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GIS（圖片來源：網絡）
一、SF6氣體的基本特性
SF6氣體是目前最優良的絕緣介質和滅弧介質，其絕緣和滅弧性能要比絕緣油好得多。
它的分子結構是：六個氟原子處在頂點位置，硫原子處在中心位置，以共價鍵結合、完全對稱的正八面體結構。
SF6氣體的分子結構（圖片來源：網絡）
物理特性：無色、無味、無嗅、無毒、不燃燒，臨界溫度是45.6℃；難溶於水，在部分有機溶劑中的溶解度比較高。
化學性能：很穩定。常溫甚至電氣設備最高允許溫度150℃內，一般不會發生化學反應。150℃以上，與塑料發生微弱化學反應，200℃以上和銅鋁慢慢反應，500℃自身開始分解。
導熱性：熱傳導性差，導熱係數只有空氣的2/3，但表面傳熱係數為15，是空氣的2.5倍，綜合來說，其散熱性比空氣要好。
下表為SF6的一些性能參數：
SF6氣體的一些參數（圖片來源：網絡）
負電性：分子容易吸收自由電子形成負離子的特性。因為F最外層為7個電子，很容易吸收一個電子成為穩定的8個電子。
滅弧原理：SF6負電性形成負離子，與電弧中正離子結合，使電弧中帶點離子迅速減少，提高了電弧的擊穿電壓，使電弧很快恢復。
製造方法：S+3F2→SF6+Q（放熱），合成粗品經過水洗、鹼洗、熱解、用吸附劑吸凈等一系列凈化處理，裝入鋼瓶液態運輸。
GIS設備安裝完畢後，還要除去各種雜質和水分。其標準是由國際電工委員會（IEC）和各國制定。
下表為某些元素的電子親和能：
某些元素的電子親和能（圖片來源：網絡）
二、SF6氣體的狀態參數
由於SF6氣體分子質量大，用P=RT這個公式來計算溫度、壓力、密度三個狀態參數偏差是很大的。
但可以根據下面的曲線圖，求出S（升華點）、T（熔點）、K（臨界點）三個參數。
SF6氣體曲線圖1（圖片來源：網絡）
SF6氣體液化溫度與密度值有關，只要SF6氣體的密度不變，則其液化溫度也不變。每條密度線與分界線的交點，就是SF6氣體的液化點，從而可得到這一密度下的液化溫度。
T不變，P↑，液化溫度↑，因此壓力不能太高。
SF6氣體的溫度太低也容易液化，所以在寒冷地區，GIS要採取保溫措施。
SF6氣體狀態參數特性曲線圖（圖片來源：網絡）
三、SF6氣體分解物的毒性和其他性質
注意：SF6氣體本身是無毒的。但分子質量大，有窒息的作用。
以下為SF6自分解和滅弧的化學方程式：
SF6自分解和滅弧的化學方程式（圖片來源：網絡）
影響SF6氣體分解過程的主要因素有：
弧能量的影響：能量增多，SF6氣體分解物含量也増大；
電極材料的影響：分解物含量取決於電極材料的金屬蒸發量，銅、銀影響較小；
水分的影響：含水量的多少，對電弧分解物組成的含量有極大影響。
絕緣材料的影響：理想材料是聚四氟乙烯。實際用環氧樹脂多，運行中會釋放水分和氧氣。
氧氣的影響：如下圖所示：
氧氣對SF6氣體分解的影響（圖片來源：網絡）
電弧作用下SF6分解物的性質如下：
SF4性質：無色、刺激味、易溶於苯、有毒；性能穩定，與水、鹼反應；
S2F4性質：無色、有溴味、有毒；與鹼、鈉、水反應，能使橡膠硫化；
SF2性質：有毒；化學性能極不穩定，可用鹼、活性氧化鋁吸收；
S2F10性質：無色、易揮發、有毒；性能穩定，不溶於水、鹼液中；
SOF2性質：無色、刺激性、有毒；性能穩定，有很高的電擊穿穩定性；
SO2F2性質：無嗅無味、有毒；性能穩定，易溶於甲苯和四氯化碳；
SOF4性質：無色、刺激性、有毒；可與水反應。
四氟化硫的分子結構式（圖片來源：網絡）
四、GIS設備中的水分
4.1 產生原因
（1）GIS設備在製造、運輸、安裝、檢修過程中都可能會接觸水分；
（2）GIS設備的絕緣件帶有少量水分；
（3）GIS吸附劑本身含有水分；
（4）SF6氣體含有水分；
（5）水分子直徑遠小於SF6氣體分子直徑，水分子可以鑽進去。
4.2 SF6氣體中含水量單位及其換算
（1）體積濃度單位：氣體與氣體中水分的體積之比（PPMV）；
（2）質量濃度單位：1g氣體中含有1μg水蒸氣，叫做1PPMW；
