高壓開關(guān)的潤(rùn)滑技術(shù)

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摘要：通過對(duì)德國(guó)工業(yè)潤(rùn)滑相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、相關(guān)實(shí)驗(yàn)及實(shí)際高壓開關(guān)設(shè)備的潤(rùn)滑應(yīng)用工況，解析了高壓電氣接觸、SF6動(dòng)態(tài)密封和操動(dòng)機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑優(yōu)化依據(jù)和典型的行業(yè)應(yīng)用?？偨Y(jié)了高壓電氣接觸潤(rùn)滑、操動(dòng)機(jī)構(gòu)、GIS密封潤(rùn)滑劑應(yīng)用的成分、種類選擇：低于60 kV的電氣接觸潤(rùn)滑，考慮到應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性可選擇PAO（全合成烴類）+特殊皂基專用電氣接觸潤(rùn)滑脂；高于60 kV的電氣接觸潤(rùn)滑必須選擇PFPE（全氟聚醚）+PTFE（聚四氟乙烯類)專用特制電氣接觸潤(rùn)滑脂；SF6動(dòng)態(tài)密封根據(jù)使用的橡膠材料EPDM，需要使用PG（聚乙二醇類）、硅基礎(chǔ)、PFPE類潤(rùn)滑脂，潤(rùn)滑的關(guān)鍵是和EPDM兼容性好，高粘附性但具有低摩擦系數(shù)、抗腐蝕性介質(zhì)；彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑需要考慮潤(rùn)滑脂的抗老化性、負(fù)載、運(yùn)動(dòng)方式、工作環(huán)境等要求，綜合考慮，合理選擇才能達(dá)到長(zhǎng)效、安全、可靠、穩(wěn)定的潤(rùn)滑應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)設(shè)備潤(rùn)滑；電氣接觸潤(rùn)滑；電氣觸頭潤(rùn)滑；密封潤(rùn)滑；操動(dòng)機(jī)構(gòu)長(zhǎng)效潤(rùn)滑；綜述 0引言 潤(rùn)滑對(duì)中高壓開關(guān)設(shè)備的安全性、可靠性、耐久性、環(huán)境適應(yīng)性有著非常重要的影響，尤其對(duì)60 kV以上的高壓開關(guān)設(shè)備，主要體現(xiàn)在操動(dòng)機(jī)構(gòu)、電氣觸頭、GIS密封潤(rùn)滑方面。 1電氣接觸潤(rùn)滑高壓開關(guān)也是需要電氣觸點(diǎn)潤(rùn)滑的，但由于高電勢(shì)及真空、SF6氣態(tài)環(huán)境，又和其他電器的潤(rùn)滑要求明顯不同。首先必須澄清電氣接觸潤(rùn)滑脂不是導(dǎo)電脂，導(dǎo)電脂是潤(rùn)滑劑的一個(gè)應(yīng)用分類，主要用于復(fù)印機(jī)等電子設(shè)備的軸承，是以潤(rùn)滑脂和軸承接地作為電路一部分，一般含有15%以上的金屬粉末，電阻率達(dá)到10 000Ω•cm以上（DIN 53482—1983標(biāo)準(zhǔn)專門針對(duì)電氣接觸潤(rùn)滑脂的電阻測(cè)量）[1]，而電氣開關(guān)的潤(rùn)滑脂都是高電阻，甚至比陶瓷材料還高，表1為幾種導(dǎo)體、絕緣體和典型潤(rùn)滑脂的電阻率。潤(rùn)滑脂具有高電阻、高介電強(qiáng)度，其抗電勢(shì)擊穿能力也高，在電氣觸頭靠近過程中，如果沒有電氣接觸潤(rùn)滑脂，電弧將直接擊穿介質(zhì)（可能是空氣、為基礎(chǔ)成分的更高介電強(qiáng)度和耐高溫（短時(shí)間可到300℃）的EVPT54和FK164性能更好，但價(jià)格是幾百歐元，比較昂貴。但如果分配到每個(gè)開關(guān)上的成本并不是不可接受，因?yàn)槊總€(gè)觸頭的用量實(shí)在是比較少。圖3為專為真空開關(guān)開發(fā)的某種潤(rùn)滑脂（PFPE+PTFE基礎(chǔ)）在真空度、溫度變化下的蒸發(fā)壓力。 