的單一氣體。SF6混合氣體已被國內(nèi)外部分開關(guān)制造公司所采用，并取得了成功的經(jīng)驗。當(dāng)然，在SF6混合氣體的研究方面，還有許多技術(shù)難題有待人們?nèi)ソ鉀Q。

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