浅析SF6气体、氮气（N2）作为气体绝缘中压开关设备绝缘气体的优和劣张志健

浅析SF6气体、氮气（N2）作为气体绝缘中压开关设备绝缘气体的优和劣张志健

张志健

（苏州朗格电气有限公司苏州市215144）

摘要：SF6气体的地球温室效因系数是CO2的23900倍，是最强的温室气体，SF6是除高压和中压开关设备以外，禁止使用的物质之一。但由于其优良的绝缘性能和灭弧能力仍被青睐有加。但是好的消息是现在已有诸如苏州朗格电气有限公司等企业已研制开发出了纯氮气（N2）绝缘的开关设备（LNS系列，LNV系列），并已推广运行，这在气体绝缘开关设备领域迈出了崭新的一步。但是这一技术发展还需相关从业人员坚持开拓创新的精神，加大科技研发创新力度，促进我国气体绝缘开关柜设备健康有序发展，为人类的生活创造一个绿色、节能、环保的良好环境。

关键词：气体绝缘；中压开关设备；SF6；N2

1导言

由于目前全球变暖已提升到政治议程，人类开始愈加关注周围环境变化所带来的影响，全球政治决策者们正在寻找减少排放温室气体的办法。1977年，在日本京都召开的防止全球气候变暖会议中将SF6列为产生地球温室效应的气体之一，也在被削减之列。正如在京都议定书中描述的那样，尽管在全球范围内，有许多适当的政策来减少CO2的排放，但这些政策的实施似乎变得更加复杂和旷日持久。CO2排放与能源消耗密切相关，鉴此，也与一个国家的经济发展发展密切相关。通过减少无碳温室气体的排放（如SF6）可以实现快速的效果，特别是当采用代替性的工艺和技术，且当这些措施的增加成本比较低廉时。（例如，有的研究研究数字表明SF6排放量约仅占所有产生温室效因气体总量的2%），但从使地球变暖的辐射强度这一参数来分析，SF6的数值竟是CO2的25000倍，它的地球温室效应系数是CO2的23900倍，此外，还因其极强的化学稳定性，在大气中的寿命可长达3400年，以致温室效应持续时间特别长。因此，对SF6气体绝缘开关柜而言，如何降低SF6气体的使用量，同时寻求能够切底代替SF6的其他气体，已成为了近年来一项重要的研究课题。

2SF6气体的优和略

2.1SF6气体物理及化学性能

纯净的六氟化硫（SF6）是一种无色、无嗅、基本无毒、不燃烧、不助燃、无腐蚀性的人工合成的卤素化合物，微溶于水、乙醇、乙醚，是性能非常稳定的惰性气体。可溶于氢氧化钾。不与氢氧化钠、液氨、盐酸及水起化学的反应。在标准状态下比空气重约5.1（6.16/1.21）倍，热传导率随温度变化的特性对电弧的熄灭非常有利，热特性方面，300℃以下干燥环境中与铜、银、铁、铝不反应，因此其常用于A级、B级绝缘。

2.2SF6气体的电气特性

六氟化硫（SF6）为什么具有如此良好的电气绝缘性能及优异的灭弧性能呢？

1)SF6是负电性气体，负电性气体常具有高的绝缘能力（由于在电子碰撞之际，负电性气体分子有“吸收电子能量”和“使电子附着而消灭电子”这两个作用的原故），而且SF6也是这些负电性气体中稳定性最好的。

2)SF6突出的灭弧能力是由于SF6气体能大量吸收电弧能量，使得电弧收缩，即使电弧驱动驱动速度慢，冷却效果也依然很好。

在一个大气压下，SF6气体的耐电强度为氮气的2.5倍，击穿电压是空气的2.5倍，灭弧能力是空气的100倍，所以其被大量的应用在如：断路器、高压开关、大容量变压器、气封闭组合电容器、高压传输线、互感器等设备中，同时SF6也用作运动鞋、网球、气体轮胎和双层玻璃的充气和绝缘气体。电子级高纯度SF6是一种理想的电子蚀刻剂，在医疗设备、国防工业、半导体生产等微电子技术领域被大量应用。

