六氟化硫氣體的危害及預防

六氟化硫氣體危害的預防

六氟化硫(SF6)是目前發(fā)現(xiàn)的六種溫室氣體之一。高壓電器制造業(yè)使用大量SF6氣體。由于使用和管理不當或未能按照正確的方法進行回收和再生，在高溫電弧作用下產(chǎn)生的SF6氣體和有毒分解產(chǎn)物排放到大氣中，給人類賴以生存的環(huán)境帶來污染和破壞，同時也給電氣設備的正常運行和人民健康帶來不利影響。

1.概述自1900年以來，法化學家穆瓦桑和勒博用氟氣燃燒硫制備六氟化硫(SF6)，人們從中獲益匪淺。由于純SF6氣體的化學穩(wěn)定性，早期用于人工氣胸治療肺結核空洞。同時，由于其優(yōu)異的絕緣和滅弧性能，越來越受到人們的重視。自1940年以來，它已廣泛應用于電力設備，如高壓斷路器、干式變壓器、變壓器、電容器、避雷器、接觸器、熔斷器、套管等。隨著SF6燃氣使用量的增加和使用范圍的擴大，正確使用和管理SF6燃氣，保護我們的生活環(huán)境和人身安全已被提上重要議程。

2.SF6氣體的性質2.1氣體的物理性質純SF6氣體是一種無色、無嗅、基本無毒、不可燃的鹵素化合物。氣體狀態(tài)下的相對密度為6.16克/立方厘米(20，0.1兆帕)，液體狀態(tài)下的相對密度為1400克/立方厘米(20)。同樣條件下，大約是空氣相對密度的5倍。為了便于運輸和儲存，SF6氣體通常以液體形式存在于鋼瓶內(nèi)。2.2氣體的化學性質SF6氣體的化學性質非常穩(wěn)定，不在空氣中燃燒，支持燃燒，不與水、強堿、氨、鹽酸、硫酸等發(fā)生反應。當溫度低于150時，SF6氣體呈化學惰性，很少溶于水，微溶于酒精。對電氣設備中常用的金屬和其他有機材料沒有化學作用。但在大功率電弧、火花放電和電暈放電的作用下，SF6氣體會分解離解出多種產(chǎn)物，主要是SF4和SF2，以及少量的S2、F2、S、F等。

3 SF6燃氣的毒性來源根據(jù)有關部門的檢測和研究結果，SF6燃氣的毒性主要來自五個方面。(1)SF6產(chǎn)品不純，出廠時含有高毒性的有毒氣體，如氟化硫和氟化氫。眾所周知，目前化工行業(yè)制造SF6氣的方法主要采用單質硫和過量氣態(tài)氟的直接化合反應；即S 3F2SF6 Q(放熱)。合成的粗品中雜質種類繁多，受原料純度、生產(chǎn)設備材質、工藝門檻等因素的影響，雜質的組成和含量變化很大，雜質總含量可達5。由硫和氟化合物組成，如S2F2、SF2、SF4、S2F1O等。氟化硫化合物，如SOF2、SO2F2、SOF4、S2F10O等。以及諸如氟化氫、二氧化硫、四氯化碳、N2、氧氣等雜質。原材料帶來的。為了凈化粗產(chǎn)品中的雜質，合成的SF6氣體需要經(jīng)過水洗、堿洗、熱解(除去高毒性的十氟)、干燥、吸附、冷凍、蒸餾和凈化等一系列凈化過程。得到純度99.8%以上的產(chǎn)品。然后用壓縮機加壓，裝入冷卻到-80左右的鋼瓶內(nèi)，以液體形式存在。使用時，在減壓下釋放，以氣態(tài)沖入電氣設備。除了上述合成過程中產(chǎn)生的雜質外，在充氣過程中還可能混入少量的空氣、水分、礦物油等雜質，這些雜質都攜帶或產(chǎn)生一定的有毒物質。因此，為了確保SF6產(chǎn)品的純度和質量，際電工委員會(IEC)和許多家已經(jīng)為SF6產(chǎn)品制定了質量標準，要求制造商在提供產(chǎn)品時提供無毒的生物測試證書。(2)電氣設備中的SF6氣體在高溫電弧作用下會產(chǎn)生一些有毒產(chǎn)物。例如電弧中SF6氣體的分解及其與氧的反應：2S6O2 2SOF28F(氟化亞磺酰基)2S6O2 2SOF44F(氟化亞磺酰基)SF6SF4 2F(氟化亞磺酰基)SF6S 6F(硫)2SOF4O2 2SOF24F(氟化亞磺酰基) #p#分頁標題#e#

