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如何预防六氟化硫气体所带来的危害?

发布时间:2013-06-17 17:24  文章来源:木森电气技术部  作者:木森电气  人气:

        六氟化硫(SF6)气体是目前发现的六种温室气体之一。由于长期以来,对SF6气体的使用、管理不善、而导致许多有毒的、具有腐蚀性的气体和固体分解物被排放到大气中,不仅,给我们赖以生存的环境造成了难以挽救的污染和破坏,与此同时,还危及电器设备的正常运行和人们的身体健康。
        由于纯SF6气体的化学稳定性,早期用于进行人工气胸治疗肺结核空洞,同时因其优异的绝缘和灭弧性能也倍受人们的关注。从1940年作为绝缘介质开始,迄今已被广泛地应用在电力设备中,如高压断路器、变压器、互感器、电容器、避雷器、接触器、熔断器、管道母等。随着SF6气体使用量的增加,范围的扩大,正确的使用和管理SF6气体,保护好我们赖以生存的环境及人身安全等问题被提到了重要的议事日程上来。
        纯净的SF6气体是一种无色、无嗅、基本无毒、不可燃的卤素化合物。其相对密度在气态时为6.16g/cm3(20℃,0.1MPa时),在液态时为1400g/cm3(20℃时);在相同状态下约是空气相对密度的5倍。为了便于运输和贮存,SF6气体通常以液态形式存在于钢瓶中。SF6气体的化学性质非常稳定,在空气中不燃烧,不助燃,与水、强碱、氨、盐酸、硫酸等不反应;在低于150℃时,SF6气体呈化学惰性,极少熔于水,微熔于醇。对电器设备中常用的金属及其它有机材料不发生化学作用。然而,在大功率电弧、火花放电和电晕放电作用下,SF6气体能分解和游离出多种产物,主要是SF4和SF2,以及少量的S2、F2、S、F等。
        从有关部门的试验及研究结果可知,SF6气体的毒性来源主要有如下5个方面。
        1)SF6产品不纯,出厂时含高毒性的低氟化硫、氟化氢等有毒气体。众所周知,目前化工行业制造SF6气体的方法主要是采用单质硫磺与过量气态氟直接化合反应而成;即S+3F2→SF6+Q(放出热量)。在合成的粗品中含有多种杂质,其杂质的组成和含量因原材料的纯度、生产设备的材质、工艺条件等因素的影响而有较大的差别,杂质总含量可达5%。其组成有硫氟化合物,如:S2F2、SF2、SF4、S2F1O等;硫氟氧化合物如SOF2、SO2F2、SOF4、S2F10O等以及原料中带入的杂质如HF、OF2、CF4、N2、O2等。为了净化粗品中的杂质,合成后的SF6气体还需要经过水洗、碱洗、热解(去除剧毒的十氟化物)、干燥、吸附、冷冻、蒸馏提纯等一系列净化处理过程才能得到纯度在99.8%以上的产品。然后再用压缩机加压,充入降温至-80℃左右的钢瓶中,以液态形式存在。在使用时减压放出,呈气态冲入电气设备中。
        除在上面的合成过程中产生的杂质外,另外,在气体的充装过程中还可能混入少量的空气、水分、和矿物油等杂质,这些杂质均带有或会产生一定的毒性物质。因此,为保证SF6产品的纯度和质量,对出厂的SF6产品国际电工委员会(IEC)及许多国家均制定了质量标准,并要求生产厂家在供货时提供生物试验无毒证明书。
        2)电器设备内的SF6气体在高温电弧发生作用时而产生的某些有毒产物。
        例如:SF6气体在电弧中的分解和与氧的反应:
        2SF6+O2→2SOF2+8F(氟化亚硫酰)
        2SF6+O2→2SOF4+4F(四氟化硫酰)
        SF6→SF4+2F(四氟化硫酰)
        SF6→S+6F(硫)
        2SOF4+O2→2SO2F2+4F(氟化硫酰)
        3)电器设备内的SF6气体分解物与其内的水分发生化学反应而生成某些有毒产物。
        例如:SF6气体分解物与水的继发性反应:
