sf6的特性研究

1、SF6的特性研究,,概述,自 1900 年法國化學(xué)家摩森（ H.Moissan ）和李博 (P.Lebeau) 在實驗室中將硫在氟氣中燃燒以制備六氟化硫（ SF6 ）氣體以來,人們已從中收益非淺。因純六氟化硫(SF6) 氣體的化學(xué)穩(wěn)定性,早期用于進(jìn)行人工氣胸治療肺結(jié)核空洞；同時因其優(yōu)異的絕緣和滅弧性能也倍受人們的關(guān)注。從 1940 年作為絕緣介質(zhì)開始,迄今已被廣泛地應(yīng)用在電力設(shè)備中,如高壓斷路器、變壓器、互感器、電容器、避雷器、接觸器、

2、熔斷器、管道母線等。隨著六氟化硫(SF6) 氣體使用量的增加,范圍的擴(kuò)大,正確的使用和管理六氟化硫(SF6) 氣體,保護(hù)好我們賴以生存的環(huán)境及人身安全等問題被提到了重要的議事日程上來。,ＳＦ6氣體 的特性,一、物理特性： 純凈的ＳＦ6氣體無色、無味、無毒、不燃燒，屬惰性氣體。 在０．０９８ＭＰa壓力下，相對于空氣的比重為５．１９（６．９／１．２９），液化溫度為－６２℃。 其相對密度在氣態(tài)時為 6.16

3、g /cm3(20℃,0.1MPa 時 ) , 是空氣相對密度的 5 倍。 二、化學(xué)特性： ＳＦ6氣體不溶于水和變壓器油， 在溫度低于８００℃時仍然為惰性氣體，不燃燒，在熾熱溫度下也不與氫氣、氧氣、鋁、銅以及其它許多物質(zhì)發(fā)生作用，水、酸、堿也不會使它分解。,ＳＦ6氣體 的特性,三、電力特性：ＳＦ6氣體具有優(yōu)良的絕緣性能，抗電強(qiáng)度在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下（０．０９８ＭＰa）是空氣的２．５倍， 滅弧性能是空氣的１００倍，在0 .1 ＭＰa

4、 壓力時的抗電強(qiáng)度是空氣的3倍，在0.2ＭＰa就與變壓器油相近，是空氣的7—8倍，在0.4ＭＰa時的抗電強(qiáng)度大于絕緣油的60倍（超過空氣的100倍）；并且ＳＦ6氣體中不含氧氣，不存在觸頭等部位的氧化問題；ＳＦ6氣體中也沒有碳元素，使得設(shè)備結(jié)構(gòu)在設(shè)計上比較自由。,ＳＦ6氣體作為絕緣介質(zhì)的缺點(diǎn)：,１）它本身雖無毒，但它的重度大，不易稀釋和擴(kuò)散，是一種窒息性物質(zhì)，在故障泄漏時容易造成工作人員缺氧，中毒窒息。２）ＳＦ6氣體在電場中產(chǎn)生電暈放電

5、時會分解出來ＳＯＦ2（氟化亞硫酰）、ＳＯ2Ｆ2（氟化硫酰）、Ｓ2Ｆ10（十氟化二硫）、ＳＯ2（二氧化硫）、Ｓ2Ｆ2（氟化硫）、ＨＦ（氫氟酸）等近十種低氟化氣體。這些氟、硫化物氣體不但有毒，Ｓ2Ｆ10有劇毒，而且很多還有腐蝕性。如對鋁合金、瓷絕緣子、玻璃環(huán)氧樹脂等絕緣材料，能損壞它們的結(jié)構(gòu)；對人體及呼吸系統(tǒng)有強(qiáng)列的刺激和毒害作用。ＳＦ6 氣體的這些缺點(diǎn)，構(gòu)成了ＳＦ6電氣設(shè)備在安全防護(hù)方面的主要問題。,六氟化硫氣體的危害,六氟化硫(SF6)