(3)電氣設備中的SF6分解產(chǎn)物與其中的水發(fā)生化學反應，產(chǎn)生一些有毒產(chǎn)物。例如，SF6氣體分解產(chǎn)物與水的二次反應：SF4 H2OSOF2 2HF(氫氟酸)SOF4 H2OSO2F2 2HF(氫氟酸)sof2h2o so2hf(二氧化硫)SO2F2 2H2O H2SO4 2HF(硫酸)(4) SF6氣體及電氣設備和電極(銅鎢合金)和金屬材料(al)中的分解產(chǎn)物例如， SF6氣體及其分解產(chǎn)物與電極或其他材料反應：3SF6 W WF6(氣態(tài))3SF43F ALALF3(固態(tài)粉末)3SOF2 AL2O32ALF3(固態(tài)粉末)3SO2SF6 CuCuF2(固態(tài)粉末)SF64S 6 W Cu2S 2 F 2(氣態(tài))3WF6(氣態(tài))CuF2(固態(tài)粉末)如含硅成分的環(huán)氧酚醛玻璃纖維布板(棒、管)絕緣件； 或者是環(huán)氧樹脂澆鑄件、填充石英砂和玻璃的成型件、瓷瓶、硅橡膠、硅脂等。發(fā)生化學反應，生成四氟化硅、硅(CH3)2F2和其他產(chǎn)物。

4SF6氣體的危害長期以來，由于SF6氣體的使用和管理不善，許多有毒、腐蝕性氣體和固體分解產(chǎn)物排放到大氣中，不僅對我們生活的環(huán)境造成不可修復的污染和破壞，而且危及電氣設備的正常運行和人民健康。SF6氣體的電弧分解產(chǎn)物和反應產(chǎn)物的生理特性見下表：

8WF6有刺激性。1S2F2兩只老鼠在10×1000μg/g的濃度中，15min內(nèi)均死亡，有刺激性。2SF4在19μg/g的濃度中，4h內(nèi)動物的死亡率為50；在10μg/g的濃度中停留1h，