1.2 GIS的電氣接觸潤(rùn)滑（60~750 kV）SF6斷路器的滅弧室和支持瓷套中都充有SF6氣體，其壓力在0.5～0.7 MPa，由于SF6比較性質(zhì)穩(wěn)定，其介電強(qiáng)度比較大，有利于滅弧。近年來，GIS在國(guó)內(nèi)受到用戶青瞇，特別在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)、大都市、大型電力用戶及水電工程中應(yīng)用越來越廣泛。為60~750 kV典型的GIS斷路器、SF6氣室結(jié)構(gòu)。根據(jù)其工作原理和要求，在SF6的電氣觸頭潤(rùn)滑脂，除了電氣潤(rùn)滑的常規(guī)要求，還必須滿足如下條件：①含有極低水分；②抗SF6高壓分解產(chǎn)生的HF等腐蝕介質(zhì)；③無或極低油脂本身成分揮發(fā)；④有足夠的抗擊穿電壓及介電強(qiáng)度；⑤有利于縮短滅弧時(shí)間；⑥工作溫度范圍為-30~200℃，無滴點(diǎn)；⑦對(duì)銅鎢合金附著性強(qiáng)。SF6的氣室含水率應(yīng)該控制在100μL/L以內(nèi)，含水率超標(biāo)會(huì)降低滅弧能力。此外，水分子和SF6在高壓下產(chǎn)生反應(yīng)，形成HF腐蝕性物質(zhì)，腐蝕觸頭及其他零部件；油脂本身的揮發(fā)率低更有利于保證潤(rùn)滑脂留存于觸頭表面，有足夠的抗擊穿電壓和介電強(qiáng)度，有利于減少電弧能力及縮短滅弧時(shí)間；耐高溫性能極大降低了結(jié)焦積碳的可能。對(duì)于非自力型觸頭，應(yīng)用潤(rùn)滑劑可以對(duì)觸指設(shè)計(jì)中的彈力和撓度考慮簡(jiǎn)單化。為常用于GIS電氣接觸潤(rùn)滑脂的性能指標(biāo)。滿足了以上條件的只有專門為此制造的PFPE+PTFE潤(rùn)滑脂，其對(duì)真正實(shí)現(xiàn)20年免維護(hù)、提高可靠性、縮短滅弧時(shí)間、保持接觸電阻穩(wěn)定、降低觸頭摩擦磨損有著非常重要的作用。 2操動(dòng)機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑（以彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)為例)操動(dòng)機(jī)構(gòu)是高壓開關(guān)設(shè)備的執(zhí)行部分，開關(guān)的控制保護(hù)作用都依賴于操動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠、準(zhǔn)確的工作，據(jù)統(tǒng)計(jì)70%的中高壓開關(guān)事故來自操動(dòng)機(jī)構(gòu)的細(xì)小故障，如運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)卡滯、運(yùn)動(dòng)行程不夠等。無疑操動(dòng)機(jī)構(gòu)各個(gè)摩擦點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)順暢、縮短反應(yīng)時(shí)間是安全性的重要保證?，F(xiàn)在大多數(shù)制造企業(yè)和用戶都要求中高壓開關(guān)有效壽命達(dá)到20年，那么用什么實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證？大多數(shù)制造操動(dòng)機(jī)構(gòu)的企業(yè)都說明自己產(chǎn)品機(jī)械壽命達(dá)到10 000次，但這10 000次壽命是否能代表有效壽命能達(dá)到20年？這個(gè)機(jī)械壽命是臺(tái)架試驗(yàn)中獲得，缺少了實(shí)際工作中的溫度與濕常用于GIS電氣接觸潤(rùn)滑脂的性能指標(biāo)性能指標(biāo)BERULUBFK164-2VPT54-2成分PFPE+PTFE+特殊添加劑PFPE+PTFE+特殊添加劑工作溫度范圍/℃-50~250，短時(shí)達(dá)300-30~260，短時(shí)達(dá)300滴點(diǎn)無無揮發(fā)率40℃無無NLGI 2 2基礎(chǔ)油粘度（40℃）（/mm•2s-1）160 210分油率（40℃，168h）/%最大3最大5介電強(qiáng)度/（kV•mm-1）74.5 