（3）SF6氣體中體積比與質量比的換算：體積比/（146/18）=質量比；
（4）環境溫度升高，SF6氣體中的水分也增高；環境濕度增大，SF6氣體中的水分也增大。
下圖為不同介質下水分含量與環境溫度的變化關係圖：
不同介質下水分含量與環境溫度的變化關係圖（圖片來源：網絡）
4.3 水分對GIS設備的危害性
水分會引起設備的化學腐蝕。在GIS設備上，除了腐蝕，還會在絕緣件表面形成凝結水，附在絕緣件表面，造成沿面閃絡。但當壓力和溫度達到一定值時，水蒸氣變成冰，對絕緣件危害大大減小。
4.4 GIS中水分的控制
嚴格控制新的SF6氣體含水量；
改善GIS設備密封材料的質量，嚴格遵守安裝密封環的工藝規程；
在GIS設備中放置吸附劑；
GIS設備盡量使用室內式布置，可控制室內濕度、溫度、減少產生水分的機會，避免灰塵和其他雜質侵入。
SF6氣體設備（圖片來源：網絡）
五、GIS設備中的吸附劑
SF6氣體中的水分和有毒氣體，都可以用吸附劑來吸收。
有以下幾種吸附劑：活性炭、活性氧化鋁、燒鹼、石灰、分子篩。
活性炭：吸附能力強，但選擇性差，能吸附SF6，因此不能用於GIS；
活性氧化鋁：不吸收SF6，可吸收大部分分解物，有較好的選擇性，是GIS設備較為理想的吸附劑；
活性炭可吸附SF6氣體（圖片來源：攝圖新視界）
燒鹼：可吸附大部分分解物，吸附能力較好，和氧化鋁相似；
石灰：吸附SO2F2能力好，但是吸附S2F10較差；
分子篩：對SO2吸附能力好，不太理想的吸附劑。
燒鹼吸附SF6氣體分解物的能力較好（圖片來源：網絡）
六、SF6氣體雜質的檢測
SF6氣體中的雜質和水分的含量是很微小的，但是其危害很大，它足以改變SF6氣體的性能。因此一定要嚴格檢測。檢測方法有以下幾種：
1、水分的測定方法：重量法、電解法、露點法。
2、空氣和四氟化碳的測定方法：用氣象色譜法測量。
3、礦物油的測定方法：用紅外分光光度計進行測定。
4、遊離酸的測定方法：用標準鹼吸收SF6氣體中的酸，然後用標準酸來反滴過量鹼的酸鹼中和滴定法。
5、可水解氟化物的測定方法：用比色分光光度分析法和氟離子選擇電極等2種方法。
SF6氣體瓶（圖片來源：網絡）
七、SF6氣體的絕緣特性
1、均勻電場下氣體的擊穿特性：
遊離：宇宙射線照射下，原子吸收能量，最外層電子脫離原子核束縛，變為自由電子，中性原子變成正離子。
複合：正離子遇到自由電子，把它吸附到最外層變為中性原子，放出能量。
間隙被擊穿：隨着電壓升高，電子碰撞產生更多自由電子，最終在間隙中變成了等離子體，使間隙完全失去了絕緣性能，變為導體了。
自持放電：間隙一旦擊穿，外界遊離因素可以取消，本身遊離維持能量。
2、極不均勻電場下氣體的擊穿特性（棒--板電級）：
電暈放電：隨着電壓升高，棒電極周圍氣體達到自持放電，周圍發生電暈。
間隙被擊穿：隨着電壓升高，電暈放電繼續擴大，直到間隙被擊穿。
極性效應：正棒--負板，電暈起始電壓高，擊穿電壓較低；
負棒--正板，電暈起始電壓低，擊穿電壓較高。
氣體介質中電流和電壓的關係圖（圖片來源：網絡）
3、稍不均勻電場下氣體的擊穿特性：
稍不均勻的電場的擊穿場強，介於均勻電場和不均勻電場之間，電場越均勻，擊穿場強越高。因此，安裝GIS設備時，不要破壞電場均勻性。
4、SF6氣體的擊穿特性：
與空氣的擊穿特性相似，但是SF6氣體有很強的負電性，很容易吸附電子成為負離子，遊離能力大減，阻礙放電的形成。
SF6氣體分子直徑比氧氣、氮氣大很多，平均自由行程縮短，碰撞遊離能力減弱。運動速度小，更容易發生複合，使帶電質點減少。
因此，SF6是電氣強度很高的氣體，大概是空氣的3倍左右。3個大氣壓下和絕緣油電氣強度相當。用SF6氣體做成電氣設備，其絕緣距離小、體積也小。
SF6氣體、空氣、變壓器油在工頻電壓下擊穿電壓的比較圖（圖片來源：網絡）
八、SF6氣體的滅弧性能
想要知道這個答案，就得先知道電弧的定義。
電弧的定義：溫度很高時，氣體分子產生遊離，中性分子分解為自由電子和正離子，在電場作用下向一定方向運動，氣體放電。離子流和電子流一起組成放電的電流，叫電弧。
