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如果您是从事电力高压工作的小伙伴，可能会接触到GIS。这三个字母是气体绝缘全封闭组合电器的英文缩写。也可以叫做“SF6全封闭组合电器”。这是为什么呢？
原来，如果在GIS设备内部充有SF6气体，那可以实现导体对外壳、相间以及断口间的可靠绝缘。
那么，SF6气体究竟是什么？它又为什么具有良好的绝缘性能和灭弧性能呢？本文笔者就来带你揭开它的神秘面纱。
GIS（图片来源：网络）
一、SF6气体的基本特性SF6气体是目前最优良的绝缘介质和灭弧介质，其绝缘和灭弧性能要比绝缘油好得多。
它的分子结构是：六个氟原子处在顶点位置，硫原子处在中心位置，以共价键结合、完全对称的正八面体结构。
SF6气体的分子结构（图片来源：网络）
物理特性：无色、无味、无嗅、无毒、不燃烧，临界温度是45.6℃；难溶于水，在部分有机溶剂中的溶解度比较高。
化学性能：很稳定。常温甚至电气设备最高允许温度150℃内，一般不会发生化学反应。150℃以上，与塑料发生微弱化学反应，200℃以上和铜铝慢慢反应，500℃自身开始分解。
导热性：热传导性差，导热系数只有空气的2/3，但表面传热系数为15，是空气的2.5倍，综合来说，其散热性比空气要好。
下表为SF6的一些性能参数：
SF6气体的一些参数（图片来源：网络）
负电性：分子容易吸收自由电子形成负离子的特性。因为F最外层为7个电子，很容易吸收一个电子成为稳定的8个电子。
灭弧原理：SF6负电性形成负离子，与电弧中正离子结合，使电弧中带点离子迅速减少，提高了电弧的击穿电压，使电弧很快恢复。
制造方法：S 3F2→SF6 Q（放热），合成粗品经过水洗、碱洗、热解、用吸附剂吸净等一系列净化处理，装入钢瓶液态运输。
GIS设备安装完毕后，还要除去各种杂质和水分。其标准是由国际电工委员会（IEC）和各国制定。
下表为某些元素的电子亲和能：
某些元素的电子亲和能（图片来源：网络）
二、SF6气体的状态参数由于SF6气体分子质量大，用P=RT这个公式来计算温度、压力、密度三个状态参数偏差是很大的。
但可以根据下面的曲线图，求出S（升华点）、T（熔点）、K（临界点）三个参数。
SF6气体曲线图1（图片来源：网络）
SF6气体液化温度与密度值有关，只要SF6气体的密度不变，则其液化温度也不变。每条密度线与分界线的交点，就是SF6气体的液化点，从而可得到这一密度下的液化温度。
T不变，P↑，液化温度↑，因此压力不能太高。
SF6气体的温度太低也容易液化，所以在寒冷地区，GIS要采取保温措施。
SF6气体状态参数特性曲线图（图片来源：网络）
三、SF6气体分解物的毒性和其他性质注意：SF6气体本身是无毒的。但分子质量大，有窒息的作用。
以下为SF6自分解和灭弧的化学方程式：
SF6自分解和灭弧的化学方程式（图片来源：网络）
影响SF6气体分解过程的主要因素有：
弧能量的影响：能量增多，SF6气体分解物含量也増大；
电极材料的影响：分解物含量取决于电极材料的金属蒸发量，铜、银影响较小；
水分的影响：含水量的多少，对电弧分解物组成的含量有极大影响。
绝缘材料的影响：理想材料是聚四氟乙烯。实际用环氧树脂多，运行中会释放水分和氧气。
氧气的影响：如下图所示：
氧气对SF6气体分解的影响（图片来源：网络）
电弧作用下SF6分解物的性质如下：
SF4性质：无色、刺激味、易溶于苯、有毒；性能稳定，与水、碱反应；
S2F4性质：无色、有溴味、有毒；与碱、钠、水反应，能使橡胶硫化；
SF2性质：有毒；化学性能极不稳定，可用碱、活性氧化铝吸收；
S2F10性质：无色、易挥发、有毒；性能稳定，不溶于水、碱液中；
SOF2性质：无色、刺激性、有毒；性能稳定，有很高的电击穿稳定性；
SO2F2性质：无嗅无味、有毒；性能稳定，易溶于甲苯和四氯化碳；
SOF4性质：无色、刺激性、有毒；可与水反应。
四氟化硫的分子结构式（图片来源：网络）
四、GIS设备中的水分4.1 产生原因
（1）GIS设备在制造、运输、安装、检修过程中都可能会接触水分；
（2）GIS设备的绝缘件带有少量水分；
（3）GIS吸附剂本身含有水分；
（4）SF6气体含有水分；
