的分解及分解產(chǎn)物
單純的SF6氣體,熱穩(wěn)定性高,加熱至500℃時(shí)不會(huì)分解。SF6與某些絕緣物(如硅樹脂層壓板)接觸時(shí),加熱到160~200℃就分解,水分存在時(shí),能加速分解。因此國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)推薦SF6產(chǎn)品最高使用溫度為180℃。
使SF6分解的原因有三種,即電子碰撞引起的分解、熱分解和光輻射分解,但在高壓電氣設(shè)備中主要是前兩種。GIS中的放電形式有三種,均能引起SF6氣體分解:①大功率電弧。如斷路器開斷過(guò)程中的電弧,或GIS內(nèi)部短路故障電弧。這種電弧的放電特點(diǎn)是,電流一般在數(shù)千安以上,電流持續(xù)時(shí)間約為數(shù)十至數(shù)百毫秒,能量約105~107J,電弧溫度極高,可達(dá)20000K,所以同時(shí)發(fā)生熱分解。高溫下SF6和氣體分解物還會(huì)與金屬發(fā)生反應(yīng),且SF6中的雜質(zhì)對(duì)某些氣體分解物的產(chǎn)生有很大影響。②火花放電。如高壓實(shí)驗(yàn)時(shí)的擊穿,或隔離開關(guān)操作時(shí)的火花。這種情況下每次放電能量約為10-1~102J,分解氣體的量與放電次數(shù)有關(guān)。③電暈或局部放電。如電極表面缺陷引起的電場(chǎng)局部集中、存在導(dǎo)電微粒或固體絕緣中有空穴的情況。這種放電的電流僅為微安級(jí),但長(zhǎng)時(shí)間放電會(huì)產(chǎn)生大量分解物。
SF6氣體在開斷電弧高溫作用下,800~1000K時(shí)就開始分解出SF4和F,在3000K附近就分解成帶電離子S+、F+、S-、F-,7500K時(shí)產(chǎn)生原子或離子態(tài)的S和F,還有自由電子,構(gòu)成高溫帶電的等離子體,完成SF6被電弧加熱分解的反應(yīng)過(guò)程。這些被電弧加熱分解出的S和F的單原子、正負(fù)離子和電子,其大部分很快(10-5s之內(nèi))復(fù)合再生成SF6,只有少數(shù)與金屬蒸氣、噴嘴材料蒸氣和可能被電弧灼傷的滅弧室絕緣件蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因而SF6具有優(yōu)異的滅弧性能。在交流電弧電流過(guò)零時(shí),SF6氣體從導(dǎo)體向絕緣體的轉(zhuǎn)化速度非???,即弧隙的介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)很快。SF6氣體在T>1000K下發(fā)生分解需要大能量,因而對(duì)弧道產(chǎn)生強(qiáng)烈的冷卻作用,SF6及其分解氣體均具有很高的絕緣強(qiáng)度。SF6氣體的滅弧能力為空氣的100倍。另一方面,SF6不含碳,因此不會(huì)分解出影響絕緣性能的碳粒子;且大部分氣態(tài)分解物的絕緣性能與SF6相當(dāng),所以不會(huì)使氣體絕緣性能下降。
在開斷電弧高溫條件下,SF6氣體與開關(guān)滅弧室內(nèi)的絕緣材料CKHY、石墨C、聚四氟乙烯(CF2CF2)n、觸頭材料銅Cu和鎢W以及滅弧室結(jié)構(gòu)體材料鋁Al等都會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),主要反應(yīng)如下:
SF6+Cu→ SF4+Cu F2
2SF6+W+Cu→ 2SF2+WF6+Cu F2
