500kV超高压SF6断路器喷口研究

500kV超高压SF6断路器喷口研究

刘向民

内蒙古电力（集团）有限责任公司乌海超高压供电局内蒙古乌海市016000

摘要：喷口结构是SF6断路器在开断过程中有效控制灭弧室内气流流动的重要结构部件。本文对500kV超高压SF6断路器的喷口进行了详细的探讨。

关键词：超高压；SF6断路器；喷口

随着电力工业的迅速发展和技术装备水平的提高，六氟化硫电器设备已大量的投运。同时，SF6气体在电气设备中的应用非常广泛，它是目前所发现的绝缘、灭孤性能最好的物质。另外，喷口是决定特高压断路器开断性能的关键部件，也是特高压断路器设计的核心。因此，研制超高压断路器所用的喷口已成为高压电器行业急需突破解决的关键技术之一。

一、SF6断路器简介

SF6断路器俗称六氟化硫断路器，是通过利用SF6（六氟化硫）气体作为一种绝缘和灭弧介质的新型高压断路器。六氟化硫气体的化学性能是稳定的气态物质。六氟化硫气态的分子式为SF6，分子量为146.07，分子直径为4.56×10-10m。六氟化硫气体在常温常压下当气态在20℃和101.31kp2时的密度为6.19g/l，约为空气的5倍。六氟化硫气体其电弧结构近似于温度为径向矩形分布的弧芯，弧芯部分温度高导电性好，弧芯外围部分温度下降非常陡峭，而外峭部分温度低散热好。因此，六氟化硫电弧电压低，电弧输入功率小，对熄弧十分有利。

二、超高压SF6断路器喷口研制

1、喷口材料及研制工艺与设备。断路器喷口材料聚四氟乙烯（PTFE）具有优异的物理性能、耐腐蚀性能、化学惰性、力学性能和电性能。针对喷口材料的研究主要集中在：①针对喷口材料的填充改性研究，主要包括无机物填充、金属及其氧化物填充、有机物填充及纳米填充等，开发新型高效的PTFE材料；②针对PTFE制造工艺的研究，主要包括填充物粒径、成型工艺及烧结工艺的研究等；③针对喷口材料耐烧蚀性能的研究，主要包括对喷口材料介电性能、耐电弧烧蚀性能、烧蚀模型的研究等。

2、模具的设计

压坯窝孔模芯尺寸

Dp=D+D×-y

压模柱芯尺寸

Dε=d+d-y

式中：Dp-窝孔模芯直径，mm；D-喷口压坯窝孔直径，mm；-聚四氟乙烯平均收缩率，%；y-加工余量，mm；Dε-压模柱芯直径，mm；d-喷口孔直径，mm；y-加工余量，mm。

3、装料筒设计。装料筒应容纳一次加料量，其尺寸取决于装入该筒内聚四氟乙烯和氮化硼粉的体积。通常，装料筒尺寸的确定按下式计算

装料筒高度H=+1.0～2.0或H=K×h

式中：V-筒腔容积，cm3；m-喷口坯件质量，g；-喷口原料的表观密度，g/cm3；H-筒高，cm；Q-入料体积，cm3；S-喷口压坯沿压制方向投影面积，cm2；h-喷口压坯的高度，cm；K-压缩比=；-喷口压坯的密度，g/cm3；-喷口原料的松装密度，g/cm3。

压模和模芯选用45号钢制造，淬火硬度为HRC40～50，表面镀铬0.01～0.02mm，装料筒采用铝或铝合金制造。

4、原料制备

1）特殊粉碎处理。聚四氟乙烯粉的颗粒较粗，较粗的颗粒达不到技术要求，所以必须进行粉碎处理。可将聚四氟乙烯通过管道吸入到气流粉碎机进行粉碎处理，其粉碎原理是借助高速气流的力量使粒子与粒子、粒子与机壁碰撞从而实现粉碎的目的，为了粉碎效果一般可循环8～10次，聚四氟乙烯粉的粒度可达到8～10μm。

2）配料称料时要按配方进行，将填加料与粉碎好的PTFE粉放在粉末混合器中进行搅拌。配方为PTFE+NB，混合时间20～30min，混合器转速为36～40r/min。

3）预处理。先将混合料放入到平底瓷盘中，在放入烘干机进行烘干，然后通过气流粉碎机再次进行粉碎，最后可以将粉碎物使用旋转振动筛筛取后装入铝锅以备使用。

5、压制烧结及加工工艺。将抽真空的乳胶袋进行升压均匀的等静压制，以免气体膨胀使压坯产生裂纹。当压力达到规定值后，根据压坯形状保压8～10min，然后再平稳缓慢降压。压制压力随粉料及填料成份、质量百分比及压坯密度不同而适当选择，通过单位压力来控制密度。等静压制与一般模压压制不同，因无外摩擦力，等静压制的平均压力PCP比模压压力要低，一般取模压压力的30%～60%。烧结工艺是使压制喷口型坯由粉末“聚集体”转变成“晶体结合体”的过程，影响喷口最终机械物理性能。因PTFE导热系数只有0.29W/（m·K），需制定一合理升温速度。

