SF6 가스 또는 황화육플루오르화물 가스 특성
SF6의 역사
SF6 또는 황화육플루오르기체 분자는 하나의 황 원자와 여섯 개의 플루오린 원자로 구성되어 있습니다. 이 기체는 1900년 파리의 Faculte de Pharmacie de 실험실에서 처음 발견되었습니다. 1937년, General Electrical Company는 SF6 기체가 가스 절연재료로 사용될 수 있다는 것을 처음으로 인식했습니다. 제2차 세계대전 이후, 즉 20세기 중반에, 전기 시스템에서 황화육플루오르기체를 절연재료로 사용하는 것이 매우 빠르게 인기를 얻었습니다. Allied Chemical Corporation과 Pennsalt는 1948년부터 이 기체를 상업적으로 생산하기 시작한 최초의 미국 기업들이었습니다. 1960년대에는 고전압 스위치기어에서 황화육플루오르기체를 사용하는 것이 보편화되었습니다. 이 기체의 수요가 증가함에 따라 유럽과 미국의 많은 제조업체들이 그 당시 대규모로 SF6 기체를 생산하기 시작했습니다. 초기에는 SF6 기체는 전기 시스템에서 단순히 절연 목적으로만 사용되었습니다. 그러나 곧 이 기체가 탁월한 아크 소멸 특성을 가지고 있음을 알게 되었고, 따라서 회로 차단기에 아크 소멸 매체로도 사용되기 시작했습니다. 1966년 파리에서는 세계 최초의 SF6 가스 절연 변전소가 설립되었습니다. 1971년부터 중압 회로 차단기가 시장에 출시되었습니다.
SF6 가스 제조
SF6 가스는 전기분해를 통해 얻은 플루오린과 황의 반응을 통해 상업적으로 제조됩니다.
이 기체를 생산하는 과정에서, SF4, SF2, S2F2, S2F10 같은 부산물이 소량 생성됩니다. 이러한 부산물뿐만 아니라, 공기, 습기, CO2와 같은 불순물도 생산 과정에서 기체에 포함됩니다. 이러한 모든 부산물과 불순물은 정제 과정의 다양한 단계에서 걸러져 순수하고 정제된 최종 제품을 얻습니다.
SF6 가스의 화학적 성질
황화육플루오르기체(SF6)의 화학적 성질을 살펴보기 위해, 먼저 SF6 분자의 구조를 소개하겠습니다. 이 기체 분자에서 하나의 황 원자가 여섯 개의 플루오린 원자에 둘러싸여 있습니다.
황은 원자 번호 16입니다. 황 원자의 전자 배치는 2, 8, 6, 즉 1S2 2S2 2P6 3S2 3P4입니다. 플루오린 원자는 원자 번호 9입니다. 플루오린의 전자 배치는 1S2 2S2 2P5입니다. 각각의 황 원자는 SF6 분자에서 6개의 플루오린 원자와 공유결합을 형성합니다. 이렇게 하면, 황 원자는 외부 층에 6개의 공유결합, 즉 6쌍의 전자를 가지게 되며, 각 플루오린 원자는 가장 바깥쪽 층에 8개의 전자를 가지게 됩니다.
참고: 여기서 황화육플루오르기체의 황 원자의 외부 층에는 8개의 전자 대신 12개의 전자가 있는 것을 볼 수 있습니다. 이것은 일반적인 원자 구조의 옥탈 규칙(외부 층에 8개의 전자가 필요하다는 것)을 따르지 않는 경우입니다. 3주기 이하의 일부 원소들은 외부 층에 8개 이상의 전자를 가지는 화합물을 형성할 수 있습니다. 이 기체의 분자 구조는 아래와 같습니다.
이렇게 하면, SF6는 안정적인 구조 조건을 완전히 만족합니다. 황화육플루오르기체 분자의 효과적인 반지름은 2.385 A입니다. 이 전자 배치와 구조 덕분에 SF6은 매우 안정적입니다. 이 기체는 500oC까지 분자 구조의 분해 없이 안정적일 수 있습니다. 이 기체는 매우 불연성이 있으며, H2O와 Cl과 반응하지 않습니다. 또한 산과도 반응하지 않습니다.
SF6 기체는 가장 무거운 기체 중 하나입니다. 20oC에서 1기압에서의 이 기체의 밀도는 약 6.139 kg/m3이며, 같은 조건에서 공기보다 약 5배 더 무겁습니다. 이 기체의 분자량은 146.06입니다. 황화육플루오르기체의 온도에 따른 압력 변화는 -25부터 +50oC까지의 서비스 온도 범위 내에서 선형적이며 작습니다. 이 기체의 체적 비열은 공기의 3.7배 정도로 높으며, 이를 통해 전기 장비에서 뛰어난 냉각 효과를 발휘합니다. 이 기체의 열전도율은 매우 높지 않으며, 공기보다 낮지만, 여전히 회로 차단기에서 냉각 효과에 적합합니다. 이는 황화육플루오르기체 분자가 전기 아크 주변에서 분리되는 동안 많은 양의 열을 흡수하고, 분자가 아크 주변에서 다시 결합하면서 이 열을 방출하기 때문입니다. 이 과정은 뜨거운 영역에서 차가운 영역으로 열을 빠르게 전달하는 데 도움이 됩니다. 따라서, 이 기체는 높은 온도에서도 뛰어난 냉각 효과를 발휘하며, SF6의 열전도율이 매우 높지 않은 경우에도 그렇습니다.
SF6 기체의 전기적 성질
SF6 기체는 매우 전기음성적입니다. 높은 전기음성성 때문에, 회로 차단기 접점 사이의 아크로 인해 발생하는 자유 전자를 흡수합니다. 자유 전자와 분자의 결합은 이동성이 매우 낮은 큰 이온을 생성합니다. 자유 전자의 흡수와 이온의 낮은 이동성 때문에 SF6는 매우 우수한 절연 특성을 가지고 있습니다. SF6 기체의 절연 강도는 공기의 약 2.5배입니다.