（5）水分子直径远小于SF6气体分子直径，水分子可以钻进去。
4.2 SF6气体中含水量单位及其换算
（1）体积浓度单位：气体与气体中水分的体积之比（PPMV）；
（2）质量浓度单位：1g气体中含有1μg水蒸气，叫做1PPMW；
（3）SF6气体中体积比与质量比的换算：体积比/（146/18）=质量比；
（4）环境温度升高，SF6气体中的水分也增高；环境湿度增大，SF6气体中的水分也增大。
下图为不同介质下水分含量与环境温度的变化关系图：
不同介质下水分含量与环境温度的变化关系图（图片来源：网络）
4.3 水分对GIS设备的危害性
水分会引起设备的化学腐蚀。在GIS设备上，除了腐蚀，还会在绝缘件表面形成凝结水，附在绝缘件表面，造成沿面闪络。但当压力和温度达到一定值时，水蒸气变成冰，对绝缘件危害大大减小。
4.4 GIS中水分的控制
严格控制新的SF6气体含水量；
改善GIS设备密封材料的质量，严格遵守安装密封环的工艺规程；
在GIS设备中放置吸附剂；
GIS设备尽量使用室内式布置，可控制室内湿度、温度、减少产生水分的机会，避免灰尘和其他杂质侵入。
SF6气体设备（图片来源：网络）
五、GIS设备中的吸附剂SF6气体中的水分和有毒气体，都可以用吸附剂来吸收。
有以下几种吸附剂：活性炭、活性氧化铝、烧碱、石灰、分子筛。
活性炭：吸附能力强，但选择性差，能吸附SF6，因此不能用于GIS；
活性氧化铝：不吸收SF6，可吸收大部分分解物，有较好的选择性，是GIS设备较为理想的吸附剂；
活性炭可吸附SF6气体（图片来源：摄图新视界）
烧碱：可吸附大部分分解物，吸附能力较好，和氧化铝相似；
石灰：吸附SO2F2能力好，但是吸附S2F10较差；
分子筛：对SO2吸附能力好，不太理想的吸附剂。
烧碱吸附SF6气体分解物的能力较好（图片来源：网络）
六、SF6气体杂质的检测SF6气体中的杂质和水分的含量是很微小的，但是其危害很大，它足以改变SF6气体的性能。因此一定要严格检测。检测方法有以下几种：
1、水分的测定方法：重量法、电解法、露点法。
2、空气和四氟化碳的测定方法：用气象色谱法测量。
3、矿物油的测定方法：用红外分光光度计进行测定。
4、游离酸的测定方法：用标准碱吸收SF6气体中的酸，然后用标准酸来反滴过量碱的酸碱中和滴定法。
5、可水解氟化物的测定方法：用比色分光光度分析法和氟离子选择电极等2种方法。
SF6气体瓶（图片来源：网络）
七、SF6气体的绝缘特性1、均匀电场下气体的击穿特性：
游离：宇宙射线照射下，原子吸收能量，最外层电子脱离原子核束缚，变为自由电子，中性原子变成正离子。
复合：正离子遇到自由电子，把它吸附到最外层变为中性原子，放出能量。
间隙被击穿：随着电压升高，电子碰撞产生更多自由电子，最终在间隙中变成了等离子体，使间隙完全失去了绝缘性能，变为导体了。
自持放电：间隙一旦击穿，外界游离因素可以取消，本身游离维持能量。
2、极不均匀电场下气体的击穿特性（棒--板电级）：
电晕放电：随着电压升高，棒电极周围气体达到自持放电，周围发生电晕。
间隙被击穿：随着电压升高，电晕放电继续扩大，直到间隙被击穿。
极性效应：正棒--负板，电晕起始电压高，击穿电压较低；
负棒--正板，电晕起始电压低，击穿电压较高。
气体介质中电流和电压的关系图（图片来源：网络）
3、稍不均匀电场下气体的击穿特性：
稍不均匀的电场的击穿场强，介于均匀电场和不均匀电场之间，电场越均匀，击穿场强越高。因此，安装GIS设备时，不要破坏电场均匀性。
4、SF6气体的击穿特性：
与空气的击穿特性相似，但是SF6气体有很强的负电性，很容易吸附电子成为负离子，游离能力大减，阻碍放电的形成。
SF6气体分子直径比氧气、氮气大很多，平均自由行程缩短，碰撞游离能力减弱。运动速度小，更容易发生复合，使带电质点减少。
因此，SF6是电气强度很高的气体，大概是空气的3倍左右。3个大气压下和绝缘油电气强度相当。用SF6气体做成电气设备，其绝缘距离小、体积也小。
SF6气体、空气、变压器油在工频电压下击穿电压的比较图（图片来源：网络）
八、SF6气体的灭弧性能想要知道这个答案，就得先知道电弧的定义。