特性：溫度很高，10000-20000℃；密度大，平均密度為 1000A/cm²，具有負的伏安特性和負的電阻溫度特性。
滅弧的基本過程：電弧的特性由等離子體的特性決定，起決定作用的是電弧的溫度。所以要是電弧熄滅，必須降低電弧的溫度，要用強烈的冷卻手段。電弧溫度下降，其電導率也相應減小。導致間隙中帶點粒子複合為中性分子，使氣體恢復到絕緣狀態。
滅弧六氟化硫斷路器（圖片來源：網絡）
當溫度達到5000K以上時，SF6氣體出現電離現象。使氣隙中產生自由電子e-，和正離子S+，以及負的氟離子F-，從而使氣體帶電，電弧具有了較高的導電率。
SF6氣體滅弧好的原因在於：
SF6氣體分解過程中，自由電子速度很快，難與正離子複合；SF6-不活潑，容易與正離子複合成中性原子，使得氣體導電率下降，恢復絕緣。
下圖為SF6氣體的分解和電離示意圖：
SF6氣體的分解和電離示意圖（圖片來源：網絡）
關於SF6氣體電弧的熱傳導，SF6氣體的電弧在弧芯和弧焰的交界處，有很高的熱傳導，溫度降低很快，且弧芯溫度高，電弧的電壓梯度低，因此SF6不易重燃。
SF6氣體的弧芯中央一直維持高溫結構，這一特點對滅弧很有好處，因為電流過零時，電弧的體積已經很小了，所儲存的能量也很小，有利於絕緣的恢復，並不再重燃。
六氟化硫氣體和氮氣的電弧電壓梯度比較圖（圖片來源：網絡）
關於SF6氣體電弧的輻射，壓力與輻射成正比。氣壓越大，輻射能量越大。
當輻射能量穿過5mm的電弧後，同樣的壓力下，其減少一個數量級。
注意以下三點：
a、沒有金屬蒸汽的SF6氣體，其輻射能量要比有金屬蒸汽的大一個數量級；
b、純SF6氣體的輻射能量比電弧外層的溫度較低之處大100倍。99%被電弧本身所吸收；
c、只有純SF6氣體的輻射能量略高於氮氣。
六氟化硫氣體弧芯中的輻射能量與溫度的關係曲線圖（圖片來源：網絡）
關於電弧的對流散熱，指氣體熱運動而帶走的能量，它可以由局部的壓力差而引起氣體流動。這裡來看電弧中央、距電弧中央2mm處、距電弧中央2mm處三種情況。
a、電弧中央：散熱以傳導為主；
b、距電弧中央2mm處：輻射散熱、對流散熱、傳導散熱都有，但以輻射為主。
c、電弧中央2mm處：輻射散熱、對流散熱、傳導散熱都有，但對流散熱佔了66.6%，輻射散熱佔了20%，傳導散熱只佔13.4%。
不同散熱方式對電弧散熱的作用圖（圖片來源：網絡）
最後，來看看SF6氣體優良的滅弧性能，體現在哪幾點。
a、有優良的熱特性
SF6氣體電弧在弧芯區，溫度高、具有高電導率和低的導熱率，低溫區也有很高的導熱率。因此電弧的溫度很快降低，導致電弧的電壓低，功率小，即滅弧的能量小。由於SF6氣體中電弧的電壓梯度比空氣小兩倍，所以SF6氣體中電弧的輸入功率少，在與空氣同樣的散熱條件下，在SF6氣體中的電弧容易熄滅，絕緣恢復得快，且不易重燃。
b、SF6氣體的絕緣性能恢復快
SF6氣體的電弧柱，能在電流接近於零點時，還能維持高溫結構。使得弧柱能保持截面小的狀態，電弧的能量就小。電流過零時電弧不會造成電流折斷，在開斷感性小電流時，不會產生高的截流過電壓，使得電流過零後，介質絕緣強度恢復快。
裝有六氟化硫氣體的容器（圖片來源：網絡）
c、有負電性
SF6氣體具有負電性，故此負離子SR-的運動速度比自由 電子低很多，當發生離子碰撞時，與正離子複合成為中性分子的概率高於自由電子，為此可以降低電弧的導電率，使得SF6氣體的滅弧性能比空氣好。
d、SF6氣體的電弧時間常數小
GIS設備的優良開斷性能，與SF6氣體電弧的時間常數小是分不開的。試驗表明，電弧的時間常數只是空氣的百分之一，則其滅弧能力則為空氣的100倍。以上是小電流斷開的結果。在開斷大電流的試驗中，SF6氣體的開斷能力大約為空氣的2~3倍。在開斷相同的電流時，SR氣體吹弧所需要的壓力只有空氣的二分之一到三分之一。電流過零後，介質恢復過程的時間常數，在熱恢復階段，SF6氣體比空氣快一倍。
e、SF6氣體有優良的絕緣性能
在稍不均勻的電場下，SR氣體的絕緣性能比空氣強三倍。
