خواص گاز SF6 در کلید های قدرت پست های GIS

خواص گاز SF6 یا هگزا فلوراید گوگرد

تاریخچه SF6

مولکول‌های گاز SF6 یا هگزافلوراید گوگرد توسط یک اتم گوگرد و شش اتم فلوئور ترکیب می‌شوند. این گاز برای اولین بار در سال 1900 در آزمایشگاه‌های دانشکده Faculte de Pharmacie de، در پاریس تحقق یافت. در سال 1937، شرکت جنرال الکتریک برای اولین بار دریافت که گاز SF6 می‌تواند به عنوان ماده عایق گازی استفاده‌شود. پس از جنگ جهانی دوم، یعنی در اواسط قرن بیستم، عمومیت استفاده از گاز هگزا فلوراید گوگرد به عنوان ماده عایق کاری در سیستم الکتریکی رشد قابل توجهی یافت. شرکت آلاید کمیکال[1] و پنسالت[2] اولین صنایع آمریکایی بودند که از سال 1948 تولید این گاز را بصورت تجاری آغاز کردند.

در سال 1960، استفاده از گاز هگزافلوئورید گوگرد در ساخت کلید ولتاژ بالا (فشارقوی) رواج یافت. در آن مدت با افزایش درخواست استفاده‌از این گاز، بسیاری از تولیدکنندگان در اروپا و آمریکا تولید گاز SF6 را در مقیاس بزرگ، آغاز کردند. , و اما در ابتدا از گاز SF6 فقط برای مقاصد عایق‌کاری در سیستم الکتریکی استفاده می‌شد. اما به زودی دریافته شد که این گاز خاصیت خاموش کننده قوس فوق العاده‌ای دارد. از این رو، این گاز به عنوان واسط خاموش‌کننده قوس الکتریکی در مدار شکن استفاده‌می‌شود. اولین پست عایق بندی شده توسط SF6 در جهان در سال 1966 در پاریس تأسیس شد. مدارشکن[3]‌های ولتاژ متوسط ​​هگزافلورید گوگرد از سال 1971 وارد بازار شد.

تابلو های فشار ضعیف، فشار متوسط و فشار قوی (LV,MV,HV switchgear)

کلید هوایی – ساختار – کاربرد و نحوه ی عملکرد کلید هوایی

تولید گاز SF6

گاز SF6 بصورت تجاری از طریق واکنش فلوئور (حاصل از الکترولیز) با گوگرد تولید می‌شود.

در طی فرآیند تولید این گاز، سایر فرآورده‌های جانبی مانند SF4، SF2، S2F2، S2F10  نیز در درصد کمی تولید می‌شوند. علاوه بر فرآورده‌های جانبی، ناخالصی‌هایی مانند هوا، رطوبت و CO2 نیز در حین تولید وجود دارند. تمام این محصولات جانبی و ناخالصی ها در مراحل مختلف تصفیه فیلتر می‌شوند تا محصول نهایی خالص و تصفیه شده بدست آید.

خواص شیمیایی گاز SF6

برای بررسی خصوصیات شیمیایی گاز SF6، ابتدا ساختار مولکول SF6 را معرفی می‌کنیم. در مولکول این گاز، یک اتم گوگرد توسط شش اتم فلوئور احاطه شده‌است.

گوگرد دارای عدد اتمی 16‌است. آرایش الکترونی اتم گوگرد 2، 8، 6‌است یعنی 1S², 2S², 2P⁶, 3S², 3P⁴ اتم فلوئور نیز دارای عدد اتمی 9‌است و آریش الکترونی آن به صورت 1S², 2S², 2P^5‌است. هر اتم گوگرد در مولکول SF6 یک پیوند کووالانسی با 6 اتم فلوئور ایجاد می‌کند. به این ترتیب، اتم گوگرد در کل 6 پیوند کووالانسی، یعنی 6 جفت الکترون در لایه بیرونی خود بدست می آورد و هر اتم فلوئور در لایه خارجی خود 8 الکترون دریافت می‌کند.

در اینجا می توان مشاهده نمود که

در هگزا فلوراید گوگرد لایه خارجی اتم گوگرد دارای 12 الکترون به جای 8 الکترون‌است. این بدان معناست که در اینجا اتم گوگرد قاعده کلی اکتال ساختار اتمی که بر اساس آن یک اتم پایدار به 8 الکترون در خارجی ترین لایه خود نیاز دارد را رعایت نمی‌کند و این یک مورد استثنا نیست. بعضی از عناصر دوره 3 و پایین‌تر می‌توانند ترکیبی تشکیل دهند که در  لایه بیرونی بیش از  8 الکترون دارد.

