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六氟化硫气体的压力、体积、物质的量和温度的关系的相关知识
Label发布: 2014-10-29 (10:23)|阅读: 16916

    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
六氟化硫气体液化温度: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℃;一般充入断路器的六氟化硫气体压力为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℃。
    临界温度是六氟化硫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。六氟化硫只有在温度高于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,因此六氟化硫不能在低温度和过低压力下使用。
    六氟化硫 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。六氟化硫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 下面对六氟化硫气体实际应用中的理化特性作一介绍:

(一)液化问题
    现代六氟化硫 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,或采用六氟化硫-N2 混合气体来降低液化温度。
(二)毒性分解物
    纯净的六氟化硫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.但六氟化硫 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 六氟化硫 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六氟化硫混合气体,以期在某些场合用六氟化硫混合气体来代替六氟化硫气体.目前已获工业应用的是六氟化硫 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 %。
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,g
P——气体压强,MPa
T——温度,K
V——气体体积,L
M——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*A
A=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為六氟化硫氣體的壓力 MPa
γ為氣體的密度 kg/m^3
T為氣體的溫度 K
T=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。
可知六氟化硫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,六氟化硫气体压力随着温度的变化而变化,可计算出LW8-35型断路器的六氟化硫气体压力变化值,将参数代入式中得: P1=P×T1/T0.45MPa×(273℃-39℃)/(273℃+20℃)=0.36MPa  当六氟化硫气体温度由20℃变至-39℃时,六氟化硫气体压力由0.45MPa变至0.36MPa,已经低于闭锁压力0.4MPa了。
结论:
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)=101325Pa
1工程大气压(ata)=98000Pa
1Bar=100000Pa

6、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。但需要加装加温装置和保温措施。很麻烦。
B 使用六氟化硫-氮气混合气体开关,能使气体在工作压力下的液化温度降至-42度,左右。大大适应了低温环境。

六氟化硫扩展阅读 http://www.kdgc.cn/GetKnowledge/zh-CN/High_purity_gas/SF6.aspx



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