Page 53 - 理化检验-物理分册2023年第六期
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张涛锋, 等: 自能灭弧室用喷口性能的改进方法
光反射, 防止填料进入树脂内部, 避免内部劣化, 同 降低。
时使得喷口的光反射率增加。 ( 4 ) PTFE 在气化时消耗大量的能量, 发挥着
目前, 国内喷口成型工艺主要为模压烧结成型, 冷却电弧的作用。
模压过程中的外部压力与内部压力不能同时保证, 用纯 PTFE 制作的喷嘴也有以下缺点。
另外 PTFE 的导热性较差, 在烧结过程中, 喷口制 ( 1 ) PTFE 吸收能量及温度升高后, 会发生转
品的温度分布均匀性难以控制, 喷口承受着较大的 变、 松弛和分解等现象, 在327℃时, 其表面易崩裂,
灭弧室冲击负载及开断过程中高温膨胀气体的压 或蒸发形成孔洞, 喷口烧蚀量大。
力, 存在一定的安全隐患。 ( 2 )纯 PTFE 吸收电弧辐射的热能和光能, 但
笔者通过对喷口填料、 成型方法、 烧结工艺进行 能量吸收无规则性、 不均匀。在断路器开断时产生
研究, 提出了适用于自能灭弧室用喷口的成型方案, 电弧的热及大量紫外线辐射的作用下, 树脂表面和
分析了断路器设备喷口在试验过程中的失效原因, 内部均生成具有导电性的碳化物, 绝缘性大幅度降
提出了优化设计方案。 低, 缩短了喷口的寿命。
1 喷口填料 ( 3 )树脂表面凹凸不平, 大幅降低了喷口的力
学性能。
喷口材料的烧蚀是电弧、 吹弧介质及喷口的热 - 综上所述, 在制备喷口的过程中, 需添加不同成
力综合效应, 喷口性能直接影响到高压断路器的开 分、 不同含量的无机填料, 以改善其光反射性、 耐电
断性能和使用寿命。以 252kV 断路器为例, 其短 弧烧蚀能力、 力学性能及电气绝缘性能 [ 4-5 ] 。在喷口
时耐受电流为50kA ( 3s ), 在50kA 的大电流电弧
中添加无机填料后, 均匀分布的、 吸热能力强的填料
烧灼下, 喷口表面温度可达3000℃以上 [ 3 ] 。
粒子使喷口表层吸热均匀。
高压断路器喷口的聚四氟乙烯树脂的性能如表
加入 BN 等填料后, 复合 PTFE 的介电常数减
1所示。 小, 可见光区的光反射率提高, 紫外光区的光反射率
表1 PTFE的性能
稍有降低, 耐电弧烧蚀性能提高 [ 6-7 ] 。
项目 标准值
1.1 PTFE中添加 BN
-3 )
密度 /( g · cm 2.1~2.3 3
BN 为白色粉末, 密度为2.43gcm , 热膨胀系
/
-1
导热系数 /[ W ·( m · K ) ] 0.29
-6 -1 , 熔点为2700℃ , 介电强度为
数为2.0×10 ℃
相对介电常数 2.2
30kV / mm , 其比定压热容大、 导热系数大, 高温状
-1
比定压热容 /[ kJ ·( k g · K ) ] 1.47
态( 1800℃ ) 也有良好的绝缘性能。在 PTFE 树脂
-5 -1
热膨胀系数 /( ×10 ℃ ) 16
中填充 BN , 可以将来自电弧的光反射, 防止其进入
熔点 / ℃ 327
树脂内部, 避免喷口内部劣化。填充了氮化硼的
抗拉强度 / MPa ≥25
PTFE 的颜色变得比未填充的白, 光反射率也变大,
平均粒径 / m 8~14
μ
但是氮化硼混料不匀、 高温烧结气体渗入 PTFE 等
-1
介电强度 /( kV · mm ) ≥100
原因会造成喷口颜色不均或发生点状变色的现象。
变色部分更容易吸收来自电弧的热及紫外线,
断路器用的耐弧、 耐烧蚀材料, PTFE
作为 SF 6
有以下明显优势。 有可能成为局部劣化的原因。因此, 基本不使用有
( 1 ) PTFE 属于结晶型高分子化合物, 其分子 显著的颜色不均或变色部分的绝缘物, 与不填充氮
结构具有特殊性, 氟原子的电负性较强, C — F 键能 化硼的情况相比, 填充氮化硼 PTFE 的品质管理较
大, 因此其具有优异的绝缘性能、 耐热性能、 灭弧性 困难, 且管理成本较大, 难以提高生产效率。
能和力学性能。 此外, 在含氟树脂中, 氮化硼的填充量也直接影
( 2 ) PTFE 熔融时的黏度较高, 即使在高温下 响绝缘件的耐烧蚀性能, 研究表明: 加入少量 BN 能
熔融, PTFE 也能够维持原来的形状特征, 在电弧加 使能量渗入深度大, 能量分布散开, 表层能量密度下
热的情况下, 其也不会发生热变形。 降, 烧蚀起始时间延长, 烧蚀量下降; 填料加入量过
( 3 )在高温电弧的作用下, PTFE 树脂经过加 少的 PTFE 与纯 PTFE 的性能一样; 若填料加入量
热分解, 构成高分子的单元结构气化, 绝缘性能 太大, 能量很快被表层吸收, 能量渗入深度反而下
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