6、氣體是目前發(fā)現(xiàn)的六種溫室氣體之一。在高壓電器制造行業(yè)使用著大量的 六氟化硫(SF6) 氣體，由于使用、管理不當(dāng)或沒有按正確的方法對其進(jìn)行回收、再生處理，導(dǎo)致 六氟化硫（SF6）氣體及在高溫電弧作用下產(chǎn)生的有毒分解物排放到大氣中，給人類賴以生存的環(huán)境帶來污染和破壞，同時給電器設(shè)備的正常運(yùn)行和人們身體健康帶來不利影響。,六氟化硫(SF6) 氣體的毒性來源,從有關(guān)部門的試驗及研究結(jié)果可知, 六氟化硫(SF6) 氣體的毒性主要來自 5 個方面。

7、 （ 1 ） 六氟化硫(SF6) 產(chǎn)品不純,出廠時含高毒性的低氟化硫、氟化氫等有毒氣體。大家知道,目前化工行業(yè)制造 六氟化硫(SF6) 氣體的方法主要是采用單質(zhì)硫磺與過量氣態(tài)氟直接化合反應(yīng)而成；即 S+3F2→SF6+Q （放出熱量）。在合成的粗品中含有多種雜質(zhì),其雜質(zhì)的組成和含量因原材料的純度、生產(chǎn)設(shè)備的材質(zhì)、工藝條件等因素的影響而有很大差異,雜質(zhì)總含量可達(dá) 5% 。其組成有硫氟化合物,如： S2F2 、 SF2 、 SF4 、 S

8、2F1O 等；硫氟氧化合物如 SOF2 、 SO2F2 、 SOF4 、 S2F10O 等以及原料中帶入的雜質(zhì)如 HF、 OF2 、 CF4 、 N2 、 O2 等。為了凈化粗品中的雜質(zhì),合成后的 六氟化硫(SF6) 氣體還需要經(jīng)過水洗、堿洗、熱解（去除劇毒的十氟化物）、干燥、吸附、冷凍、蒸餾提純等一系列凈化處理過程才能得到純度在 99.8% 以上的產(chǎn)品。然后再用壓縮機(jī)加壓,充入降溫至 -80 ℃ 左右的鋼瓶中,以液態(tài)形式存在。在使用時

9、減壓放出,呈氣態(tài)沖入電氣設(shè)備中。    除在上面的合成過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)外,另外,在氣體的充裝過程中還可能混入少量的空氣、水分、和礦物油等雜質(zhì),這些雜質(zhì)均帶有或會產(chǎn)生一定的毒性物質(zhì)。因此,為保證六氟化硫(SF6) 產(chǎn)品的純度和質(zhì)量,對出廠的 六氟化硫(SF6) 產(chǎn)品國際電工委員會（ IEC ）及許多國家均制定了質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),并要求生產(chǎn)廠家在供貨時提供生物試驗無毒證明書。,六氟化硫(SF6) 氣體的毒性來源,（ 2 ）電器

10、設(shè)備內(nèi)的 六氟化硫(SF6) 氣體在高溫電弧發(fā)生作用時而產(chǎn)生的某些有毒產(chǎn)物。 例如： SF6 氣體在電弧中的分解和與氧的反應(yīng)： 2SF6  +  O2  →2SOF2  +  8F （氟化亞硫酰） 2SF6  +  O2  →2SOF4  +  4F （四氟化硫酰） SF6  →SF4  +  2F

11、（四氟化硫酰） SF6  →S  +  6F （硫） 2SOF4  +  O2  →2SO2F2  +  4F （氟化硫酰）,六氟化硫(SF6) 氣體的毒性來源,（ 3 ）電器設(shè)備內(nèi)的 六氟化硫(SF6) 氣體及分解物與電極（ Cu － W 合金）及金屬材料（ AL 、 Cu ）反應(yīng)而生成某些有毒產(chǎn)物。 例如： 六氟化硫(SF6) 氣體及分解物與電極或