        SF4+H2O→SOF2+2HF(氢氟酸)
        SOF4+H2O→SO2F2+2HF(氢氟酸)
        SOF2+H2O→SO2+2HF(二氧化硫)
        SO2F2+2H2O→H2SO4+2HF(硫酸)
        (4)电器设备内的SF6气体及分解物与电极(Cu-W合金)及金属材料(AL、Cu)反应而生成某些有毒产物。
        例如:SF6气体及分解物与电极或其它材料反应:
        3SF6+W→WF6(气态)+3SF4
        3F+AL→ALF3(固态粉末)
        3SOF2+AL2O3→2ALF3(固态粉末)+3SO2
        SF6+Cu→CuF2(固态粉末)+SF6
        4SF6+W+Cu→2S2F2(气态)+3WF6(气态)+CuF2(固态粉末)
        (5)电器设备内的SF6气体及分解物与绝缘材料反应而生成某些有毒产物。如与含有硅成分的环氧酚醛玻璃丝布板(棒、管)等绝缘件;或以石英砂、玻璃作填料的环氧树脂浇注件、模压件以及瓷瓶、硅橡胶、硅脂等起化学作用,生成SiF4、Si(CH3)2F2等产物。
        由于长期以来,对SF6气体的使用、管理不善、而导致许多有毒的、具有腐蚀性的气体和固体分解物被排放到大气中,不仅,给我们赖以生存的环境造成了难以挽救的污染和破坏,与此同时,还危及电器设备的正常运行和人们的身体健康。
        从医学的角度来讲,各种分解物气体及生成物对人体的影响程度不仅仅取决于其毒性的大小,而且还与吸入到人体内量的大小和每个人的身体素质有关。作为客观地判断依据,日本将每一种动物物质的允许浓度设定为五级。即:A——最低致命浓度;B——半致命浓度(50%为死亡浓度);C——短时间停留极限,通常为15min;D——出现毒性反应的最低浓度;E——为每天8h,一周40h的正常劳动时间,大多数人在此浓度下工作,均不会对健康有不良影响。
        近百年来,地球气候正经历一次以全球变暖为主要特征的显著变化。这种全球性的气候变暖是由自然的气候波动和人类活动所增强的温室效应共同引起的。减少温室气体排放、减缓气候变化是主要目标,而我国在减少温室气体排放方面所面临的国际压力越来越大。
        温室效应是指大气中的二氧化碳等气体能透过太阳短波辐射,使地球表面升温。同时阻挡地球表面向宇宙空间发射长波辐射,从而使大气增温。由于二氧化碳等气体的这一作用与“温室”的作用类似,故称之为“温室效应”,二氧化碳等气体被称为“温室气体”。
        截止目前,发现人类活动排放的温室气体有6种,它们分别是二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳合物、全氟化碳、六氟化硫,这当中氟化物就有3种。其中CO2对温室效应影响最大,占60%,而SF6气体的影响仅占0.1%,但SF6气体分子对温室效应具有潜在的危害,这是因为SF6气体一个分子对温室效应的影响为CO2分子的25K倍,同时,排放在大气中的SF6气体寿命特长,约3400年。现今,每年排放到大气中的CO2气体约210亿,而每年排放到大气中的SF6气体相当于1.25亿tCO2气体。
        现在全球每年生产的大约8500tSF6气体中,约有一半以上用于电力工业。而在电力工业中,高压开关设备约占用气量的80%以上。其中中压开关的用气量约占1/10;主要是用在126~252kV的高压、330~800kV的超高压领域,特别是126kV~252kV~550kV的断路器(GCB)、SF6封闭组合电器(GIS)、充气柜(C-GIS)、SF6气体绝缘管道母线(GIL)中。因此,合理、正确的使用管理SF6气体,减少排放量已到了非整治不可的地步。
        目前,尚有相当一部分人缺乏环境保护知识,对SF6气体的理化性能了解不够,对其给环境所造成的危害认识不深,环境保护意识淡薄。在生产、使用SF6气体的环节中由于使用、管理不当所造成的泄露及人为的排放相当严重。
