高壓開關(guān)用滅弧噴口材料改進(jìn)及制造工藝研究

王春艷 魏建巍

摘 要：滅弧噴口作為高壓開關(guān)設(shè)備滅弧裝置中控制電弧、創(chuàng)造高速氣吹條件的核心絕緣部件，在開斷過程中起著極為重要的作用。隨著高壓開關(guān)開斷電弧能量的增大，滅弧噴口電氣、機(jī)械等的性能要求越來越高。本文從滅弧噴口材料機(jī)理入手，研究了關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)，以期形成完整的制造工藝，促進(jìn)滅弧噴口實(shí)現(xiàn)批量化產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：滅弧噴口;PTEE;填充改性

中圖分類號(hào)：TM215文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）17-0061-03

Research on Material Improvement and Manufacturing Process of Arc Extinguishing Nozzle for High Voltage Switch

WANG Chunyan WEI Jianwei

（Pinggao Group Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467001）

Abstract： As the core insulating component in the arc extinguishing device of high-voltage switchgear that controls the arc and creates high-speed gas blowing conditions， the arc extinguishing nozzle plays an extremely important role in the interruption process. As the energy of the high-voltage switch breaking arc increases， the performance requirements of the arc extinguishing nozzle electrical and mechanical are getting higher and higher. In this paper， starting from the mechanism of arc extinguishing nozzle materials， the process parameters of key manufacturing links were studied in order to form a complete manufacturing process and promote the realization of mass industrial applications of arc extinguishing nozzles.

Keywords： arc extinguishing nozzle;PTEE;filling modification

滅弧噴口是高壓開關(guān)的核心絕緣部件，對(duì)高壓開關(guān)設(shè)備能否實(shí)現(xiàn)滅弧功能、保持開斷能力起著決定作用。當(dāng)高壓開關(guān)開斷短路電流時(shí)，電弧在滅弧噴口處發(fā)生燃弧，引起噴口的表面燒蝕和內(nèi)部分解，因而滅弧噴口材料的性能直接影響著高壓斷路器的開斷能力和使用壽命。滅弧噴口最初由兩種非金屬材料制造，即石墨和聚四氟乙烯（PTFE，懸浮型）。定開距滅弧室通常采用石墨噴口，變開距滅弧室多采用PTFE粉燒結(jié)而成的拉法爾噴口，其中，PTFE滅弧噴口是目前市場(chǎng)上的主要產(chǎn)品，通過將不同的填料加入PTFE中，可以顯著提高基體的耐磨性、機(jī)械強(qiáng)度和硬度等。

1 滅弧噴口的材料性能

PTFE的分子鏈中，氟原子與碳原子結(jié)合，整體的對(duì)稱性比較好，此外，大分子鏈?zhǔn)蔷€性結(jié)構(gòu)，支鏈極少，所以較易形成規(guī)整的排列[1]，特別容易結(jié)晶，結(jié)晶度一般介于55%～75%，但是偶爾可超過90%，PTEE的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

[F][F][F][F][C][C][n]

圖1 PTFE結(jié)構(gòu)

在PTFE中，原來的氫原子被氟原子取代，氟原子半徑為0.064 nm，與氫原子半徑0.028 nm相比，半徑更大，因而碳-碳鏈扭轉(zhuǎn)成螺旋構(gòu)象。該結(jié)構(gòu)使得在碳鏈骨架的外部，形成了被氟包圍的保護(hù)層，因此，PTFE有了良好的穩(wěn)定性;同時(shí)，碳-氟鍵非常牢固，使得PTFE又兼具較好的穩(wěn)定性和惰性。PTFE的特殊結(jié)構(gòu)及組成還使其具有摩擦系數(shù)低、吸水性小、不易燃等特性，即使在高溫下，強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化劑也不能將其腐蝕。此外，PTFE還具有優(yōu)異的耐高溫、耐電弧性能。

但是，在高壓開關(guān)領(lǐng)域，純PTFE作為噴口材料時(shí)，其在電弧作用下會(huì)發(fā)生顯著的表面分解和嚴(yán)重的內(nèi)部破裂[2]，這源于電弧能量的無(wú)規(guī)則吸收，其電氣強(qiáng)度和熱導(dǎo)率等關(guān)鍵性能也略顯不足，因此通常采用填充的方法對(duì)PTFE進(jìn)行改性，通過添加不同的填料，使其內(nèi)部形成新的分子結(jié)構(gòu)，具有更好的性能。試驗(yàn)證明，在PTFE中加入無(wú)機(jī)填料可以有效規(guī)范電弧能量的吸收，減小噴口無(wú)規(guī)則的分解和破裂，提高性能。無(wú)機(jī)填料Al2O3或MoS2具有良好的理化性能，常被作為填料加入PTFE中，以改善復(fù)合材料的耐電弧燒蝕能力和電氣性能。

目前，PTFE的改性技術(shù)主要有四種，分別為共混改性、填充改性、表面改性、化學(xué)改性。其中，填充改性的技術(shù)應(yīng)用較多，是現(xiàn)在比較實(shí)用的改性技術(shù)。

2 填充改性技術(shù)