2.3SF6气体对环境和和人类健康的影响

纯净的SF6气体是无毒的。但在其生产过程中会有混杂少量伴随的生成物，如氟化硫（S2F2）、四氟化硫(SF4)、氟化亚硫酰(SOF2)、二氟化硫(SF2)、氟化氢（HF）、十氟化二硫（S2F10）其中十氟化二硫是公认的剧毒物质。纯净的SF6气体虽然无毒，但在工作场所要防止因SF6气体的浓度上升而导致缺氧，SF6气体的密度大约是空气的五倍，浓度过大会出现使人窒息的危险，设计户内通风装置时要考虑到这一情况。SF6气体通过对流能与空气混合，但速度很慢。气体一旦混合后就形成SF6和空气的混合气体，不会再次分离。

虽然六氟化硫本身对人体无毒、无害，但它却是一种温室效应气体，其单分子的温室效应是二氧化碳的2.5万倍，是《京都议定书》中被禁止排放的6种温室气体之一。

根据IPCC提出的诸多温室气体的GWP（全球变暖潜能）指标，六氟化硫的GWP值最大，500年的GWP值为32400，且由于六氟化硫高度的化学稳定性，其在大气中存留时间可长达3400年。现今,每年排放到大气中的CO2气体约210亿多吨，而每年排放到大气中的六氟化硫(SF6)气体相当于1.25亿t吨CO2气体。

全球每年生产的大约8500t六氟化硫(SF6)气体中,约有一半以上用于电力工业。而在电力工业中,高压开关设备的用气量约占80%以上，其中中压开关的用气量约占1/10。

六氟化硫气体的毒性主要来自5个方面。

1)电器设备中的六氟化硫气体在电弧作用下时会产生一些毒性不同的有毒产物。

2)六氟化硫产品不纯，出厂时含高毒性的低氟化硫、氟化氢等有毒气体。

3)电器设备内的六氟化硫气体及分解物与电极（Cu－W合金）及金属材料（AL、Cu）反应而生成某些有毒产物。

4)电器设备内的六氟化硫气体分解物与其内的水分发生化学反应而生成某些有毒产物。

5)电器设备内的六氟化硫气体及分解物与绝缘材料反应而生成某些有毒产物。如与含有硅成分的环氧酚醛玻璃丝布板（棒、管）等绝缘件；以及以石英砂、作填料的环氧树脂浇注件、模压件以及与瓷瓶、硅橡胶、硅脂等发生化学反应，生成SiF4、Si（CH3）2F2等产物。

3氮气（N2）的优和略

3.1氮气（N2）的物理及化学性能

氮气在常况下是一种无色无味的气体，占空气体积分数约78%（氧气约21%），1体积水中大约只溶解0.02体积的氮气。氮气是难液化的气体。不能燃烧，也不支持燃烧，不易溶于水（微溶）。由于氮分子中三键键能很大，不容易被破坏，因此其化学性质也十分稳定。

3.2氮气（N2）的电气特性

纯氮作为绝缘气体符合环保要求，但其由于不是负电性介质，绝

缘强度只有SF6气体的1/2---1/3。如果要想达到柜体充SF6的技术指标，柜体充氮气（N2）的压力必须是SF6气体的3---4倍，这就要求充氮气的柜体在结构上加以改革，是其结构更适合高压力的强度需求。

3.3氮气（N2）对环境和人类健康的影响

氮气在空气中的含量高达78.12%（体积分数），是空气的主要组成部分，所以只要不是大量接触高纯度的氮气，对人体来说是没有任何伤害的，对于环境来说，人们可以直接将废气直接排入大气，从而节省了由于环境污染而需要废气回收的成本。

4结语

综上述，SF6气体虽然具有优良的绝缘性能和灭弧能力，但是其危害也同样巨大和严重，企业在追求经济效益的同时更应关乎和环境的和谐发展，盲目的追求经济利益而忽略环境健康会使其付出几倍与眼前利益的代价；科学技术不是停滞不前的，科研者也不会在现有的成果上睡大觉。SF6气体在其他领域已被禁用，而对于高压和中压开关设备中例外，原因是没有可替代产品；至少就目前而言，就中压开关设备领域中不是这样的。目前基于氮气（N2）绝缘技术的中压开关领域的产品在技术上是可行的，且也已有相关的产品进入商业市场，这将给电力行业带来崭新的辉煌。

参考文献

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