SF6混合气体在开关设备中的应用

李松琴

（河南平高电气股份有限公司工艺部，河南 平顶山 467001)

六氟化硫（SF6）气体是一种无色、无嗅、无毒、不可燃的惰性气体。SF6气体具有很高的电负性，其电负性比空气高出几十倍，从而导致SF6气体的绝缘强度高于空气，在均匀电场中，SF6气体的击穿电场强度是空气的3倍，在0.25MPa下与绝缘油的击穿电压相等。SF6气体具有优越的绝缘性能，同时，SF6气体还具有优良的灭弧性能：SF6气体的电负性使得在电流过零后，弧隙温度降低时的正负离子的复合过程加快，从而可加快弧隙绝缘强度的恢复速度；SF6气体中，电弧具有高温的弧芯和低温的弧焰，电弧电压梯度小，电弧功率低，非常有利于电弧的熄灭。

正是由于 SF6气体具有优良的灭弧和绝缘性能，所以被广泛应用于输配电设备领域，如变压器、组合电器、断路器、输电管道、电缆等。目前，SF6气体绝缘设备已经占有了绝对优势而且还有进一步扩大其应用范围的趋势。但是，SF6气体作为一种绝缘介质也有不足之处，如：对电场均匀性比较敏感、在电弧作用下容易分解出有毒气体、在低温下容易液化、价格昂贵等。同时，SF6气体被列为6种温室效应气体（CO2、CH4、PFCS、HFCS、N2O、SF6）之一, SF6气体一个分子对温室效应的影响为CO2一个分子影响的25000倍，SF6气体对环境的影响引起了国际社会的普遍关注。从保护环境的观点出发，开始了SF6替代气体的研究工作，近年来已有用SF6混合气体来取代SF6气体的趋势。

1 混合气体的选择

SF6混合气体必须具有较低的液化温度、较高的介电强度、较好的化学稳定性。液化温度低才能保证在工作环境的温度和气压下，气体介质不液化；介电强度高则可以确保断路器断口能够承受长期运行的额定电压和暂态过电压；化学稳定性好则不会对周围环境造成腐蚀或污染。同时，作为灭弧介质，SF6混合气体还应具有良好的热物理和热化学性质。应该具有较大的导热系数、定压比热、绝热系数、电导率。在开断能力方面应该接近 SF6气体的开断能力。从经济效益的角度考虑，SF6混合气体中添加气体的价格要比较便宜。

国内外科研部门研究了许多种混合气体，如：SF6/空气、SF6/CO2、SF6/CF4、SF6/N2等，但迄今为止，尚未发现各方面性能均非常满意的 SF6混合气体。尽管国际上对 SF6混合气体灭弧能力的了解还很有限，并且存在着一定的争议，但是，用 SF6混合气体取代纯 SF6气体做为断路器的绝缘和灭弧介质，已被国内外部分开关制造公司所采用，并取得了成功的经验和可喜的运行业绩。

试验表明，对SF6/空气混合气体，当掺入50%左右的空气时，击穿电压的降低不超过10%；而SF6/空气混合气体的灭弧性能改变要比绝缘性能改变复杂些，在适当混合比时（60% ～ 80% SF6）有最佳的熄弧能力；但是，随着空气含量比例的增加，电弧时间常数将按指数关系增大。

研究表明，CO2是弱负电性气体，它与 SF6混合后对高能电子可能有减速作用；由相对耐电强度的变化可判定 SF6/CO2为协同效应型混合气体，一般情况下，SF6/CO2的耐电强度低于 SF6/N2的耐电强度，但是在有局部场强集中的情况下（如：电极粗糙、导电尘埃的影响等），SF6/CO2的耐电强度可能高于SF6/N2的耐电强度。

采用 SF6/CF4混合气体作为灭弧、绝缘介质，在GEC-Alsthom公司加拿大分部研制生产的GL200系列SF6断路器中已经有运行业绩，产品可以在-50℃环境温度下正常运行，满足了象加拿大这样有严冬气候国家和地区，对高压开关耐低温性能的要求。在极低温度下，CF4比N2具有更优越的特性（但由于CF4具有一定的毒性，限制了它在断路器中的推广应用）。