به این ترتیب، SF6 به طور کامل شرایط ساختاری پایداری را برآورده می‌کند. شعاع مؤثر یک مولکول هگزا فلوراید گوگرد 2.385 آنگستروم‌است. آرایش الکترونی و ساختار این گاز، SF6 را بسیار پایدار می‌کند. گاز می‌تواند بدون هیچگونه تجزیه‌ای در ساختار مولکولی آن در دماهای بالای 500 درجه سانتیگراد پایدار باشد که بسیار غیر قابل اشتعال‌است.. H2O و Cl نمی توانند با این گاز واکنش نشان دهند. همچنین با اسید واکنش نمی‌دهد.

گاز SF6

گاز SF6 یکی از سنگین‌ترین گازها است که چگالی این گاز در دمای 20 درجه سانتیگراد در یک فشار اتمسفر، در حدود 6.139 کیلوگرم بر متر مکعب‌است که در شرایط مشابه حدود 5 برابر بیشتر از هوا‌است. وزن مولکولی این گاز 146.06‌است. تغییر فشار نسبت به دما برای هگزا فلوراید گوگرد خطی‌است و در دمای کار اندک‌است، یعنی از منفی 25 تا مثبت 50 درجه سانتیگراد. گرمای ویژه حجمی این گاز نیز زیاد‌است یعنی تقریباً 3.7 برابر بیشتر از هوا‌است و به همین دلیل این گاز دارای اثر خنک کنندگی فوق العاده‌ای در تجهیزات الکتریکی‌است.

هدایت گرمایی این گاز خیلی زیاد نیست و حتی از هوا نیز کمتر‌است اما همچنان برای خنک کنندگی در مدارشکن مناسب‌است. زیرا در هنگام تفکیک مولکولهای هگزا فلوراید گوگرد در اطراف قوس الکتریکی، این مولکول‌ها گرمای زیادی را جذب می‌کنند. این گرما هنگامی آزاد می‌شود که مولکول ها در اطراف قوس اصلاح شوند. این فرآیند به انتقال بسیار سریع گرما از ناحیه گرم به منطقه خنک کننده کمک می‌کند. به همین دلیل این گاز در دمای بالا دارای اثر خنک کنندگی بسیار خوبی‌است، هرچند هدایت گرمایی SF6 بسیار بالا نیست.

خواص الکتریکی گاز SF6

گاز SF6 بسیار الکترونگاتیو‌است و به دلیل الکترونگاتیوی بالا، الکترونهای آزاد را که به دلیل ایجاد قوس بین کنتاکت‌های مدارشکن تولید می شوند، جذب می‌کند. ترکیب الکترونهای آزاد با مولکولها منجر به تولید یونهای سنگین و بزرگی می‌گردد که تحرک‌پذیری بسیار کمی دارند. به دلیل جذب الکترون های آزاد و تحرک پذیری پایین، یون های SF6 خاصیت دی الکتریک بسیار عالی دارد. طوریکه حدود 2.5 برابر بیشتر از هوا‌ست.

لیست خواص الکتریکی گاز SF6

 

20oC چگالی در دمای	6.14 kg/m3
رنگ گاز	colourless
وزن مولکولی	146.06
هدایت گرمایی	0.0136 w/mK
دمای بحرانی	45.55oC
چگالی بحرانی	730 Kg/m3
فشار بحرانی	3.78 MPa
سرعت صوت در SF6	136 m/s. It is 3 times less than that in air
ضریب شکست	1.000783
گرمای واکنش	-1221.66 Kg/mol
گرمای یژه	96.6 j/mole K
ولتاژ شکست نسبت به فشار	89 V/m Pa
ثابت دی الکتریک نسبی در دمای25oC  و 1 بار مطلق	1.00204
ضریب تلفات یا tanδ در دمای  25oC و 1 بار مطلق	<2 × 10-7

[Gas] SF 6 General Name：Sulfur hexa-Fluoride – AGC .. …

[1] Allied Chemical Corporation

[2] Pennsalt

[3] circuit breakers