3SF6+W→ 3SF4+WF6
4SF6+W+Cu→ 4SF4+WF6+Cu F2
4SF6+3W+Cu→ 2S2F2+3WF6+Cu F2
Al+3F→ Al F3
2CF2+SF6 →2CF4+SF2
以上有些反應(yīng)生成物(如CF4、Al F3、Cu F2)將以穩(wěn)定的氣態(tài)或固體粉末存在于開關(guān)滅弧室內(nèi),其他生成物如遇到化學(xué)性能活潑的水或氧還會(huì)繼續(xù)新的化學(xué)反應(yīng)。
SF6氣體在制造過(guò)程中不可避免地存在水分和氧氣等雜質(zhì)?;瘜W(xué)性能活潑的H2O和O2遇到活動(dòng)性強(qiáng)的SF4和WF6很容易發(fā)生新的化學(xué)反應(yīng),而產(chǎn)生酸性有害物質(zhì),如
2SF4+O2→2SOF4
SOF4+H2O→ SO2F2+2HF
SF4+H2O→ SOF2+2HF
SOF2+H2O→ SO2+2HF
SO2+H2O→ H2SO3
WF6+H2O→ WOF4+2HF
WOF4+2H2O→ WO3+4HF
HF與水結(jié)合生成腐蝕性極強(qiáng)的氫氟酸,加上H2SO3,對(duì)開關(guān)滅弧室零部件都會(huì)產(chǎn)生侵蝕破壞,尤其是對(duì)含硅(Si)物質(zhì)的侵蝕最嚴(yán)重,如:
SiO2+4HF → Si F4+2H2O
Si O2+SF4→Si F4+SO2
Si O2+2SOF2→Si F4+2SO2
因此在有電弧存在的SF6電器的氣室不能使用含硅的絕緣件,如填充玻璃絲纖維的環(huán)氧樹脂絕緣材料、硅橡膠、硅玻璃、含石英砂(Si O2)的環(huán)氧樹脂澆注絕緣件等。
此外,這些酸性電弧分解物對(duì)鍍鋅件有腐蝕作用,使鍍鋅層發(fā)毛、起皮、脫落。因此,在SF6斷路器滅弧室內(nèi)使用鍍鋅件是不合適的。
常用耐SF6電弧分解腐蝕的材料有:填充Al2O3的環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、上釉氧化鋁陶瓷、滌綸纖維環(huán)氧樹脂、填充石墨的聚四氟乙烯、填充二硫化鉑的聚四氟乙烯等絕緣材料;此外還有不銹鋼、鑄鐵、脫鋅鋁合金、鋁及鋁鑄件、銅及銅合金、鉻及鎘鍍層。
從上面分析可見:水分促成電弧分解的低氟化物轉(zhuǎn)為酸性物質(zhì),對(duì)人體對(duì)產(chǎn)品都有不良影響;水分也會(huì)使電弧分解出的F和S原子(離子)再結(jié)合(S+→■6F SF6)反應(yīng)受阻,會(huì)影響產(chǎn)品性能。
SF6發(fā)生放電時(shí),分解物中含有劇毒和腐蝕性的化合物(譬如S2F10、SOF2);非極性污染物(譬如空氣、CF4)很難從SF6氣體中去除。SF6的擊穿電壓對(duì)于水蒸氣、導(dǎo)電顆粒及導(dǎo)體表面的粗糙度較為敏感;恰好環(huán)境溫度很低時(shí),SF6呈現(xiàn)非理想的氣體特性。例如,在寒冷的氣候條件下(大約在-50℃),在正常工作氣壓下(0.4~0.5MPa),SF6氣體會(huì)發(fā)生部分液化。
使用吸附劑是一種很好的消除SF6分解物的方法,其目的是雙重的,即吸附分解氣體和水分。GIS中常用的吸附劑有活性氧化鋁和分子篩。分子篩的工作溫度高,吸附能力比活性氧化鋁強(qiáng)。分子篩是一種合成沸石,它具有微孔,比微孔直徑小的分子可以被吸入分子篩內(nèi)部孔穴,從而使分子直徑大小不同的物質(zhì)分開。
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