        从国内的SF6气体回收装置的生产及需求数量上来看,每年约70台左右。而销售量最大的还是简易的抽真空、充气装置。究其原因,一是由于SF6气体回收装置的价格昂贵,每台在15~30万元人民币之间,而国外进口的价格更高,使其普及受到限制;二是除电器制造行业外,该装置的利用率很低,一般只在设备安装或检修时使用,闲置时间长。作为SF6气体使用量很大的高压电器制造行业的电力部门,其SF6气体回收装置的使用和管理并不理想;尤其一些中、小企业根本没有配备SF6气体回收装置。在电力行业,35kV以下变电站几乎没有S6气体回收装置,有的地区是几个变电站共用一台。
        SF6气体的回收处理更差,废气几乎都是一放了之或经过简单的过滤吸附而排放到大气中。因为,目前国内还没有一家生产的SF6气体回收装置可对SF6气体进行再生处理。SF6气体回收装置的功能均是对电器设备进行抽真空,将设备内的SF6气体回收至气腔压力为负133Pa,同时将废气压缩到储气罐中,储气罐的容量最大为500kg。而这些回收的“废气”一般用于电器设备中零部件检漏,很少有送回生产厂家对其进行再生处理的。
        对SF6气体的使用、管理没有建立完整的规章制度。SF6产品的装配厂房、检修间及检修现场等工作场所均没有健全的通风设施和监控设备。对长期接触或短期接触SF6气体的人员在劳动保护方面欠考虑且没纳入安全生产的管理程序。
        由于SF6气体分解产生的这些有毒气体和粉末对人及动物上呼吸道有强烈的刺激和腐蚀作用;并对环境造成污染和破坏,产生“温室效应”。因此,为尽量减少危害,将其所带来的不利影响降到最小程度。我们可采取以下行之有效的措施加以控制和防范。
        对充以SF6气体作为绝缘或灭弧的电气设备,为减少和控制其内部的水分含量,在产品装配前,除要将零部件放在相应的烘干间内进行烘干处理外,同时还要求在其内部装设吸附剂。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气体总重量的10%左右。正确的使用吸附剂,不但可吸收SF6气体中的水分及SF6气体分解物,减少SF6气体中的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。
        目前,还未发现一种完全代替纯SF6气体的单一替代气体,从环保方面考虑,唯一有可能的替代气体是纯N2气体;但要使纯N2气体的绝缘强度与纯SF6气体的绝缘强度等同,须将纯N2气体的压力提高到纯SF6气体的3-4倍。因此,从安全角度考虑,电器设备的容器刚度、强度及其使用有待提高。
        鉴于使用纯N2气体的难以操作性,国内外的研究人员将目标转向N2/SF6混合气体,在纯N2气体中混入一定百分比的纯SF6气体后,发现可显著得提高绝缘强度,并接近于纯SF6气体的绝缘性能。关于使用N2/SF6混合气体来替代SF6气体的研究很多,虽然可减少纯SF6气体的使用量,但其应用范围受到限制,如在GCB(断路器)和GIS(封闭组合电器)中使用的绝缘介质,不但要求有绝缘性能,还要求有灭弧性能,而N2/SF6混合气体要想获得与原有设备同等的性能是极其困难的,要想直接使用是不可能的。如西门子公司为解决高寒地区(-40℃)断路器的使用问题,将N2/SF6混合气体的压力提高到0.75MPa(表压),同时也对灭弧室进行了修改。在GIL(管道母线)中由于除故障时以外,均无电弧产生,且对绝缘气体没有灭弧要求,使采用N2/SF6混合气体成为可能性,在这方面法国、德国已做了尝试。但由于N2/SF6混合气体的分离回收技术方面还有一些问题尚待解决,还难以保证SF6气体不被排入大气中,因此,安全、可靠的进入实际应用阶段还需一个过程。
 
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