動物會出現(xiàn)呼吸困難的征兆。3S2F10老鼠在0.1μg/g的濃度中停留1h未發(fā)現(xiàn)有中毒癥狀；在1μg/g的濃度中刺

激肺部；在10μg/g的濃度中肺部發(fā)生腐爛。4SOF2有刺激性。5SO2有刺激性。6HF有刺激性。7SiF4有刺激性，從食物中攝取后對呼吸有危險。

4.1對人及動物的危害從醫(yī)學的角度來講，各種分解物氣體及生成物對人體的影響程度不光取決于其毒性的大小，還與吸入到人體內(nèi)量的大小和每個人的身體素質有關。作為客觀地判斷依據(jù)，日本將每一種動物物質的允許濃度設定為五級。即：A——較低致命濃度；B——半致命濃度（50為死亡濃度）；C——短時間停留極限，通常為15min；D——出現(xiàn)毒性反應的較低濃度；E——為每天8h，一周40h的正常勞動時間，大多數(shù)人在此濃度下工作，均不會對健康有不良影響。早在1979年，上海較好醫(yī)學院和上海市化工局職業(yè)病防治研究所就對長期從事或接觸SF6氣體的人群進行了調(diào)查及動物試驗。在對生產(chǎn)和使用SF6氣體的兩家企業(yè)的工人進行職業(yè)流行病學調(diào)查中，對年齡、性別、勞動強度、專業(yè)工齡、是否吸煙等相近的工人，進行分組對照、比較，對工人們的健康情況未發(fā)現(xiàn)有明顯的損害。但從統(tǒng)計的癥狀發(fā)生率來看，表現(xiàn)出乏力、記憶力差、咽痛、胸悶的人數(shù)較多。在對動物（雌性大、小鼠）進行分組急性靜式染毒試驗、亞急性靜式染毒試驗中，分別將白鼠放在不同濃度的SF6新氣體或（與電弧接觸過的）開斷氣的氣體分組箱里。其結果是急性靜式染毒試驗未發(fā)現(xiàn)異常，而亞急性靜式染毒試驗則發(fā)現(xiàn)一只大鼠的肺毛細血管在電子顯微鏡下有輕度亞微結構改變。是否就是由SF6氣體引起的，因試驗的動物數(shù)量有限，還難以定論。4.2對環(huán)境的危害近百年來，地球氣候正經(jīng)歷一次以全球變暖為主要特征的顯著變化。這種全球性的氣候變暖是由自然的氣候波動和人類活動所增強的溫室效應共同引起的。減少溫室氣體排放、減緩氣候變化是《聯(lián)合氣候變化公約》和《京都議定書》的主要目標，而我在減少溫室氣體排放方面所面臨的際壓力越來越大。溫室效應是指大氣中的二氧化碳等氣體能透過太陽短波輻射，使地球表面升溫。同時阻擋地球表面向宇宙空間發(fā)射長波輻射，從而使大氣增溫。由于二氧化碳等氣體的這一作用與“溫室”的作用類似，故稱之為“溫室效應”，二氧化碳等氣體被稱為“溫室氣體”。目前，發(fā)現(xiàn)人類活動排放的溫室氣體有六種，它們是二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳合物、全氟化碳、六氟化硫，這當中氟化物就有三種。其中CO2對溫室效應影響較大，占60，而SF6氣體的影響僅占0.1，但SF6氣體分子對溫室效應具有潛在的危害，這是因為SF6氣體一個分子對溫室效應的影響為CO2分子的25000倍，同時，排放在大氣中的SF6氣體壽命特長，約3400年。現(xiàn)今，每年排放到大氣中的CO2氣體約210億，而每年排放到大氣中的SF6氣體相當于1.25億tCO2氣體。現(xiàn)在全球每年生產(chǎn)的大約8500tSF6氣體中，約有一半以上用于電力工業(yè)。而在電力工業(yè)中，高壓開關設備約占用氣量的80以上。其中中壓開關的用氣量約占1/10；主要是用在126～252kV的高壓、330～800kV的超高壓領域，特別是126kV～252kV～550kV的斷路器（GCB）、SF6封閉組合電器（GIS）、充氣柜（C-GIS）、SF6氣體絕緣管道母線（GIL）中。因此，合理、正確的使用管理SF6氣體，減少排放量已到了非整治不可的地步。#p#分頁標題#e#

5SF6氣體的使用現(xiàn)狀及存在的問題5.1環(huán)境保護意識淡薄目前，尚有相當一部分人缺乏環(huán)境保護知識，對SF6氣體的理化性能了解不夠，對其給環(huán)境所造成的危害認識不深，環(huán)境保護意識淡薄。在生產(chǎn)、使用SF6氣體的環(huán)節(jié)中由于使用、管理不當所造成的泄露及人為的排放相當嚴重。5.2回收再利用或回收處理的不好從內(nèi)的SF6氣體回收裝置的生產(chǎn)及需求數(shù)量上來看，每年約70臺左右。而銷售量較大的還是簡易的抽真空、充氣裝置。究其原因，一是由于SF6氣體回收裝置的價格昂貴，每臺在15～30萬元人民幣之間，而外進口的價格更高，使其普及受到限制；二是除電器制造行業(yè)外，該裝置的利用率很低，一般只在設備安裝或檢修時使用，閑置時間長。作為SF6氣體使用量很大的高壓電器制造行業(yè)的電力部門，其SF6氣體回收裝置的使用和管理并不理想；尤其一些中、小企業(yè)根本沒有配備SF6氣體回收裝置。在電力行業(yè)，35kV以下變電站幾乎沒有S6氣體回收裝置，有的地區(qū)是幾個變電站共用一臺。SF6氣體的回收處理更差，廢氣幾乎都是一放了之或經(jīng)過簡單的過濾吸附而排放到大氣中。因為，目前內(nèi)還沒有一家生產(chǎn)的SF6氣體回收裝置可對SF6氣體進行再生處理。SF6氣體回收裝置的功能均是對電器設備進行抽真空，將設備內(nèi)的SF6氣體回收至氣腔壓力為負133Pa，同時將廢氣壓縮到儲氣罐中，儲氣罐的容量較大為500kg。而這些回收的“廢氣”一般用于電器設備中零部件檢漏，很少有送回生產(chǎn)廠家對其進行再生處理的。5.3管理制度不到位對SF6氣體的使用、管理沒有建立完整的規(guī)章制度。SF6產(chǎn)品的裝配廠房、檢修間及檢修現(xiàn)場等工作場所均沒有健全的通風設施和監(jiān)控設備。對長期接觸或短期接觸SF6氣體的人員在勞動保護方面欠考慮且沒納入安全生產(chǎn)的管理程序。