12、其它材料反應(yīng)： 3F  +  AL  →ALF3 （固態(tài)粉末） 3SOF2  +  AL2O3  →2ALF3 （固態(tài)粉末） +  3SO2SF6  +  Cu  →CuF2( 固態(tài)粉末 )  +  SF6（ 4 ）電器設(shè)備內(nèi)的 六氟化硫(SF6) 氣體分解物與其內(nèi)的水分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成某些有毒產(chǎn)物。,六氟化硫

13、(SF6) 氣體的毒性來源,（4）、六氟化硫(SF6) 氣體分解物與其內(nèi)的水分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成某些有毒產(chǎn)物。 例如： 六氟化硫(SF6) 氣體分解物與水的繼發(fā)性反應(yīng)： SF4  +  H2O  →SOF2  +  2HF （氫氟酸） SOF4  +  H2O  →SO2F2  +  2HF （氫氟酸） SOF2  +&

14、#160; H2O 　 →  SO2  +  2HF （二氧化硫） SO2F2  +  2H2O 　 →  H2SO4  +  2HF （硫酸）,六氟化硫(SF6) 氣體的毒性來源,（ 5 ）電器設(shè)備內(nèi)的 六氟化硫(SF6) 氣體及分解物與絕緣材料反應(yīng)而生成某些有毒產(chǎn)物。如與含有硅成分的環(huán)氧酚醛玻璃絲布板（棒、管）等絕緣件；或以石英砂、玻璃作填料的環(huán)氧樹脂

15、澆注件、模壓件以及瓷瓶、硅橡膠、硅脂等起化學(xué)作用,生成 SiF4 、 Si （ CH3 ） 2F 2 等產(chǎn)物。,六氟化硫(SF6) 氣體的危害,長期以來,由于對 六氟化硫(SF6) 氣體的使用、管理不善、而導(dǎo)致許多有毒的、具有腐蝕性的氣體 和固體分解物被排放到大氣中,不但給我們賴以生存的環(huán)境造成了難以挽救的污染和破壞,同時還危及電器設(shè)備的正常運(yùn)行和人們的身體健康。 1     

16、0;        S2F2              兩只老鼠在 10×1000μg/g 的濃度中, 15min 內(nèi)均死亡,有刺激性。 2       &#

17、160;      SF4              在 19μg/g 的濃度中, 4h 內(nèi)動物的死亡率為 50% ；在 10μg/g 的濃度中停留 1h , 動物會出現(xiàn)呼吸困難的征兆。 3     

18、60;        S2F10        老鼠在 0.1μg/g 的濃度中停留 1h 未發(fā)現(xiàn)有中毒癥狀；在 1μg/g 的濃度中刺 激肺部；在 10μg/g 的濃度中肺部發(fā)生腐爛。,對人及動物的危害,從醫(yī)學(xué)的角度來講,各種分解物氣體及生成物對人體的影響程度不光取決于其毒性的 大小，還與吸入到人

19、體內(nèi)量的大小和每個人的身體素質(zhì)有關(guān)。作為客觀地判斷依據(jù)，日本將每一種動物物質(zhì)的允許濃度設(shè)定為五級。即： A—— 最低致命濃度； B—— 半致命濃度（ 50% 為死亡濃度）； C—— 短時間停留極限，通常為 15min ； D—— 出現(xiàn)毒性反應(yīng)的最低濃度； E—— 為每天 8h ,一周 40h 的正常勞動時間，大多數(shù)人在此濃度下工作，均不會對健康有不良影響。 上海第一醫(yī)學(xué)院在對生產(chǎn)和使用 六氟化硫(SF6) 氣體的兩家企業(yè)的工人

