关于SF6气体电气设备中的水分分析探讨

摘 要：SF6高压电器设备在电力系统中广泛应用，文章通过阐述水分对SF6断路器的危害，分析SF6气体含水量原因以及水分含量与环境温度的关系，探讨断路器安装、运行过程中控制SF6气体水分含量的方法。以保证此类设备的安全可靠运行。

关键词：SF6气体； 水分；电气设备

0 前言

SF6在常温常压下是一种无色、无臭、无毒、不燃、无腐蚀性的气体，气体密度6.139 g/L，其化学稳定性强，500 ℃～600 ℃不分解，和酸、碱、盐、氨、水等不反应，在电弧作用下分解为 S 和 F 的原子气，但电弧一旦解除，便在 10-5s～10-6s内复合成SF6。SF6具有良好的电气绝缘性能及优异的灭弧性能，其耐电强度为同一压力下氮气的 2.5 倍，击穿电压是空气的2.5 倍，灭弧能力是空气的 100 倍，是一种优于空气和绝缘油的新一代超高压绝缘介质，SF6气体在电力系统中得到广泛应用，几乎成为高压、超高压断路器和全封闭组合电器（GIS）中唯一的绝缘和灭弧介质。

SF6气体中危害最大的杂质是水分，水分越高对设备的绝缘性能影响越大。随着高电压、大容量电网的快速发展，SF6电气设备的应用越来越广泛，因此必须对SF6电气设备中气体水分含量进行严格控制，这样才能提高SF6设备的可靠性。

1 SF6电气设备中水分的危害

水分是 SF6气体中危害性最大的杂质，水分含量过高会危及电气设备的安全运行。

1.1 影响气体分解物的生成电气设备中的 SF6气体在电弧作用下会产生分解气体，这些分解气体与电气设备中存留的水分、空气等杂质发生化学反应，生成某些有毒、有害气体，如四氟化硫（SF4）、氟化亚硫酰（SOF2）、四氟化硫酰（SO F4）、氟化硫酰（SO2F2）等，这些气体不但有毒，而且会与水发生如图 1 所示的化学反应。

M-某金属；MFn-代表M的化合物

图1 放电使SF6气体分解

1.2 使材料腐蚀，导致机械操作失灵

SF6气体中的微量水分在电弧作用下会参与SF6气体的分解反应，生成腐蚀性强酸：

SF6+ H2O SO2+ HF

SO2+ H2O H2SO3

氢氟酸和亚硫酸都具有较强的腐蚀性，会对电气设备造成严重腐蚀，特别是 HF，它还能与设备中的瓷件、含 SiO2零部件及环氧树脂浇铸件发生反应，腐蚀其表面并产生水分：

HF + SiO2 SiF4+ H2O

SiF4+ HF H2SiF4

1.3 在电气设备内部结露

SF6气体中的微量水分虽然对SF6气体本身的绝缘强度影响不大，但水分在低温下会在固体绝缘材料表面凝露，使沿面闪络电压急剧下降，从而导致事故。

1.4 使低氟化物和金属氟化物发生水解产生毒性物质

SF6气体中的水分，会加剧低氟化物的水解。SF6在 5000 ℃以上高温电弧作用下可分解成原子态S和F。电弧熄灭后，S、F原子重新又结合成SF6，但其中仍有一部分结合不完全而生成低氟化物，它本身是毒性物质，由于水分的存在，低氟化物可进一步水解生成剧毒的氟化亚硫酰。SF6气体中水分含量增加，会加速上述反应。

SF6 S +F

S +F SF4+ F2

SF4+ H2O SOF2+ HF

在 SF6被电弧分解成原子态的 S、F 的同时，电气设备触头蒸发出大量的金属铜和钨蒸汽，该蒸汽与 SF6在高温下会发生反应，生成金属氟化物CuF2、WO3和低氟化物 SF4，而金属氟化物又可发生水解产生 HF。

SF6+ W + Cu WF6+ CuF2+ SF2+ S2F2

WF6+ H2O WO3+ HF

而且生成的 CuF2和 WO3还会在设备内以粉末形式产生沉积。

2 SF6电气设备中的水分的来源

2.1 内部产生SF6

设备在制造厂装配过程中吸收了过量的水分，例如，一些绝缘件（如环氧树脂支撑件、拉杆

等）在加工过程中吸附水分，如果烘干不彻底会在运行中随着温度升高逐渐释放出来。

2.2 外部侵入

SF6设备中气体的压力虽然比大气压力大，但是空气中的水分仍会通过设备的密封不良处或密封薄弱处缓慢地渗透到设备内部（特别是雨天或潮湿季节），这是由于浓差作用，SF6设备内部的水分分压力远小于大气中的水分分压力所致。

2.3 SF6新气中含有的水分

SF6气体在生产过程中经过一系列工艺，必然会有水分混入 SF6气体中。此外当 SF6新气在储存过程中若放置时间过长，而钢瓶又密封不严时，空气中的水分也会浸入 SF6气体中导致 SF6气体中水分含量的升高。

