SF6气体的压力解析.docx

SF6 气体的压力、体积、物质的量和温度的关系的相关知识标签：电力技术 SF6 低温 闭锁信号 分类： 技术2010-12-27 07:43★六氟化硫，分子式 SF6 ，相对分子质量为 146.06 ，常温常压 下为无色、无味、无毒、无腐蚀性、不燃、不爆炸的气体，密度 约为空气的 5 倍，标准状态下密度为 6.0886kg/ 立方米 . 在低温 和加压情况下呈液态， 冷冻后变成白色固体 升华温度为 -63.9 ℃ , 熔点 -50.8 ℃,临界温度 45.55 ℃，临界压力为 3.759MPa 六氟 化硫具有良好的化学稳定性和热稳定性，卓越的电绝缘性和灭弧 性能★SF6 气体液化温度 :它在一个大气压下 ( 即 0.1MPa) ，液化温 度为 -62 ℃；在 1.2MPa 压力下， 液化温度为 0 ℃；一般充入断 路器的 SF6 气体压力为 0.35 ～0.65MPa 范围( 由充气时的环 境温度具体确定 ) ，其液化温度为 -40 ℃★临界温度是 SF6 气体出现液化的最高温度临界压力表示在这个 温度下出现液化所需的气体压力 SF6 只有在温度高于 45 度以上时才能保持气态，在通常使用条件下，它有液化的可能性，因 此 SF6 不能在低温度和过低压力下使用。

★SF6 的电气强度约为空气的 2 . 5 倍，灭弧能力更高达空气的100 倍以上，所以在超高压和特高压的范畴内，它已完全取代绝 缘油和压缩空气而成为唯一的断路器灭弧媒质★六氟化硫理化特性方面的若干问题气体要作为绝缘媒质应用于 工程实际，不但应具有高电气强度，而且还要具备良好的理今化 特性 sF6 气体是唯一获得广泛应用的强电负性气体的原因即在 于此 .C 下面对 SF6 气体实际应用中的理化特性作一介绍： （一）液化问题现代 sF6 高压断路器的气压在 0 . 7Mpa 左右，而 GIS 中除断 路器外其余部分的充气压力一般不超过 0.45MPa 如果 20 ℃ 时的充气压力为 0 . 75MPa （相当于断路器中常用的工作气压） , 则对应的液化温度约为－ 25 ℃ ，如果 20 ℃ 时的充气压力为 0 . 45MPa ，则对应的液化温度为一 40 ℃，可见一般不存在液化问 题，只有在高寒地区才需要对断路器采用加热措施，或采用 sF6-N2 混合气体来降低液化温度二）毒性分解物纯净的 SF6 几气体是无毒惰性气体， 180 摄氏度以下时它与电 气设备中材料的相容性与氮气相似 . 但 SF6 的分解物有毒，并对 材料有腐蚀作用，因此必须采取措施以保证人身和设备的安全。

二、六氟化硫混合气体1 sF6 气体价格较高2 液化温度不够低3 对电气不均匀度太敏感目前国内外都在研究 SF6 混合气体，以期在某些场合用 SF6 混 合气体来代替 SF6气体.目前已获工业应用的是 sF6 一 N2 混合气体，主要用作高 寒地区断路器的绝缘媒质和灭弧材料，采用的混合比通常为50 % : 50 ％或 60 % : 40 ％从图1㈢和表1可得到S%电器在不同气压下允 午的忌低工作温度及5F&气斥随温度的变化关系2.5100 kg/mv2.060k”m»40k“n?20 kg/m1^lSOkg/m1 l40kg/m?熔 擁点 囲点M-80 -40 0 40温发*/T■dz二SK«J=送北變s£液尸 580图1六氟化嫌的饱和燕汽压曲线★在常压 -63 ℃时，变成无色的固体物质加压时可熔化，其三 相点参数为： t ＝ -50.8 ℃,p ＝0.23MPa 六氟化硫的临界压力和临界温度都很高，临界压力 3.9MPa ，临 界温度为 45.6 ℃在临界压力和临界温度下六氟化硫气体的密度 是 7.3g/L 在 3.9MPa 以上的压力， 无论多么高，它的液化温度都是 45.6 ℃， 是一条直线。

