SF6氣體研究畢業(yè)論文

1、六氟化硫結(jié)構(gòu)式sf6氣體具有優(yōu)良的電氣強度和滅弧性能，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，但當(dāng)sf6氣體被排放在大氣中時，作為高度穩(wěn)定的溫室效應(yīng)氣體，它卻能促使地球氣候變化，給人類的生存環(huán)境帶來嚴重影響。限制sf6氣體的排放量，探索新的可替代sf6氣體勢在必行。1前言 隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，人類的活動領(lǐng)域不斷擴大，從而使我們所生活的環(huán)境也發(fā)生了巨大的變化。重現(xiàn)全球氣候變暖已確定為2000年地球日的重點之一，氣候變暖會導(dǎo)致異常的天氣事件，如熱浪和干旱、疾病的傳播等。保護地球、保護生態(tài)環(huán)境已成為當(dāng)今世界各國的一項偉大歷史使命。以co2為代表的溫室效應(yīng)氣體，雖然使太陽光中短波成分容易透射，但它容易吸收從地

2、球表面來的波長較長的光（如紅外線）。大量的溫室效應(yīng)氣體被釋放在空氣中，并在地球上空形成一個氣體層，這些氣體吸收的紅外線不能穿過氣體層向外輻射，從而導(dǎo)致大氣溫度明顯上升變暖，這種現(xiàn)象就稱為溫室效應(yīng)。在剛過去的一個多世紀，全球平均氣溫大約上升了591，而且有記載的11個溫度最高的年份全部發(fā)生在1980年以后?，F(xiàn)在公認的科學(xué)意見，全球溫度上升的主要原因是人類排放的溫室效應(yīng)氣體co2、ch4、pfcs、hfcs、n2o以及sf6造成的。sf6氣體雖然不會破壞臭氧層，但對全球氣候變暖有特別大的影響。在電力系統(tǒng)中，氣體絕緣設(shè)備有兩種類型：一是主要利用氣體絕緣特性，如開關(guān)設(shè)備（gis）、管道輸電或氣體絕緣電

3、纜（cgit）等。另一種是用以消除電弧放電的設(shè)備，以氣體斷路器（gcb）為代表，它們普遍采用以sf6為氣體絕緣方式，并且現(xiàn)在占據(jù)著穩(wěn)固的難以替代的地位。為此，減少sf6氣體排放量以改善我們的生存環(huán)境，已成為一個巨大的課題。sf6氣體已有百年歷史，它是法國兩位化學(xué)家moissan和lebeau于1900年合成的人造惰性氣體，1940年前后，美國軍方將其用于曼哈頓計劃（核軍事）。1947年提供商用。當(dāng)前sf6氣體主要用于電力工業(yè)中。sf6氣體用于4種類型的電氣設(shè)備作為絕緣和/或滅弧；sf6斷路器及gis（在這里指六氟化硫封閉式組合電器，國際上稱為“氣體絕緣開關(guān)設(shè)備”（gas insulated s

4、witchgear)）、sf6負荷開關(guān)設(shè)備，sf6絕緣輸電管線，sf6變壓器及sf6絕緣變電站。80%用于高中壓電力設(shè)備。第二章2.1 sf6氣體性質(zhì)-物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)2.2.1 sf6氣體物理性質(zhì)sf6氣體是無色、無臭、不燃、無毒的惰性氣體，具有優(yōu)良的絕緣性能，且不會老化變質(zhì)。它的比重約為空氣的5倍。在標(biāo)準大氣壓下，62度時液化。絕緣強 度受電極影響大，在均勻電場中為空氣的2到3倍，在3個大氣壓下絕緣強度與變壓器油相當(dāng)。在12個大氣壓下，0度時液化。這是它的物理性質(zhì)。參數(shù)氣體分子量臨界壓力(mpa)臨界溫度()密度(g/l)(0.1mpa,25時)熱導(dǎo)率(w/mk)(30時)絕熱系數(shù)(0.