1）烧结速度、保温时间：将压制好的目检无缺陷的合格喷口压坯放入带有转动盘的热风循环烧结箱内，然后缓慢升温。升温时，喷口坯型体积逐渐膨胀，加热到线膨胀系数较大的温度点内保温一段时间，使喷口坯型的内外温度一致，再缓慢升温到烧结温度进行保温，使喷口坯型在此温度完全烧透。保温时间视喷口压坯尺寸而定，以制品呈透明胶体为限，一般按1mm厚保温5～10min计算，烧结温度根据PTFE树脂的热稳定性确定。

2）冷却速度：冷却过程是由无定型相转变为结晶相的过程，冷却是将烧结好的喷口压坯从烧结温度降至室温的过程。冷却速度决定喷口压坯的结晶度，亦决定着喷口制品的最终物理机械性能。若冷却速度太快，收缩不均匀，易出现裂纹。当烧结过程结束后，在最大结晶温度点内保温一段时间，使喷口压坯熔体充分结晶后随炉冷却至室温取出。

因喷口制件的物理特性随温度而变化，所以喷口的机加工与钢铁件不同。要在环境温度下机加工，保证机加工后尺寸公差要求，刀具材料应选择硬质合金类刀具，以保证喷口的表面粗糙度和尺寸公差。

三、喷口研制与分析

1、喷口达到的技术指标为：密度检测2.16～2.23g/cm3；伸长率180%～200%；抗拉强度≥16MPa；经3.2MPa水压试验5min，不漏水，不破裂，几何形状如初。

2、喷口压坯的密度对喷口质量的影响。经等静压制成型烧结的喷口，其具有较高的性能，这是因等静压制与其它的方法存在较大的区别，它可使弹性胶套中的聚四氟混合粉各处的硬度、密度相同，且因等静压平均压力PCP与模压压制轴向压力相等，即总压力P，所以不会出现密度梯度，这有利于喷口压坯强度和密度均匀的提高。在对喷口进行压制时，其复合粉料被压缩后的密度随压制压力的不断增加而增加，增加到一定的程度后会出现稳定的密度数值，此值被称之为喷口毛坯的密度值，对应的压制压力为临界压力Pc。在实际生产过程中选择压制压力时，需选择与Pc数值相近但小于它的数值。

3、聚四氟乙烯粉颗粒尺寸对压制过程和喷口质量的影响。对压制过程和最终喷口质量影响较大的是PTFE粉和填料混合物的流动性，而决定混合物料流动性的主要因素是PTFE粉的粒度、湿度及颗粒尺寸大小的配合。流动性好，可使装料过程易于均匀紧密，压制时，料坯各处压缩也就均匀，经烧结后，密度高且均匀一致。

4、烧结温度曲线对喷口性能的影响。PTFE是一种高分子聚合物材料，其结晶的温度不但会对结晶速度产生重要影响，也会对结晶形态和球晶大小产生影响。在温度较高时，因成核的速度较慢，单位体积内生成的晶核数目就较少；在温度低时，因成核的速度较快，单位体积内所生成的晶核数目多，相对来说球晶就较小。在具体的生产过程中，可利用这个特点来通过控制冷却速度的办法来控制球晶大小，从而使产品性能得到控制。

应根据聚四氟乙烯粉的热稳定性和喷口的几何形状来合理制定烧结温度和时间。PTFE在受热后的体积会膨胀，当温达到熔点时体积会膨胀25%左右。因制品的导热性能较差，若温度升高的速度过快会产生内用力导致制品出现开裂、挠曲现象。而在PTFE结晶过程最快的阶段315～320℃应进行保温处理。通过试验研究，得到PTFE加BN喷口的烧结曲线为双拐阶梯波形曲线。

四、结语

随着电力系统的迅速发展，高压输配电设配的应用越来越广泛，电力系统对断路器的安全性、稳定性、可靠性的要求也越来越高。超高压断路器的的创新设计可不断提高输变电线路的运行可靠性，对改善输送电质量具有重要的意义。

参考文献：

[1]李建基.浅析超高压SF6断路器研究[J].大众用电，2014（02）.

[2]胡宝林.超高压SF6断路器喷口研究[J].沈阳工业大学学报，2014（06）.