69.7常態(tài)含水率/（μL•L-1）5.96 7.24圖4 60~750 kV典型的GIS斷路器、SF6氣室結(jié)構(gòu)表3常用于中壓開關(guān)真空觸頭的潤(rùn)滑脂性能指標(biāo)性能指標(biāo)BERULUBFK60 BERUTOXFB22工作溫度范圍/℃-50~160-40~180滴點(diǎn)大于240大于230NLGI 2 2基礎(chǔ)油粘度（40℃）（/mm•2s-1）32 50分油率（80℃，168 h）/%最大3最大3介電強(qiáng)度/（kV•mm-1）45.5 48.5常態(tài)含水率/（μL•L-1）106 112度變化、氧化與老化腐蝕等因素影響，這些影響的時(shí)效變化更是無法短時(shí)間模擬出來的。受這些因素影響最大的部件和材料有金屬（其在潮濕環(huán)境容易生銹）、橡膠和塑料（容易老化氧化，也容易受溫度影響，發(fā)生強(qiáng)度、硬度和尺寸變化）等，除了這些，潤(rùn)滑劑也易受這些因素影響。以目前應(yīng)用最廣的彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)為例，要想真正達(dá)到操動(dòng)機(jī)構(gòu)的終身潤(rùn)滑（20年），必須考慮如下幾個(gè)潤(rùn)滑脂的性能指標(biāo)，也就是必須滿足這方面的指標(biāo)，才是達(dá)到希望的20年終身潤(rùn)滑的目的：①抗氧化老化性能優(yōu)秀，建議指標(biāo)低于0.08 MPa（技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)DIN 51808[2]和ASTM D942）；②低揮發(fā)率（根據(jù)實(shí)際工作溫度）；③抗剪切（DIN ISO 2137)；④適應(yīng)環(huán)境溫度為-40~120℃（DIN 51821Pt2，DIN51805）；⑤對(duì)金屬，塑料等部件表面附著性好；⑥對(duì)橡膠、塑料等有機(jī)材料兼容性好（DIN EN ISO 4599，DIN 53504）[3-4]；⑦抗水沖刷性能優(yōu)秀，建議0~1級(jí)（技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)DIN 51807Pt1)；⑧抗腐蝕性，建議油脂覆蓋下達(dá)到150 h以上（DIN 50021，35℃，5%NaCi）[5]。根據(jù)每個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式、接觸材質(zhì)、負(fù)載、可靠性要求、環(huán)境要求來選擇潤(rùn)滑劑，當(dāng)然，潤(rùn)滑脂是非牛頓流體，粘附性好，不需要特別密封裝置，是操動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化潤(rùn)滑的首選。圖5為3種ABB的彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)。ABB的彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)以上3種彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，存在小型齒輪、凸輪、滑動(dòng)導(dǎo)軌、傳動(dòng)絲桿、滑動(dòng)襯套、轉(zhuǎn)動(dòng)銷軸、彈簧盒、連桿機(jī)構(gòu)等部件的潤(rùn)滑，以絲桿潤(rùn)滑為例，針對(duì)不同的負(fù)載、速度、接觸材料、環(huán)境溫度、導(dǎo)軌行程，可以利用OGP試驗(yàn)及TANNERT試驗(yàn)來對(duì)潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)行分析，有助于驗(yàn)證線性導(dǎo)軌的壽命及潤(rùn)滑表現(xiàn)，其同樣是可以量化的。圖6為某絲桿傳動(dòng)潤(rùn)滑試驗(yàn)及溫度關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)力矩曲線，為潤(rùn)滑脂BERULUB FR16B在振動(dòng)條件下的TANNERT試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線（模擬傳動(dòng)絲桿）。