5、1mpa,0-1000時)氣體常數(shù)(kg.m/kg.k)(0.1mpa,0時)空氣28.83.46（n2）5.16（o2）-147(n2)-118.8(o2）1.1660.0211.4-1.3529.27sf6140.073.8545.66.250.0141.088-1.0575.812.2.1 sf6氣體化學(xué)性質(zhì)sf6氣體不溶于水和變壓器油，在熾熱的溫度下，它與氧氣、氬氣、鋁及其他許多物質(zhì)不發(fā)生作用。但在電弧和電暈的作用下，sf6氣體會分解，產(chǎn)生低氟化合物，這些化合物會引起絕緣材料的損壞，且這些低氟化合物是劇毒氣體。sf6的分解反應(yīng)與水分有很大關(guān)系，因此要有去潮措施。在電弧高溫作用下，很少量

6、的sf6會分解為有毒的sof2、so2f2、sf4和sof4等，但在電弧過零值后，很快又再結(jié)合成sf6。因此，長期密封使用的sf6，雖經(jīng)多次滅弧作用，也不會減少或變質(zhì)。電弧分解物的多少與sf6中所含水份有關(guān)，因 此，把水份控制在規(guī)定值下是十分重要的。常用活性氧化鋁或活性炭、合成沸石等吸附劑，清除水分和電弧分解產(chǎn)物。sf6氣體混入空氣時，會使絕緣強度下降，因此斷路器及其貯氣設(shè)備應(yīng)保持密封。 sf6容易液化，液化溫度與壓力有關(guān)，壓力升高時液化溫度也增高，所以sf6氣體都不采用過高的壓力，以使其保持氣態(tài)。雙壓式斷路器，高壓側(cè)壓力為1.5mpa左右；單壓式斷路器，壓力為0.30.5mpa。2.3 sf

7、6氣體的絕緣的種類及氣體絕緣2.3.1 sf6氣體的絕緣的種類絕緣方式多種多樣，按絕緣物的形態(tài)可分為以下幾種：（1）空氣絕緣；（2）除空氣以外的氣體絕緣；（3）液體（主要是絕緣油）絕緣；（4）固體絕緣（如石蠟、聚乙烯、有機物等）；（5）真空絕緣；（6）復(fù)合絕緣（如油浸紙等）。電力系統(tǒng)和電力設(shè)備中常用空氣絕緣和油絕緣，現(xiàn)在有轉(zhuǎn)向氣體絕緣和固體絕緣的傾向。作為典型的例子，就是變電設(shè)備（開關(guān)裝置和變壓器）以及電纜中的絕緣。把除空氣以外的其它氣體作為主要絕緣物的絕緣稱為氣體絕緣，則氣體絕緣中最重要的絕緣是sf6氣體絕緣，它有如下主要特點：同空氣絕緣相比：（1）絕緣強度高；（2）具有優(yōu)良的滅弧性能；（3

8、）具有良好的冷卻特性；（4）由于具有不燃性，所以對熱具有穩(wěn)定性；（5）將sf6氣體和其它一些含鹵族元素的氣體組成混合氣體，其電氣強度可能比純sf6氣體更高。同固體和液體絕緣物相比，介電常數(shù)低，充電電流小。氣體絕緣方式的采用，開始于二十世紀三十年代的美國，當(dāng)初以直流高電壓電源、電容器、變壓器等為對象，利用高氣壓的空氣、氮氣及二氧化碳氣體作為絕緣物，這以后，由于含氟含氯氣體具有較高的絕緣強度，尤其是氟里昂氣體被使用，給高電壓絕緣注入了新的活力，然而，現(xiàn)在一直使用的是sf6氣體。2.3.2 絕緣特性sf6氣體的高絕緣強度是由鹵族化合物的負電性，即對電子的吸附能力造成的。鹵族元素中又以f元素的負電性最

9、強，它的化合物sf6仍有強負電性。在溫度不太高的情況下（108k以下），產(chǎn)生sf6+esf6 的反應(yīng)，生成負離子；使空間的自由電子減少，而負離子的活潑性差，抑制了空間游離過程的發(fā)展，擊穿不易形成，因此絕緣強度大大提高 。2.3.3 影響絕緣強度的因素1.sf6氣體的絕緣強度在不均勻的電場中要降低，隨著電場不均勻程度的增大，擊穿場強下降，作為均勻電場的間隙擊穿電壓巴申定律，即擊穿電壓（uk）與氣壓間隙乘積（pd）成正比，只能在很小范圍內(nèi)符合。試驗數(shù)據(jù)證明，在125mm間隙內(nèi)，只有電場強度20kv/mm以下才符合巴申定律因此，不能簡單地靠增大間隙來提高擊穿電壓，而應(yīng)該注意改善結(jié)構(gòu)的電場均勻性。2.