6預防措施由于SF6氣體分解產(chǎn)生的這些有毒氣體和粉末對人及動物上呼吸道有強烈的刺激和腐蝕作用；并對環(huán)境造成污染和破壞，產(chǎn)生“溫室效應”。因此，為盡量減少危害，將其所帶來的不利影響降到較小程度。我們可采取以下行之有效的措施加以控制和防范。

6.1規(guī)定空氣中SF6氣體及其毒性分解物的允許含量對空氣中SF6氣體及其毒性分解產(chǎn)物的允許含量各均作了相應規(guī)定，其中美的標準要求見下表。根據(jù)動物性試驗和現(xiàn)場調(diào)查的結果，并參照美政府工業(yè)衛(wèi)生醫(yī)師會議（ACGIH）的建議，生產(chǎn)車間空氣中SF6的濃度閾限值為600mg/m3；短期接觸閾限值為750mg/m3；前蘇聯(lián)批準的生產(chǎn)車間空氣中SF6的較高濃度為5000mg/m3，因此，建議內(nèi)生產(chǎn)、使用SF6氣體的車間空氣中SF6的較高濃度不超過6000mg/m3。我在GB/T8905-1996《六氟化硫電氣設備中氣體管理和檢驗導則》中等效采用了IEC480：1974《電氣設備中六氟化硫氣體導則》和IEC376：1971《新六氟化硫氣體的規(guī)范和驗收》。并明確規(guī)定，操作間空氣中SF6氣體濃度極限值為：空氣中SF6氣體的允許濃度不大于1000μL/L（6g/m3）或空氣中氧含量應大于18；短期接觸，空氣中SF6氣體的允許濃度不大于1250μL/L（7.5g/m3）#p#分頁標題#e#

空氣中SF6氣體及其毒性分解產(chǎn)物的允許含量（美標準）

序號毒性氣體及固體名稱允許含量1SF6100g/g2SF40.1/g3SOF42.5m34SOF22.5m35SO22μgg

6SO2F25μg/g7S2F100.025μg/g8S2F10O0.5μg/g9SiF42.5mm310HF3μg/g11CF42.5mg/m312CS210μg/g13ALF32.5mg/m3

14CuF22.5mg/m315Si（CH3）2F21mg/m3

6.2減少和控制SF6氣體中的水分含量

對充以SF6氣體作為絕緣或滅弧的電氣設備，為減少和控制其內(nèi)部的水分含量，在產(chǎn)品裝配前，除要將零部件放在相應的烘干間內(nèi)進行烘干處理外，同時還要求在其內(nèi)部裝設吸附劑。常用的吸附劑有活性氧化鋁和分子篩兩種，由于它們的吸附性不同，可將兩種吸附劑混合使用，吸附劑應放置在氣流通道或容器的上方，用量為SF6氣體總重量的10左右。正確的使用吸附劑，不但可吸收SF6氣體中的水分及SF6氣體分解物，減少SF6氣體中的水分含量及分解物的產(chǎn)生與排放。還能提高電器設備的絕緣性能和開斷性能。因此，我標準GB/T8905-1996規(guī)定了在20℃時SF6電器設備水分含量的允許值，見下表。SF6電器設備中水分含量的允許值：