2.4 充装 SF6气体时带来的水分

SF6电气设备在出厂的时候气室内带有一定压力的 SF6气体，现场安装完毕后，直接将合格的SF6新气补充到额定压力，这一过程需要一系列的管道及接头，若气密性不好，极易使空气中的水分随气流带入设备中。

2.5 密封件老化引起的水分子渗透

SF6设备中的气体密封件老化，造成密封不严，空气中的水汽分子也会渗透进SF6气体中。

3 环境温度对 SF6气体水分含量的影响

一年中，夏天和冬天对同一SF6断路器中 SF6气体水分进行检测，冬天和夏天测定的水分差距是由于 SF6电气设备中的水分不仅是存在于SF6气体中，绝缘件、吸附剂及导体表面也吸附部分水分。气体绝缘断路器中的水分在两者之间的分配取决于温度的变化。温度对 SF6气体含水量影响主要存在以下几个方面。

3.1 材料的影响

SF6电气设备内部固体绝缘材料及外壳，在温度高的时候，释放渗透在材料内部的水分，使气体中的水分随温度升高而增大。在温度降低时，气体中的水分又较多地吸附在外壳及绝缘材料表面，而使气体中的水分含量减少。

3.2 吸附剂的影响

SF6电气设备气室中的水蒸汽分子大部分是被吸附剂所吸附的，SF6气体中残余的水汽分子是处于吸附与释放的平衡状态，这种平衡状态与温度有关。因此，当温度升高，气室中相对湿度降低，吸附剂吸附水汽的能力降低，吸附剂会释放出已吸附的水汽来平衡因温度升高而使相对湿度降低的变化。而在温度降低时，气室中相对湿度升高，吸附剂吸附水汽分子能力增强，吸附剂又会吸收SF6气体中的水汽分子。

4 控制 SF6电气设备中水分的措施

（1）不同的 SF6电气设备水分有着不同的要求，如下表：

表 2某电力设备预防性试验实施规程中SF6电气设备20 ℃时湿度要求（μL/L）

（2）SF6电气设备为减少和控制其内部的水分含量，要求 SF6电气设备厂家对其工艺严格要求，在产品装配前，要将零部件放在相应的烘干间内进行烘干处理。

（3）SF6电气设备的气室内部装设适当的吸附剂，常用的吸附剂有活性氧化铝和分子筛两种，由于它们的吸附性不同，可将两种吸附剂混合使用，吸附剂应放置在气流通道或容器的上方，用量为SF6气体总量的 10 %左右。正确使用吸附剂，不但可吸收SF6气体中的水分及 SF6气体分解物，减少SF6气体中水分含量及分解物的产生与排放，还能提高电器设备的绝缘性能和开断性能。

（4）SF6电气设备在出厂时，其气室内带有一定正压的 SF6气体，主要为防止在运送途中和安装过程中，空气中的其它气体和水分渗入气室内。出厂时要确保气室中 SF6气体的水分含量在合格范围内。

（5）SF6电气设备充气，不需要 SF6设备停电，在补气过程中要注意以下几点：

①充入的气体首先要经过检验合格。充气管道要有严格的气密性，最好抽真空，条件不允许情况下也要用合格的SF6气体冲洗管道 2～3 次。

②环境湿度对 SF6水分有影响，但操作过程要注意充气接口的清洁，湿度较高的情况下可用电热吹风对接口处进行干燥。

③充气前，最好调节充气压力与设备内SF6气体的压力基本一致，再接入充气接口，充气压差应小于100 kPa 为佳，禁止不经减压阀而直接用高压充气。

④充入设备内的气体压力应稍高于规定压力，以补充今后气体湿度测量所消耗的气体量，补充气的重量也要做好记录，便于统计分析。

（6）如果 SF6电气设备内部水分不合格，通常是按照一定程序采取对开关设备内部抽真空，充高纯氮（99．999 ％）清洗，放掉氮气，再抽真空的方法进行处理，一般要求真空度低于 133×10-6MPa，必要时候要更换吸附剂。

5结语

电气设备中SF6气体的水分含量过高时，不仅会使分解产物发生水解反应产生有毒物质，还影响设备的安全运行，所以按规程对SF6气体中的水分进行测试不仅能掌握设备运行状况，而且能及时发现事故隐患，有力地保障设备的安全运行。

参考文献：

［1］ 朱芳菲，孟玉婵，郑铉．六氟化硫气体分析技术．兵器工业出版社，1998.

［2］ 罗运柏.绝缘与材料化学.武汉大学出版社，2005.

［3］ 汪红梅.电力用油（气）.北京：化学工业出版社，2008.

［4］ 陈家斌.SF6断路器实用技术.中国水利水电出版社，2008.

［5］ 李文琦.六氟化硫断路器中SF6气体含水量分析和对策.能源与环境.2008.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。