10、sf6氣體絕緣特性還受雜質(zhì)和電極表面狀況影響很大。充入電氣設(shè)備的氣體如混雜了金屬細屑，絕緣擊穿電壓將顯著下降。 3.電極表面如粗糙不平，局部電場增強，對絕緣強度下降影響也很大，加工光潔度高的表面要比粗糙表面的絕緣強度高。由于表面缺陷，凸起的出現(xiàn)呈隨機性質(zhì)，這種局部電場增強效應(yīng)也具隨機性，對于面積越大的電極，局部放電的幾率也越大。這就表現(xiàn)為絕緣強度隨電極表面積增大而下降，并漸趨于一個穩(wěn)定值。2.4 sf6氣體絕緣強度與其他氣體相比sf6斷路器之所以在近年來得到了迅速的發(fā)展，其主要的原因就在于sf6氣體同其他絕緣介質(zhì)相比具有很多的優(yōu)點：待添加的隱藏文字內(nèi)容31sf6氣體的絕緣強度高，決定了sf6斷

11、路器單個斷口所能承受的電壓要比其他形式的斷路器要高，據(jù)介紹已經(jīng)有500kv的單斷口斷路器出現(xiàn)了；sf6氣體的熄弧性能好，決定了sf6斷路器的滅弧能力強，這樣它的開斷能力要大于其他形式的斷路器，單斷口已經(jīng)能夠達到100ka，這是其他形式的斷路器無法達到的，尤其是在現(xiàn)在，電力系統(tǒng)的容量越來越大，很多變電站的短路容量已經(jīng)達到了近五十千安，一些樞紐變電站甚至達到了6070ka，如果沒有sf6斷路器，那么就無法滿足短路容量的要求，在系統(tǒng)短路時，無法切除故障。2sf6氣體在燃弧時的導(dǎo)電性能比較好，電弧電壓比較低，小電流的情況下也能夠穩(wěn)定的燃弧，所以，在切斷小電流時很少發(fā)生截流現(xiàn)象，這樣就不會造成過電壓，給

12、設(shè)備造成損壞。 來源: 3sf6氣體在熄弧后介質(zhì)強度的恢復(fù)速度比較快，能承受比較快的瞬時恢復(fù)電壓，所以在切斷空載線路是不會發(fā)生多次重擊穿，在切斷近區(qū)故障時特別有利，就是說它不僅開斷短路電流的性能強，在一些特別的開斷情況下，sf6斷路器的開斷性能也是很好的。 4由于sf6氣體中不含氧的成分，而且燃弧時電弧能量小，所以，它對內(nèi)部金屬部件，包括觸頭、導(dǎo)電桿等的氧化作用就很小，觸頭在燃弧時的燒蝕也比較輕微，而sf6氣體在電弧作用下分解后又能夠很快的重新復(fù)合，所以整個sf6斷路器能滿容量開斷的次數(shù)比其他形式的斷路器要大大增加了，相應(yīng)的檢修周期就延長了。5由于sf6斷路器增大了單個斷口的額定電壓和開斷電流

13、，所以它的體積就相應(yīng)的減小了，尤其是我們可以把整個變電站集成起來，做成全封閉的氣體絕緣變電站，就是現(xiàn)在在很多單位都安裝了的gis；它的結(jié)構(gòu)特別緊湊，占地面積很小，只相當(dāng)于常規(guī)變電站的百分之幾到百分之十幾，而且電壓等級越高，效果越明顯，這一點在山區(qū)和人口稠密的大城市十分有利；此外，它的噪音和污染小，防污染能力強，又沒有爆炸和引起火災(zāi)的危險。2.5 sf6氣體絕緣對環(huán)境的問題在電力系統(tǒng)中，使用氣體絕緣與環(huán)境問題密切相關(guān)，必須考慮如下幾點。2.5.1氣體本身的有毒性，有害性有些氣體的絕緣強度較高，如so2、ccl4等，但是它們本身具有毒性，如果泄漏于空氣中，就會對人體造成巨大傷害，所以在選擇絕緣氣體