20、進(jìn)行職業(yè)流行病學(xué)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，對健康情況未發(fā)現(xiàn)有明顯的損害。但表現(xiàn)出乏力、記憶力差、咽痛、胸悶的人數(shù)較多。,對環(huán)境的危害,近百年來,地球氣候正經(jīng)歷一次以全球變暖為主要特征的顯著變化。這種全球性的氣候變暖是由自然的氣候波動和人類活動所增強(qiáng)的溫室效應(yīng)共同引起的。減少溫室氣體排放、減緩氣候變化是《聯(lián)合國氣候變化公約》和《京都議定書》的主要目標(biāo),而我國在減少溫室氣體排放方面所面臨的國際壓力越來越大。 溫室效應(yīng)是指大氣中的二氧化碳等氣體能透過

21、太陽短波輻射,使地球表面升溫。同時阻擋地球表面向宇宙空間發(fā)射長波輻射,從而使大氣增溫。由于二氧化碳等氣體的這一作用與 “ 溫室 ” 的作用類似,故稱之為 “ 溫室效應(yīng) ” ,二氧化碳等氣體被稱為 “ 溫室氣體 ” 。,對環(huán)境的危害,目前，發(fā)現(xiàn)人類活動排放的溫室氣體有六種，它們是二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳合物、全氟化碳、六氟化硫，這當(dāng)中氟化物就有三種。其中 CO2 對溫室效應(yīng)影響最大,占 60% ，而 六氟化硫(SF6) 氣體的影響

22、僅占 0.1% ，但 六氟化硫(SF6) 氣體分子對溫室效應(yīng)具有潛在的危害，這是因為 六氟化硫(SF6) 氣體一個分子對溫室效應(yīng)的影響為 CO2 分子的 25000 倍，同時，排放在大氣中的 六氟化硫(SF6) 氣體壽命特長，約 3400 年。每年排放到大氣中的 CO2 氣體約 210 億噸，而每年排放到大氣中的 六氟化硫(SF6) 氣體相當(dāng)于 1.25 億噸 CO2 氣體。,對環(huán)境的危害,現(xiàn)在全球每年生產(chǎn)的大約 8500t 

23、 六氟化硫(SF6) 氣體中，約有一半以上用于電力工業(yè)。而在電力工業(yè)中，高壓開關(guān)設(shè)備約占用氣量的 80% 以上。 因此，合理、正確的使用管理 六氟化硫(SF6) 氣體，減少排放量已到了非整治不可的地步。,六氟化硫(SF6) 氣體的使用現(xiàn)狀及存在的問題,1 環(huán)境保護(hù)意識淡薄目前,尚有相當(dāng)一部分人缺乏環(huán)境保護(hù)知識，對 六氟化硫(SF6) 氣體的理化性能了解不夠，對其給環(huán)境所造成的危害認(rèn)識不深,環(huán)境保護(hù)意識淡薄。在生產(chǎn)、使用 六氟化硫(S

24、F6) 氣體的環(huán)節(jié)中由于使用、管理不當(dāng)所造成的泄露及人為的排放相當(dāng)嚴(yán)重。 2 回收再利用或回收處理的不好    從國內(nèi)的 六氟化硫(SF6) 氣體回收裝置的生產(chǎn)及需求數(shù)量上來看，每年約 70 臺左右。而銷售量最大的還是簡易的抽真空、充氣裝置。目前國內(nèi)還沒有一家生產(chǎn)的 六氟化硫(SF6) 氣體回收裝置可對 六氟化硫(SF6) 氣體進(jìn)行再生處理。,六氟化硫(SF6) 氣體的使用現(xiàn)狀及存在的問題,3 管理制度不到位

25、      對 六氟化硫(SF6) 氣體的使用、管理沒有建立完整的規(guī)章制度。 六氟化硫(SF6) 產(chǎn)品的裝配廠房、檢修間及檢修現(xiàn)場等工作場所均沒有健全的通風(fēng)設(shè)施和監(jiān)控設(shè)備。對長期接觸或短期接觸 六氟化硫(SF6) 氣體的人員在勞動保護(hù)方面欠考慮且沒納入安全生產(chǎn)的管理程序。,預(yù)防措施,對空氣中 六氟化硫(SF6) 氣體及其毒性分解產(chǎn)物的允許含量各國均作了相應(yīng)規(guī)定,其中美國的標(biāo)準(zhǔn)要求，生產(chǎn)車