因此，临界温度是液化的最高温度，而临界压力是 液化的最小压力六氟化硫的熔点，其参数为 TM= －50.8 ℃， PM=0.23 MPa ， 这点是气、液、固三相共存状态 B 点为六氟化硫沸点， TB= － 63.8 ℃，饱和蒸汽压等于 0.1 MPa ★许多气体在通常情况下，可视为理想气体，它们的状态参数之间存在简单的关系，即理想气体状态方程式：pV=mRT/M=nRT式中： m —— 气体质量， gP—— 气体压强， MPaT—— 温度， KV—— 气体体积， LM —— 气体摩尔质量， g/mol R—— 摩尔气体常数（ =0.0082MPa ·L/ （ K·mol ）） 从数学上说，当一个方程中只含有 1 个未知量时，就可以计算出 这个未知量因此，在压强、体积、温度和所含物质的量这 4 个 量中，只要知道其中的 3 个量即可算出第四个量这个方程根据 需要计算的目标不同，可以转换为下面 4 个等效的公式：求压力： p=nRT/v求体积： v=nRT/p求所含物质的量： n=pv/RT求温度： T=pv/nR根据气体状态方程可以推断气体状态变化时各参数之间的关系 例如气体在等温压缩（或等温膨胀）时，压力与密度成正比。

★当压力高于 0.3~0.5 MPa 时，由于六氟化硫分子 间 压力与密度变化关系 （t=20 ℃ ） 吸引力随密度增大即分子间距离的减小而愈益显著1 —按理想气体变化 实际的气体压力变化特性，与按理想气体变化定律2 — 六氟化硫气体压力变化 推导出来的各种关系式用来计算六氟化硫参数会产生较大误差在实际使用中，为较准确地计算六氟化硫的状态参数常采用经验公式，下面的公式是比较实用的P=56.2*10^- 6* γ *T*(1+B) -γ ^2*AA=74.9*10^-6*(1-0.727*10^- 3* γ)B=2.51*10^- 3* γ *(1-0.846*10^- 3* γ)其中， P 為 SF6 氣體的壓力 MPaγ為氣體的密度 kg/m^3T 為氣體的溫度 KT=t+273.15★六氟化硫气体状态参数曲线的应用 应用状态参数曲线图可以较方便地计算六氟化硫的状态参数，以 及求取液化或固化的温度1. 计算断路器内六氟化硫气体的充气体积 例如，某六氟化硫断路器， 在 20 ℃时工作压力为 0.45 MPa ，（表 压），六氟化硫气体充装量为 31kg ，求断路器内部充气体积在 20 ℃时工作压力 0.45 MPa ，则绝对压力为 0.55 MPa ，由 20 ℃， 0.55 MPa 压力，查得图 1-4 歇直线簇中工作点 S，估算 这条经过 S 点的平行于斜直线簇的斜线的密度是 35kg/ m3 则六氟化硫断路器的充气体积为： 31/35=0.886 m3 。

2. 求六氟化硫断路器内部充气压力随外界温度变化而变化的允许 范围例如，在 20 ℃时，上述充气工作压力为 0.45 MPa ，绝对压力为 0.55 MPa 的六氟化硫断路器 在环境温度升至 30 ℃， 若保持密 度=35 kg/ m3 不变，沿此斜线在图 1-4 的 S 点右侧查得 30 ℃ 时，绝对压力为 0.58 MPa ，工作压力则为 0.48MPa 而在温度 降至－ 10 ℃时，沿密度 =35 kg/ m3 斜线可以在 S 点左侧查出 -10 ℃时，绝对压力为 0.49 Mpa ，工作压力为 0.39MPa 结果 表明，外界温度在－ 10 ℃到 30 ℃之间变化时，六氟化硫断路器的工作压力可以在 0.39 MPa 到 0.48 MPa 之间变化 （ 20 ℃时 充气压力 0.45 MPa ）3. 了解不同工作 压力下六氟化硫气体液化时的温度 上例中的六氟化硫断路器， 20 ℃时工作压力 0.45 MPa ，密度 =35 kg/ m3 ，工作点 S，过 S 点的斜线交与 AMB 曲线于 T 点， 此点温度 t= －33 ℃，相应的工作压力为 0.35 MPa 即此断路器 中六氟化硫气体，在－ 33 ℃时开始液化。