SF6/N2混合气体是所有混合气体中研究得最多，也是最有应用前景的混合气体。这是因为 N2具有许多特点：首先 N2的液化温度较低，其次 N2的成本也最低。另外，在SF6/N2混合气体中， SF6浓度的降低，分解的毒物就减少，已有试验报告证明了这一点。同时，SF6/N2混合气体中，由于 N2占有一定的比例，所以对电场的敏感性也有所降低。

2 SF6/N2混合气体的应用

采用SF6/N2混合气体作为灭弧、绝缘介质，在国内外开关制造行业均取得了良好的运行业绩，如：ABB公司生产的ELF SL4-1 SF6断路器，西门子公司针对环境温度达-40℃地区而设计生产的 123kV至800kV压气式SF6断路器，以及上海华通开关厂为佳木斯市鹤岗电厂提供的3台LW17—220型SF6断路器等。试验表明，如果恰当地选择SF6和N2的混合比例，就可在相当低的温度下，其绝缘强度不低于同样压力下纯净的 SF6气体的绝缘强度；但由于 SF6分压力的降低将导致开断能力的下降，因为混合气体中N2部份对于灭弧的影响只起次要作用。

2.1 SF6/N2混合气体的比例选择

关于SF6/N2混合比例的选择，应综合考虑三方面的因素，即气体液化温度、绝缘性能、灭弧性能。从防止气体低温液化的角度看，SF6/N2混合气体中SF6的含量应该尽可能低些；但是从保证断路器的绝缘性能和灭弧性能方面看，SF6/N2混合气体中 SF6的含量又应该高些；两者互相制约，解决矛盾的方法是保证在规定的最低使用环境温度范围内，灭弧性能尽可能接近纯SF6的灭弧性能。

从“SF6的状态参数曲线”可知，若要在-50℃情况下介质不液化，则混合气体中 SF6的分压力不能超过0.3MPa。单压式SF6断路器的工作压力一般为 0.5～0.7MPa（绝对压力），所以混合比例应该在50%左右。如果考虑到断路器在额定电压下工作时，断口上存在交变电磁场，气体中有微弱电流通过，起到加热和扰动气体介质的作用，则 SF6所占比例可适当提高。一般采用 60% SF6+40%N2的混合比例，此时混合气体的介电强度已达纯 SF6介电强度的90%，其开断能力略有降低；在总气压为0.7MPa（绝对压力）时，60%SF6+40%N2混合气体的液化温度为-42℃（对应 0.7MPa纯 SF6介质时，液化温度约-27℃）。

2.2 SF6/N2混合气体的绝缘性能

SF6/N2混合气体的绝缘性能，主要决定于两种气体的性质和混合比例，根据混合气体理论，分子量大、混合比例大的气体的性质将主宰混合气体的性质。从图 1“SF6/N2混合气体的相对介电强度曲线”不难看出，由SF6和N2构成的二元混合气体，其介电强度介于SF6和N2两气体性质之间；随着SF6气体比例的增加，混合气体的相对介电强度RES也随之增加，并呈非线性关系，且比较接近于分子量大的SF6气体的性质（SF6的相对分子量为146，N2的相对分子量为28）；当SF6气体的比例达60%时，混合气体的介电强度已达纯SF6介电强度的90%。

图1 SF6/N2混合气体的相对介电强度曲线

SF6/N2混合气体的充气压力应高于纯 SF6时的气压。当断路器采用混合气体作为灭弧、绝缘介质时，由于N2的引入，造成了绝缘强度的下降，为了确保断路器能够承受长期运行时的额定电压和暂态过电压，可采取比较熟知的西门子压气式断路器内总压力提高0.1MPa的方法来弥补。

2.3 SF6/N2混合气体的灭弧性能

在SF6/N2混合气体的灭弧机理中，SF6和N2起着不同的作用。由于导热、导电性好和强负电性等特点，SF6气体灭弧主要是通过在电弧过零之前以大量新鲜冷气流包围炽热的电弧弧柱，使得SF6分子与电弧接触，进行充分的热传导，传输并耗散能量，降低温度，并加强吸附电子以形成负离子，使电弧熄灭。SF6气体的电特性和热特性的良好配合使触头间的介质强度得以迅速恢复。N2气体则主要是通过等熵冷却熄弧。