26、間空氣中 六氟化硫(SF6) 的濃度閾限值為 600mg/m3 ；短期接觸閾限值為750  mg/m3 ；前蘇聯(lián)批準(zhǔn)的生產(chǎn)車間空氣中六氟化硫(SF6) 的最高濃度為 5000  mg/m3 ，因此,建議國內(nèi)生產(chǎn)、使用 六氟化硫(SF6) 氣體的車間空氣中 六氟化硫(SF6) 的最高濃度不超過 6000  mg/m3 。,預(yù)防措施,我國在 GB/T8905-1996 《六氟化硫電氣設(shè)備中氣體管理和檢驗導(dǎo)則》

27、， 1974 《電氣設(shè)備中六氟化硫氣體導(dǎo)則》和 1971 《新六氟化硫氣體的規(guī)范和驗收》中明確規(guī)定,操作間空氣中 六氟化硫(SF6) 氣體濃度極限值為：    空氣中的六氟化硫(SF6) 氣體的允許濃度不大于 1000μL/L，短期接觸時，空氣中 六氟化硫(SF6) 氣體的允許濃度不大于 1250μL/L,預(yù)防措施,減少和控制六氟化硫(SF6) 氣體中的水分含量。     對充以 六

28、氟化硫(SF6) 氣體作為絕緣或滅弧的電氣設(shè)備,為減少和控制其內(nèi)部的水分含量,在產(chǎn)品裝配前,除要將零部件放在相應(yīng)的烘干間內(nèi)進(jìn)行烘干處理外,同時還要求在其內(nèi)部裝設(shè)吸附劑。六氟化硫(SF6) 電器設(shè)備中水分含量的允許值： 隔     室       有電弧分解物的隔室    無電弧分解物的

29、隔室 產(chǎn)品運(yùn)行允許值     ≤300μL/L            1000≤μL/L產(chǎn)品交接驗收值              

30、60;      ≤150μL/L            500≤μL/L,六氟化硫(SF6) 氣體及分解物的回收和處理,在下列四種情況下必須對其內(nèi)的 六氟化硫(SF6) 氣體及分解物進(jìn)行回收或中和處理。 （ 1 ）在新產(chǎn)品開發(fā)時,做過絕緣試驗和開斷試驗的試品；

31、（ 2 ）檢修進(jìn)行過的電器設(shè)備； （ 3 ）處理發(fā)生故障的電器設(shè)備； （ 4 ）淘汰、更換掉的電器設(shè)備。,六氟化硫(SF6) 氣體及分解物進(jìn)行回收時的要求,① 在打開設(shè)備前,必須先回收氣體,并抽真空； ② 對設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行徹底通風(fēng)； ③ 工作人員應(yīng)帶放毒面具和橡皮手套； ④ 將金屬氟化物粉塵集中起來,裝入塑料袋并深埋。對電器設(shè)備內(nèi)的吸附劑和回收裝置可按下列方法進(jìn)行處理： （ a ）按 20ml/g 的比例將吸附劑放入當(dāng)濃度為

32、 IN 的氫氧化鈉溶液中,攪拌浸泡 24h , 將吸附劑內(nèi)部可溶于水和可水解、堿解的 六氟化硫(SF6) 氣體分解物轉(zhuǎn)移到氫氧化鈉溶液中。 （ b ）對浸泡過吸附劑的氫氧化鈉溶液要用當(dāng)量濃度為 0.1N 的硫酸進(jìn)行中和,在溶液 呈中性時,方可排放。 （ c ）對排放后剩余吸附劑及固體物質(zhì)經(jīng)水洗后可作為普通垃圾處理或深埋掉。,關(guān)于代替氣體或混合氣體,目前，還未發(fā)現(xiàn)一種完全代替純六氟化硫(SF6) 氣體的單一替代氣體，從環(huán)保方面考慮