當(dāng)然，中高壓設(shè)備制造商做到如此深度的潤(rùn)滑優(yōu)化時(shí)需要潤(rùn)滑技術(shù)上的巨大支持和專業(yè)的合作伙伴，這是國(guó)內(nèi)潤(rùn)滑行業(yè)欠缺的地方。楚格潤(rùn)滑技術(shù)是這方面的佼佼者，在中高壓電氣潤(rùn)滑方面創(chuàng)造了很多成功的前沿研究和應(yīng)用，其中他們?yōu)閺椈刹賱?dòng)機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑開發(fā)的BERULUB FR16B、CERITOLPK1 SOFT等產(chǎn)品隨著ABB、西門子、施耐德等公司的中高壓開關(guān)設(shè)備步入全球各地，這兩個(gè)產(chǎn)品可以應(yīng)用于彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的所有潤(rùn)滑點(diǎn)，其潤(rùn)滑特性如下：①合成潤(rùn)滑脂，無礦物成分，PAO合成基礎(chǔ)油；②工作溫度范圍為-50~140℃；③抗氧化老化優(yōu)秀（DIN 51808，90℃，初始氧氣壓力0.7 MPa，100 h后壓力降低0.06 MPa）[2]；④低揮發(fā)率;⑤抗剪切（常溫下，DIN 2137標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)50 000次不出現(xiàn)發(fā)白，漿糊狀）[6]；⑥對(duì)NBR，CR等橡膠、PA、POM、ABS、PC等塑料有機(jī)材料兼容性好；⑦抗水沖刷性能優(yōu)秀，0~1級(jí)（技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)DIN 51807Pt1)；⑧抗腐蝕性，達(dá)到150 h以上（DIN 50021，35℃，5%NaCi）[5]。無論是何種摩擦條件，針對(duì)不同的負(fù)載、運(yùn)動(dòng)方式、工作環(huán)境、使用要求，需要選擇合適成分、粘度和稠度的潤(rùn)滑脂。對(duì)于其他部件和電磁、永磁等注：曲線為同一傳動(dòng)絲桿采用3種不同潤(rùn)滑脂，隨著溫度變化其啟動(dòng)力矩的變化。圖6某絲桿傳動(dòng)潤(rùn)滑試驗(yàn)及溫度關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)力矩曲線圖7潤(rùn)滑脂BERULUB FR16B在振動(dòng)條件下的TANNERT試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線（模擬傳動(dòng)絲桿）BERULUB FR16B2010年05月第46卷第5期其他種類操動(dòng)機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑，由于篇幅有限，就不在此介紹了。3 GIS的密封潤(rùn)滑一般認(rèn)為，將每年的漏氣率控制在氣體總重量的1％以下才能保證20年的使用壽命。SF6氣室一般不會(huì)輕易泄漏，SF6本身沒有毒性，但是泄漏空氣中會(huì)分解成有毒氣體。在相同的環(huán)境溫度下，氣壓表的指示值在逐步下降時(shí)，說明SF6斷路器漏氣，造成漏氣的原因是多樣的，雖然出廠年漏氣率控制在1%，但運(yùn)行1～2年會(huì)升高。其泄露主要有以下原因：①設(shè)計(jì)因素，包括密封件形式、密封潤(rùn)滑、機(jī)械尺寸精度等；②裝配精度和清潔度；③工藝，如筒體的時(shí)效問題，焊縫質(zhì)量問題；④出廠檢驗(yàn)沒有按照標(biāo)準(zhǔn)溫度調(diào)整。整個(gè)結(jié)構(gòu)約有14~17個(gè)密封環(huán)節(jié)，除主軸出機(jī)構(gòu)箱底板有一轉(zhuǎn)動(dòng)密封外，其余都是固定密封，屬于靜態(tài)密封。