随着SF6/N2混合气体中SF6比例的下降，开断性能也随之降低。决定混合气体灭弧性能的主要因素是 SF6的成份，实质问题可认为是 SF6的质量流量，因为，气体的热物理性质都是与其质量有关的，计算气体热力学参数时均要计入分子量的影响。按照SF6/N2混合气体的体积混合比例可以计算出各种比例SF6/N2混合气体的等效分子量。

SF6/N2等效分子量=SF6分压比×SF6分子量+N2分压比×N2分子量

以60% SF6+40%N2的混合气体为例，其等效分子量为98.8，单位质量的SF6/N2混合气体中，SF6的质量占总质量的88.7%。试验表明，对于60%SF6+40%N2的混合气体，断路器的开断电流能力只有原来的80%左右。将SF6/N2混合气体的充气压力提高1/5左右，才有可望得到与SF6断路器一样的开断能力。

2.4 SF6/N2混合气体的充气方法

根据道尔顿分压定律，处于扩散平衡的混合气体中，每一种气体成份均是按它单独存在时那样分布的。因此，没有必要先将两种灭弧介质成份混合后再充入开关设备，可以先充入 SF6气体至其分压力的规定值，然后再充入氮气至混合气体的最终压力值。气体的扩散和对流作用，使得在设备长期投运的情况下的气体混合仍保持得很均匀。例如：60%SF6和 40%N2组成的混合气体，当额定压力为0.5MPa时，对应的SF6气体分压力为0.30MPa，N2气体的分压力为0.20MPa。

2.5 SF6/N2混合气体的回收方法

混合气体中的 SF6气体是一种公认的温室气体，SF6气体对环境的影响引起了国际社会的普遍关注，SF6气体在大气中的排放量已受到政策性控制。在充分利用 SF6/N2混合气体的同时，有必要对SF6/N2混合气体的回收方法进行认真研究，确保设备内SF6气体的泄漏量和排放量得到有效地控制。

表1列出了SF6/N2混合气体的各种处理方法。

表1 SF6/N2混合气体的处理方法

SF6/N2混合气体回收装置的处理过程如图 2所示。该回收装置主要由两个组件构成：一个是气体分离系统，另一个是液化系统。通过一个过滤装置的过滤，不含水分或SF6分解物的混合气体被引入到分离系统，该系统有选择地将N2吸附。未被气体分离系统吸附的气体（富SF6气体）通过一个液化系统的压缩和冷却，可以很容易地液化。然后，已液化的SF6被存储和回收。液化系统中的剩余气体含有 N2。这种含有N2的气体返回到气体分离系统并与新导入的混合气体一起进行再处理。气体分离系统吸附的主要是N2，也含有一些SF6，其原因如下：

1）SF6附着在吸附剂粒子的外表面。

2）吸附剂粒子间或容器壁之间有剩余空间。

3）有其他空间。

然后，将这种含有 SF6的气体放在一个配置有辅助吸附剂的容器中进行处理，在这个容器中的SF6被极大地吸附，而通过该系统地N2气体，其纯度极高，完全可以排放到大气中。

图2 SF6/N2混合气体处理过程

3 结论

SF6气体是一种公认的温室气体，在1997年联合国气候变化框架公约《京都议定书》的附件A中，SF6气体被列为6种温室效应气体之一。在全球减排温室气体的前提下，为保护环境，开关设备行业如何从设计和管理上采取有效措施，减少SF6气体的使用和排放，已成为共同关注的问题。科研工作者一直在寻找一种对环境没有危害的气体取代SF6气体，但迄今为止尚未发现综合性能优于纯 SF6气体的单一气体。SF6混合气体已被国内外部分开关制造公司所采用，并取得了成功的经验。当然，在SF6混合气体的研究方面，还有许多技术难题有待人们去解决。

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