14、時，必須考慮氣體本身有無毒性。2.5.2放電或發(fā)熱產(chǎn)生的分解物的有毒性、有害性幾年前，sf6分解而產(chǎn)生的s2f10物質(zhì)是否有毒還是一個懸念，尤其是在美國進行了這方面的大量研究。然而，s2f10的檢驗很困難且產(chǎn)生的量又少，其中還含有其它的分解生成物，由于用吸附劑就能除去，所以這不會產(chǎn)生什么問題。2.5.3對臭氧層的影響對臭氧層的破壞是從cfc（chlorinated fluorocarbon）分解出的原子態(tài)氯，通過媒質(zhì)的作用而產(chǎn)生的臭氧分子所引起的。其它的鹵族元素也具有類似的作用。但是，游離態(tài)的f立即與游離態(tài)的h發(fā)生反應(yīng)生成hf，對臭氧的破壞效果據(jù)認為是鹵族的104倍。因此，如果sf6的濃度達不

15、到cfc的103倍時，這種影響可忽略。2.5.4sf6與地球的溫室效應(yīng)（1）關(guān)于gwp定量地表示氣體的溫室效應(yīng)最簡單的指標(biāo)就是地球的溫暖化系數(shù)gwp（global warming potential）。地球變暖是由氣體的紅外區(qū)吸收的光譜所決定，大氣中的濃度依賴于考察的氣體的壽命和溫暖化的年數(shù)，幾種主要氣體的特性表示于附表5中。從表中可以看出，sf6氣體的gwp比其它幾種氣體大得多。不過，影響地球溫暖化的大小與溫室效應(yīng)氣體的gwp大小和大氣中所含該氣體濃度的乘積有關(guān)，所以現(xiàn)在sf6氣體的影響比co2的影響小得多。但是，gwp值大對溫暖化的潛在影響也就大。今后sf6氣體的排放量繼續(xù)增大的話，其影響

16、力變得相當(dāng)大也就成為可能。2.5.5 sf6氣體的生產(chǎn)量及其在大氣中的濃度 全世界sf6的產(chǎn)量在1995年大概是8 000t到9 000t之間，估計現(xiàn)在已突破20萬噸（包括儲存量）。全世界電力工業(yè)的sf6年用量在7 000t左右，其主要用于斷路器和其它輸配電設(shè)備。理論上，sf6氣體可以回收再利用，絕不允許泄漏到大氣中。然而，在實際運行中，有很大的泄漏。估計美國年泄漏的sf6氣體約相當(dāng)于8t co2，而在10年前，大氣中的sf6氣體濃度幾乎感覺不到，現(xiàn)在，它約為32ppt（1ppt1012）。這些泄漏氣體很大部分歸因于電力工業(yè)。隨著sf6氣體使用量、排放量的增加，大氣中的sf6氣體濃度也在逐年增

17、加，其濃度大小隨地點、季節(jié)而變化，工業(yè)化先進的北半球比南半球約高04ppt，接近4ppt。然而，北半球最近幾年間，大氣中sf6氣體濃度呈直線上升的趨勢。2.5.6對溫室效應(yīng)的預(yù)測關(guān)于今后大氣中sf6的濃度以及溫室效應(yīng)的典型計算結(jié)果已經(jīng)有報道。據(jù)此，假如2000年以后每年sf6氣體的排放量為6 800t，或者1999年后為10 000t，按sf6氣體在空氣中的壽命為無限大進行計算，到2010年時預(yù)測sf6氣體在空氣中的濃度為8ppt（若1999年后每年排放10 000t，則為10ppt）。另外，在此報道中還給出了大氣溫度上升趨勢變化情況?？梢?，按最嚴格的條件來考慮，到2010年，大氣溫度要上升0