靜態(tài)密封主要是依靠橡膠密封件的變形率來達(dá)到，對(duì)于SF6的壓力，一般20%左右的靜態(tài)密封變形率就可以有效保持密封，關(guān)鍵選擇合適材質(zhì)的密封件，現(xiàn)在基本上實(shí)現(xiàn)共識(shí)采用EPR類橡膠EPDM材料，耐溫范圍為-40~150℃，抗老化氧化性能優(yōu)秀，但此材料不是耐油橡膠（和NBR材料相比），和一般的礦物油、PAO油都會(huì)發(fā)生兼容性問題，依據(jù)化學(xué)鍵的極性原理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，只有PG、硅類、PFPE類潤(rùn)滑劑是適合EPDM類橡膠材料長(zhǎng)效潤(rùn)滑的。為了組裝不發(fā)生密封件安裝不到位及容易安裝，靜態(tài)密封的安裝也需要使用潤(rùn)滑劑。無論是靜態(tài)密封還是動(dòng)態(tài)密封的潤(rùn)滑，都需要按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行橡膠兼容性試驗(yàn)和評(píng)估，例如德國(guó)DIN 53504標(biāo)準(zhǔn)[4]。除了上面包括的PG、硅油、PFPE類潤(rùn)滑劑，也開始使用涂層類潤(rùn)滑產(chǎn)品，例如BERUCOAT系類產(chǎn)品，該類產(chǎn)品是液態(tài)的，在涂抹或噴涂于橡膠表面干燥后，形成一個(gè)穩(wěn)定的、不粘滯的干性潤(rùn)滑涂層，表面摩擦系數(shù)可以降到0.03，安裝過盈配合的橡膠材料比較容易，也有利于橡膠件的抗氧化老化，防止和金屬件的粘結(jié)。安裝密封件時(shí)對(duì)密封面槽及密封圈進(jìn)行清揩，擦去油污和塵屑，涂抹好潤(rùn)滑劑再安裝密封件。動(dòng)態(tài)密封為兩O型圈或雙唇結(jié)構(gòu)密封圈，這些結(jié)構(gòu)會(huì)因橡膠壓縮量選取不當(dāng)、冬夏溫差的變化、密封圈本身的磨損、錯(cuò)位和變形而導(dǎo)致漏氣。如果達(dá)到20年有效的動(dòng)態(tài)密封，需要依靠密封件本身質(zhì)量、潤(rùn)滑、加工及安裝精度的整體配合達(dá)到。GIS的動(dòng)態(tài)密封經(jīng)驗(yàn)如下：1）法蘭密封結(jié)合面與密封槽的精加工要求▽6～▽7，對(duì)于密封槽需要進(jìn)行高精度加工。2）安裝密封件時(shí)對(duì)密封面槽及密封圈進(jìn)行清揩，擦去油污和塵屑，再涂上密封脂。3）選擇合適硬度的橡膠圈，一般采用的壓縮量15%～25%，若以加大壓縮量來獲得短時(shí)密封效益，往往會(huì)造成橡膠磨損加大，縮短密封圈的密封壽命。4）動(dòng)密封采用：①低摩擦特種硅類脂BERULUBSIHAF 2:溫度范圍寬，橡膠磨損低，缺點(diǎn)是對(duì)SF6氣體分解物HF等敏感；②低摩擦特脂BERUPLEXLG21 F：含PTFE，溫度范圍寬，橡膠磨損低，低摩擦系數(shù)，缺點(diǎn)是對(duì)SF6氣體分解物HF等敏感；③全合成潤(rùn)滑脂EVPT54-1，極低揮發(fā)率，工作溫度范圍寬，抗HF等腐蝕性介質(zhì)，較低的磨損和摩擦系數(shù)。選擇密封橡膠的材質(zhì)時(shí)請(qǐng)注意其炭黑、石蠟含量，低質(zhì)量的相膠往往加入了過多的這兩種材料，造成其彈性穩(wěn)定性、強(qiáng)度等大幅下降，影響動(dòng)態(tài)密封穩(wěn)定性。 4結(jié)語 安全、可靠、耐久是高壓電氣潤(rùn)滑的關(guān)鍵，60 kV以下的高壓開關(guān)可以選擇鋇皂基+PAO基礎(chǔ)的潤(rùn)滑劑，60 kV以上GIS及真空高壓開關(guān)的電氣觸頭需用專門特制的PFPE+PTFE（全氟聚醚+聚四氟乙烯）高性能潤(rùn)滑脂；操動(dòng)機(jī)構(gòu)除了耐溫性、基礎(chǔ)油粘度、材料兼容性、潤(rùn)滑效果，其抗老化性、耐溫性、揮發(fā)率、抗腐蝕性指標(biāo)是非常值得需要參考的設(shè)計(jì)指標(biāo)。 參考文獻(xiàn)： [1]DIN 53482.用于電氣接觸潤(rùn)滑劑的電阻測(cè)量方法和評(píng)價(jià)[S]. 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