隔室有電弧分解物的隔室無電弧分解物的隔室

產(chǎn)品運行允許值≤300μL/L100≤μL/L產(chǎn)品交接驗收值≤150μL/L500≤μL/L

6.3加強SF6氣體及分解物的回收和處理以SF6氣體作為絕緣和滅弧的電器設備，在下列四種情況下必須對其內(nèi)的SF6氣體及分解物進行回收或中和處理。

（1）在新產(chǎn)品開發(fā)時，做過絕緣試驗和開斷試驗的試品；（2）檢修進行過的電器設備；

（3）處理發(fā)生故障的電器設備；

（4）淘汰、更換掉的電器設備。在對SF6氣體及分解物進行回收或中和處理時，要嚴格按如下步驟進行：①在打開設備前，必須先回收氣體，并抽真空；②對設備內(nèi)部進行徹底通風；③工作人員應帶放毒面具和橡皮手套；④將金屬氟化物粉塵集中起來，裝入塑料袋并深埋。對電器設備內(nèi)的吸附劑和回收裝置吸附罐中吸附劑，按CB/T8905-1996《六氟化硫電氣設備中氣體管理和檢驗導則》的規(guī)定“由生產(chǎn)分解氣體的設備中更換下來的吸附劑不要再生”由此我們可按下列方法進行處理：（a）按20ml/g的比例將吸附劑放入當濃度為IN的氫氧化鈉溶液中，攪拌浸泡24h，將吸附劑內(nèi)部可溶于水和可水解、堿解的SF6氣體分解物轉移到氫氧化鈉溶液中。（b）對浸泡過吸附劑的氫氧化鈉溶液要用當量濃度為0.1N的硫酸進行中和，在溶液呈中性時，方可排放。（c）對排放后剩余吸附劑及固體物質經(jīng)水洗后可作為普通垃圾處理或深埋掉。

6.4提高產(chǎn)品設計水平，降低泄露率在產(chǎn)品設計上采用新技術、新工藝，提高制造水平，力爭將年漏氣率由1降到0.5以下，主要從如下三點入手。（1）應盡量不用SF6氣體或減少SF6氣體的使用量，通過改變產(chǎn)品結構，減少充氣隔室或空間，開發(fā)空氣絕緣、固體絕緣的電器設備，如環(huán)氧樹脂絕緣的（干式）干式變壓器、電壓互感器、電流互感氣、真空斷路器，空氣斷路器，負荷開關；將斷路器的滅弧室充以SF6氣體，絕緣拉桿部分采用空氣絕緣；將罐式斷路器改為瓷柱式等。（2）在保證產(chǎn)品電氣性能的前提下，盡量降低充氣壓力。這樣不但有利于密封，還可能減少漏氣點。（3）在產(chǎn)品的密封結構及材料上下功夫，采用新材料、新工藝、減少SF6氣體的泄露。#p#分頁標題#e#

如電器設備動力輸入處的直動密封或轉動密封采用波紋管結構，靠波紋管的蠕變來提供直動所需的行程或轉動所需的轉角。

6.5采用其它代替氣體或混合氣體目前，還未發(fā)現(xiàn)一種完全代替純SF6氣體的單一替代氣體，從環(huán)保方面考慮，唯一有可能的替代氣體是純N2氣體；但要使純N2氣體的絕緣強度與純SF6氣體的絕緣強度等同，須將純N2氣體的壓力提高到純SF6氣體的3-4倍。因此，從安全角度考慮，電器設備的容器剛度、強度及其使用有待提高。鑒于使用純N2氣體的難以操作性，內(nèi)外的研究人員將目標轉向N2/SF6混合氣體，在純N2氣體中混入一定百分比的純SF6氣體后，發(fā)現(xiàn)可顯著得提高絕緣強度，并接近于純SF6氣體的絕緣性能。關于使用N2/SF6混合氣體來替代SF6氣體的研究很多，雖然可減少純SF6氣體的使用量，但其應用范圍受到限制，如在GCB（斷路器）和GIS（封閉組合電器）中使用的絕緣介質，不但要求有絕緣性能，還要求有滅弧性能，而N2/SF6混合氣體要想獲得與原有設備同等的性能是極其困難的，要想直接使用是不可能的。如西門子公司為解決高寒地區(qū)（-40℃）斷路器的使用問題，將N2/SF6混合氣體的壓力提高到0.75MPa（表壓），同時也對滅弧室進行了修改。在GIL（管道母線）中由于除故障時以外，均無電弧產(chǎn)生，且對絕緣氣體沒有滅弧要求，使采用N2/SF6混合氣體成為可能性，在這方面法、德已做了嘗試。但由于N2/SF6混合氣體的分離回收技術方面還有一些問題尚待解決，還難以保證SF6氣體不被排入大氣中，因此，安全、可靠的進入實際應用階段還需一個過程。7結束語由于SF6電氣技術設備的大量使用，不可避免地給人類賴以生存環(huán)境帶來污染和破壞，同時也給人們的身體健康帶來不利影響。因此，早在1992年際上就開始研究全球變暖問題，并在1997年的京都會議（COP3）上確定了溫室氣體的削減目標。但迄今為止，還未找到比SF6氣體的綜合性能更好的單先氣體和混合氣體。隨著人們環(huán)境保護意識的增強，在今后相當長一段時期，少用和不用SF6氣體的電器設備才是高壓電器制造行業(yè)的發(fā)展方向。