SF6气体的热化学特性分析

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：在SF6气体中可以看到很细，亮度很高的电弧，而热区几乎看不到。对电弧时间常数测量的结果表明，在静止SF6气体中为在空气的1/100以下，这与开断能力为空气的100倍以上的情况相一致。这种在SF6气体中极细小的电弧弧芯一直存在到小电流范围的特点，在断路器开断中是非常好的特性，因为它满足了在电流过零时由良导体向绝缘体的急剧变化的要求。

到150°C为止，SF₆是化学惰性，对于在高压断路器中常用的金属、塑料及其他材料不发生化学作用。然而，在大功率电弧引起的高温下，它能分解和游离成各种不同成分，主要是SF₄和SF₂，这些成分以及少量的S₂、F₂、S、F等，在有湿气时对玻璃和金属起腐蚀作用。在图6-19中示出SF₆在温度直至30000K时各部分成分的密度分布，各部分成分与蒸发的金属结合成一种极细的金属氟化物粉末，其电阻很高。因此，断路器的触头表面必须有自洁的性能，以除去在接触面上散布的这种金属氟化物。

SF₆气体的分解温度（2000K）比空气（主要是氮气、分解温度约7000K）的低，而需要的分解能（22.4eV）却比空气（9.7eV）高。因此SF₆分子在分解时吸收的能量多，对弧柱的冷却作用强。由于气体分子的分解，在相应的分解温度上就出现气体热导率的高峰，如图6-20所示。

图6-19 SF₆中各部分成分的密度分布

图6-20 热导率与温度的关系

图6-21示出了SF₆气体在高温下电离形成的电导率增大的关系。从曲线的趋势看，同氮气和空气的情况很相似，在4000～5000K时电导率急剧增大。

设从电弧弧芯向它周围半径方向放出的热量为Q，在静止气体中Q大体上以热传导为基础具有如下式的关系：

式中 λ——导热系数；

dT/dr——电弧半径方向的温度梯度。

可以认为在所考虑的温度范围内，Q沿半径方向大致是定值。

由图6-20和图6-21可知，在SF₆气体中，其电导率急剧增大的温度为4000～5000K，而热导率的尖峰处的温度为2000K左右。因此，呈现出如下的温度分布，即电弧电流几乎全部通过5000K以上的弧芯部分，因λ小，弧芯部分的dT/dr大；在弧芯周围的2000K的热区，因为λ大而dT/dr显著减小。如图6-22所示，中心部的弧芯出现显著的尖峰，周围热区的温度很低，曲线较扁平，电流几乎都集中通过弧芯区。在SF₆气体中可以看到很细，亮度很高的电弧，而热区几乎看不到。因为SF₆对自由电子具有吸引力，所以在热区空间实际上将只有很小的电导或没有电导，然而导热系数却是很高的。因此在SF₆气体中，当电弧电流接近零值时，仅在很细的弧芯上有很高温度，而其周围是非导电层。这样，在电流过零后，电弧间隙介质强度将很快恢复，并超过恢复电压的上升速度。

图6-21 SF₆气体电导率与温度的关系

对于空气与氮气中的电弧来说，其电导率开始增加的温度与导热率开始增加的温度大体上是一致的，因此，无论在弧芯区还是在周围热区其dT/dr都是大致相等的数值，明显地出现截面面积增大而且热区温度相当高，如图6-22所示。

假设电弧热损耗仅由上述热传导产生，则电弧的时间常数与电弧半径的二次方亦即与电弧截面面积成比例。当高温弧芯部的截面面积减小时，它的时间常数也显著减小，当接近电流零值时电弧截面迅速缩小，细小的弧芯一直存在到极小的电流范围。因此，电弧时间常数很小。对电弧时间常数测量的结果表明，在静止SF₆气体中为在空气的1/100以下，这与开断能力为空气的100倍以上的情况相一致。这种在SF₆气体中极细小的电弧弧芯一直存在到小电流范围的特点，在断路器开断中是非常好的特性，因为它满足了在电流过零时由良导体向绝缘体的急剧变化的要求。正是由于这些特点，即使在开断小电流时，电弧弧芯一直持续到电流零值，仍能连续地收缩，这样就不会发生电流的强制开断亦即不产生电流截断，因此，也就很少发生操作过电压。

图6-22 弧柱温度沿半径的分布情况

SF6气体的热化学特性分析

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