电弧的定义：温度很高时，气体分子产生游离，中性分子分解为自由电子和正离子，在电场作用下向一定方向运动，气体放电。离子流和电子流一起组成放电的电流，叫电弧。
特性：温度很高，10000-20000℃；密度大，平均密度为 1000A/cm²，具有负的伏安特性和负的电阻温度特性。
灭弧的基本过程：电弧的特性由等离子体的特性决定，起决定作用的是电弧的温度。所以要是电弧熄灭，必须降低电弧的温度，要用强烈的冷却手段。电弧温度下降，其电导率也相应减小。导致间隙中带点粒子复合为中性分子，使气体恢复到绝缘状态。
灭弧六氟化硫断路器（图片来源：网络）
当温度达到5000K以上时，SF6气体出现电离现象。使气隙中产生自由电子e-，和正离子S ，以及负的氟离子F-，从而使气体带电，电弧具有了较高的导电率。
SF6气体灭弧好的原因在于：
SF6气体分解过程中，自由电子速度很快，难与正离子复合；SF6-不活泼，容易与正离子复合成中性原子，使得气体导电率下降，恢复绝缘。
下图为SF6气体的分解和电离示意图：
SF6气体的分解和电离示意图（图片来源：网络）
关于SF6气体电弧的热传导，SF6气体的电弧在弧芯和弧焰的交界处，有很高的热传导，温度降低很快，且弧芯温度高，电弧的电压梯度低，因此SF6不易重燃。
SF6气体的弧芯中央一直维持高温结构，这一特点对灭弧很有好处，因为电流过零时，电弧的体积已经很小了，所储存的能量也很小，有利于绝缘的恢复，并不再重燃。
六氟化硫气体和氮气的电弧电压梯度比较图（图片来源：网络）
关于SF6气体电弧的辐射，压力与辐射成正比。气压越大，辐射能量越大。
当辐射能量穿过5mm的电弧后，同样的压力下，其减少一个数量级。
注意以下三点：
a、没有金属蒸汽的SF6气体，其辐射能量要比有金属蒸汽的大一个数量级；
b、纯SF6气体的辐射能量比电弧外层的温度较低之处大100倍。99%被电弧本身所吸收；
c、只有纯SF6气体的辐射能量略高于氮气。
六氟化硫气体弧芯中的辐射能量与温度的关系曲线图（图片来源：网络）
关于电弧的对流散热，指气体热运动而带走的能量，它可以由局部的压力差而引起气体流动。这里来看电弧中央、距电弧中央2mm处、距电弧中央2mm处三种情况。
a、电弧中央：散热以传导为主；
b、距电弧中央2mm处：辐射散热、对流散热、传导散热都有，但以辐射为主。
c、电弧中央2mm处：辐射散热、对流散热、传导散热都有，但对流散热占了66.6%，辐射散热占了20%，传导散热只占13.4%。
不同散热方式对电弧散热的作用图（图片来源：网络）
最后，来看看SF6气体优良的灭弧性能，体现在哪几点。
a、有优良的热特性
SF6气体电弧在弧芯区，温度高、具有高电导率和低的导热率，低温区也有很高的导热率。因此电弧的温度很快降低，导致电弧的电压低，功率小，即灭弧的能量小。由于SF6气体中电弧的电压梯度比空气小两倍，所以SF6气体中电弧的输入功率少，在与空气同样的散热条件下，在SF6气体中的电弧容易熄灭，绝缘恢复得快，且不易重燃。
b、SF6气体的绝缘性能恢复快
SF6气体的电弧柱，能在电流接近于零点时，还能维持高温结构。使得弧柱能保持截面小的状态，电弧的能量就小。电流过零时电弧不会造成电流折断，在开断感性小电流时，不会产生高的截流过电压，使得电流过零后，介质绝缘强度恢复快。
装有六氟化硫气体的容器（图片来源：网络）
c、有负电性
SF6气体具有负电性，故此负离子SR-的运动速度比自由 电子低很多，当发生离子碰撞时，与正离子复合成为中性分子的概率高于自由电子，为此可以降低电弧的导电率，使得SF6气体的灭弧性能比空气好。
d、SF6气体的电弧时间常数小
GIS设备的优良开断性能，与SF6气体电弧的时间常数小是分不开的。试验表明，电弧的时间常数只是空气的百分之一，则其灭弧能力则为空气的100倍。以上是小电流断开的结果。在开断大电流的试验中，SF6气体的开断能力大约为空气的2~3倍。在开断相同的电流时，SR气体吹弧所需要的压力只有空气的二分之一到三分之一。电流过零后，介质恢复过程的时间常数，在热恢复阶段，SF6气体比空气快一倍。
e、SF6气体有优良的绝缘性能
在稍不均匀的电场下，SR气体的绝缘性能比空气强三倍。
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