18、004 3，到2100年是002，與此相對，由co2氣體產(chǎn)生的溫室效應(yīng)也依賴于今后的排放量。據(jù)估計，到2010年由co2所引起的大氣溫升為08，2100年時為25。2.5.7抑制溫室效應(yīng)的措施為了抑制由sf6氣體帶來的溫室效應(yīng)，必須從如下幾個方面著手：（1）政府部門在制定有關(guān)政策時，要正確處理發(fā)展經(jīng)濟和保護環(huán)境的關(guān)系；（2）立法部門加強環(huán)保立法，增強人們的環(huán)保意識；（3）設(shè)定再回收、再利用的程序，并確定sf6排放的極限值；（4）加強回收裝置的開發(fā)，以提高回收效率；（5）努力尋找sf6的替代氣體。據(jù)計算可得，sf6氣體的排放每減少1t，按gwp換算，就相當(dāng)于減少了24 000t的co2氣體排放量

19、（或相當(dāng)于6 500t碳）。所以，現(xiàn)在使用的氣體絕緣設(shè)備每年氣體排放量是400600t，如果每年排放減少70t，相當(dāng)于每年實際排放co2氣體為8001 300萬噸之間，那么，現(xiàn)在每年的排放量就相當(dāng)于1990年時的061（1990年co2氣體的排放量為124億噸。在美國，環(huán)保局和電力部門之間建立起義務(wù)減少sf6氣體排放量的伙伴關(guān)系，與參加合作伙伴的電力公司簽署協(xié)議，環(huán)保局和其合作伙伴為了進一步減少排放的目標(biāo)而努力。2.5.8 探索新的絕緣氣體及混合氣體替代sf6氣體的研究，從20世紀70年代到80年代，美國的epri（電力研究所）積極開展了這方面的工作，雖然這期間有采用vapor面有比sf6氣體

20、更加優(yōu)越的氣體存在的觀點。關(guān)于絕緣特性方面，如附表所示，在相同的氣壓下，放電電壓比sf6氣體高的氣體有幾種，但從液化溫度和有無毒性、穩(wěn)定性等方面綜合來看，卻沒有比sf6更加優(yōu)越的氣體。考慮到全球性的環(huán)境影響這一新的特性，最近再一次開始了探索替代sf6的新氣體的研究工作?？紤]到對臭氧層的破壞，所以在研究時附加上不包含cl元素或br元素的氣體這一新的控制條件，探索工作正在進行之中。迄今為止，似乎還沒有找到可以替代sf6的氣體。在有關(guān)文獻中，對元素的各種可能組合進行一一處理，結(jié)果表明，能夠完全對環(huán)境不造成不利影響而又能夠使用的氣體只有空氣和氮氣。但是，經(jīng)過實驗研究發(fā)現(xiàn)，如果把絕緣性能優(yōu)良的sf6和n

21、2混合，就能得到如下所期望的結(jié)果。（1）sf6氣體的使用量、排放量降低；（2）使用的氣體總體價格降低；（3）液化溫度降低；（4）把絕緣強度高的電負性氣體和通常氣體混合時，根據(jù)混合比例，電氣絕緣強度呈非線性上升趨勢。現(xiàn)在盛行研究的混合氣體幾乎都是sf6和n2的組合氣體，雖然可以減少sf6的使用量、保存量及潛在的排放量和泄漏量，但也有不足之處。第一，混合氣體的電氣強度比純sf6氣體低，要提高擊穿電壓，就必須增大氣壓，從而增加設(shè)備的尺寸；第二，液化回收困難。由于象n2之類的氣體不易液化，所以要通過讓它液化來提高回收效率是極其困難的?；谝陨蟽牲c，結(jié)果使得溫室效應(yīng)氣體的放出率升高。2.5.9 結(jié)論1sf6氣體是具有高度穩(wěn)定性的溫室效應(yīng)氣體，當(dāng)它被排放在大氣中時，能促使地球氣候變化，給人類的生存環(huán)境帶來不利影響。2從抑制地球溫室效應(yīng)的角度來看，電力部門應(yīng)當(dāng)削減電力用sf6氣體的使用量并限制排放量，探索新的可替代氣體，加強對sf6混合氣體回收技術(shù)的攻關(guān)。 參考文獻 1張麗娜美國環(huán)境保護局的新思考