T 点表示温度下降而出 现凝结的液化点六氟化硫气体一旦开始液化，随温度继续下降，六氟化硫气体不 断凝结成液体，气体的密度不再保持常数而是不断减小，而且气 体的压力下降得更快温度降到液化点并不表示全部气体立刻被 凝结成液体，只是凝结的开始但当温度继续降低，气体的压力、 密度下降更快时，六氟化硫气体的绝缘、灭弧性能都迅速下降， 所以六氟化硫断路器不允许工作温度低于液化点从曲线 AMB 可以看出，六氟化硫断路器工作压力（指表压）越 高，液化温度越高液化温度与断路器的工作压力有关若按液 化温度不高与－ 20 ℃计算，相应的在 20 ℃时的绝对压力不应高 与 0.82 MPa ，工作压力（表压）不应高于 0.72 MPa 断路器工作压力很低时，温度下降时可能不出现液化而直接凝成 固体★可知 SF6 型断路器的使用环境条件为 -30 ℃～ +40 ℃，额定压 力 0.45MPa ，闭锁压力 0.4MPa ，分析结果也可以用玻义耳 - 马 略特气体状态方程 PV/T=P1V1/T1 进行计算验证其中： P 为 压力； V 为体积； T 为温度 ( 绝对温度 ) ；P1 为变化后压力； V1 为变化后体积； T1 为变化后温度。

当体积不变， SF6 气体压 力随着温度的变化而变化，可计算出 LW8-35 型断路器的 SF6 气体压力变化值，将参数代入式中得：P1=P × T1/T0.45MPa ×(273 ℃-39 ℃)/(273 ℃+20 ℃ )=0.36MPa 当 SF6 气体温度由 20 ℃变至 -39 ℃时，SF6 气体压力由 0.45MPa 变至 0.36MPa ，已经低于闭锁压力 0.4MPa 了学习心得 ：1 、六氟化硫的绝缘和灭弧性能主要取决于它的纯度和密度 而与 压力无关2 、当前大部分六氟化硫开关的气体状态监测装置多为 “气体密度 表”，其实，它反映的是 “折算至 20 ℃时，开关内气体的压力 Mpa” ， 而不是当前桶内的真实压力它由当前开关内压力的传感装置和 双金属带构成的温度补偿装置联合构成3 、“开关的充气压力 ”开“关铭牌上的额定压力 ”等平时呼称的压力 均指 “气体密度表的指示压力 ”其实，它是开关内的气体绝对压力与外界大气压的差值 因此，将气体密度表的指示压力 （简称 ,表压?”或称 “工作压力 ”）加上外界大气压力才是开关内的绝对压力4 、气体的绝对压力指 “气体对容器壁的正交压力 ”。

5 、1 标准大气压 （atm） ＝ 101325Pa1 工程大气压（ ata ）＝ 98000Pa1Bar=100000Pa6 、开关内由于液化造成的气体密度减小和气体泄露对气体的绝缘 和灭弧性能的影响是完全一样的所以，当发生由于液化造成的 气体密度的确切减小而使得开关发出 “闭锁信号 ”时，不应该人为 解除闭锁7 、对于由于气体密度表的测量温度范围不适应现场实际要求的， 应更换适宜的密度表 比如， 密度表的标称的温度范围是－ 20 至40 度，而开关安装地的实际温度范围可能是－ 35 至 45 度，这 样，在极端情况下，密度表将不能真实的反映气体的密度总之， 就是要使得密度表的温度范围能涵盖实际可能的环境温度8 、为了能够让极低温下的六氟化硫开关得以安全运行， 有两种切 实可行的办法：A 在开关底部对开关桶进行加热；有的地区采用的这种办法， 效果不错。