33、，唯一有可能的替代氣體是純 N2 氣體；但要使純 N2 氣體的絕緣強(qiáng)度與純 六氟化硫(SF6) 氣體的絕緣強(qiáng)度等同，須將純 N2 氣體的壓力提高到純 六氟化硫(SF6) 氣體的 3-4 倍。鑒于使用純 N2 氣體的難以操作性，國內(nèi)外的研究人員將目標(biāo)轉(zhuǎn)向 N2/SF6 混合氣體，在純 N2 氣體中混入一定百分比的純 六氟化硫(SF6) 氣體后,發(fā)現(xiàn)可顯著得提高絕緣強(qiáng)度，并接近于純 六氟化硫(SF6) 氣體的絕緣性能。,關(guān)于代替氣體或混合

34、氣體,關(guān)于使用 N2/六氟化硫(SF6) 混合氣體來替代 SF6 氣體的研究很多，雖然可減少純 六氟化硫(SF6) 氣體的使用量，但其應(yīng)用范圍受到限制，如在 GCB （斷路器）和 GIS （封閉組合電器）中使用的絕緣介質(zhì)，不但要求有絕緣性能，還要求有滅弧性能，而 N2/SF6 混合氣體要想獲得與原有設(shè)備同等的性能是極其困難的，要想直接使用是不可能的。西門子公司為解決高寒地區(qū)（ -40 ℃ ）斷路器的使用問題，將 N2/SF6 混合氣體的

35、壓力提高到 0.75MPa （表壓），同時也對滅弧室進(jìn)行了修改。在 GIL （管道母線）中，由于除故障時以外，均無電弧產(chǎn)生，且對絕緣氣體沒有滅弧要求，使采用 N2/SF6 混合氣體成為可能性，在這方面法國、德國已做了嘗試。但由于 N2/SF6 混合氣體的分離回收技術(shù)方面還有一些問題尚待解決，還難以保證 六氟化硫(SF6) 氣體不被排入大氣中，因此，安全、可靠的進(jìn)入實際應(yīng)用階段還需一個過程。,關(guān)于代替氣體或混合氣體,關(guān)于CF4混合氣體的應(yīng)

36、用：在常溫下，四氟化碳是無色、無臭、不燃的可壓縮性氣體，揮發(fā)性較高，是最穩(wěn)定的有機(jī)化合物之一，在900℃時，不與銅、鎳、鎢、鉬反應(yīng)，僅在碳弧溫度下緩慢分解，微溶于水，在25℃及0.1Mpa下其溶解度為0.0015％（重量比），然而與可燃性氣體燃燒時，會分解產(chǎn)生有毒氟化物。應(yīng)用,三種氣體特性對比,關(guān)于代替氣體或混合氣體,四氟化碳是目前微電子工業(yè)中用量最大的等離子燭刻氣體，其高純氣及四氟化碳高純氣配高純氧氣的混合體，可 廣泛應(yīng)用于硅、二氧

37、化硅、氮化硅、磷硅玻璃及鎢薄膜材料的燭刻。在電子器件表面清洗、太陽能電池的生產(chǎn)、激光技術(shù)、氣相絕緣、低溫制冷、泄漏檢驗劑、控制宇宙火箭姿態(tài)、印刷電路生產(chǎn)中的去污劑等方面也大量使用。,結(jié)束語,由于 六氟化硫(SF6) 電氣技術(shù)設(shè)備的大量使用，不可避免地給人類賴以生存環(huán)境帶來污染和破壞，同時也給人們的身體健康帶來不利影響。因此，早在 1992 年國際上就開始研究全球變暖問題，并在 1997 年的京都會議（ COP3 ）上確定了溫室氣體的