填充改性PTFE的原理是高分子鏈可以和填料顆粒的內(nèi)外表面形成吸附點(diǎn)，從而形成纏結(jié)網(wǎng)、交聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，改變PTFE的內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)來起到改性作用。其改性性能與填料的含量、成分及填充工藝有密切關(guān)聯(lián)。一般情況下，填料可以分為三大類，即金屬類、無(wú)機(jī)類及高聚物類，目前應(yīng)用較多的填料有碳纖維、玻璃微珠或纖維、石墨、陶瓷等。

3 壓制成型技術(shù)研究

壓制成型技術(shù)方面，目前PTFE樹脂的成型方法有模壓成型、擠壓成型等。其中，模壓成型原理如圖2所示。設(shè)備、模具和工藝簡(jiǎn)便，操作和維修方便，成本低，是目前開關(guān)行業(yè)噴口制備中采用最廣泛的方法之一。

對(duì)模壓成型而言，壓力是關(guān)鍵參數(shù)，壓力值的選擇依據(jù)是既要保證壓坯不會(huì)因?yàn)閴毫^大而開裂或分層，又要保證坯體的致密性。壓制時(shí)間也是影響材料性能的重要因素，對(duì)PTFE而言，力學(xué)性能與壓制時(shí)間呈正相關(guān)。壓制過程的本質(zhì)是應(yīng)力傳遞的過程，同時(shí)還存在一些可逆過程，如壓縮回彈等，壓制時(shí)間的延長(zhǎng)可以提高制品的穩(wěn)定性和力學(xué)性能[3]。在模壓成型過程中，可以采取慢慢加壓的方式，結(jié)合制品的外形和尺寸，合理地控制所加壓力。

但模壓成型工藝存在壓制方法的局限性，壓制方向會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，導(dǎo)致毛坯件的密度不均勻，影響噴口的整體性能。而等靜壓技術(shù)采用液體作為傳壓介質(zhì)，可以使粉料在特制模具中受到各個(gè)方向相同的壓力，毛坯件整體均勻受力，收縮均勻，能較好地解決毛坯件密度的不均勻問題，也是目前噴口制造技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

4 燒結(jié)工藝

經(jīng)過壓制的PTFE毛坯，僅有生料強(qiáng)度，經(jīng)過燒結(jié)之后才具備實(shí)際工程應(yīng)用的強(qiáng)度。燒結(jié)溫度升高到大于340 ℃時(shí)，PTFE的晶相會(huì)消失，表現(xiàn)出無(wú)定形態(tài);燒結(jié)溫度升高，保持在362～378 ℃時(shí)，PTFE顆粒會(huì)開始膨脹并熔結(jié)成一體，同時(shí)，顆粒間存在的孔隙會(huì)隨之消除。PTFE分子鏈活動(dòng)能力不強(qiáng)，所以，需要適度的時(shí)間才可以使它熔結(jié)且消除空隙。但是，如果燒結(jié)時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)降低其強(qiáng)度。在不會(huì)導(dǎo)致降解的燒結(jié)溫度下，保持穩(wěn)定的時(shí)間越長(zhǎng)，其自身內(nèi)部的空隙會(huì)越少，性能也會(huì)越好。燒結(jié)時(shí)重點(diǎn)注意的工藝參數(shù)有燒結(jié)溫度、溫度提升速率、時(shí)間和冷卻速率。

4.1 加熱速率

PTFE樹脂是熱的不良導(dǎo)體，加熱速率越緩慢，燒結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)，制品的表觀質(zhì)量越好，但生產(chǎn)成本也越高。如果加熱速率過快，制品內(nèi)部受熱不均勻，易出現(xiàn)變形，且制品表面會(huì)發(fā)生分解現(xiàn)象，嚴(yán)重影響制品質(zhì)量，因此應(yīng)合理確定加熱速率。

4.2 燒結(jié)溫度

燒結(jié)溫度是制備復(fù)合材料的重要參數(shù)。PTFE的液化溫度為325 ℃，分解溫度為400 ℃，所以燒結(jié)溫度控制十分嚴(yán)格。燒結(jié)溫度升高，燒結(jié)制品的力學(xué)性能會(huì)隨之增加，因?yàn)殡S著燒結(jié)溫度升高，分子鏈段擴(kuò)散、穿插和纏結(jié)作用增強(qiáng)，在出現(xiàn)最高值后，大分子分解，力學(xué)性能會(huì)顯著下降。通常，懸浮型PTFE燒結(jié)溫度為370～380 ℃。

4.3 保溫時(shí)間

PTFE樹脂在燒結(jié)過程中會(huì)發(fā)生相變，需要足夠長(zhǎng)的保溫時(shí)間，才可以使PTFE中不太穩(wěn)定的顆粒團(tuán)變得穩(wěn)定，其內(nèi)部晶格變得均勻，組織更加細(xì)密，PTFE基體與填材的結(jié)合力得到提高，從而提升制品的各項(xiàng)性能參數(shù)。通常要合理把握燒結(jié)時(shí)間，使制品表現(xiàn)為透明的膠體狀。

4.4 冷卻速率

材料冷卻過程中，復(fù)合材料由無(wú)定型相逐漸向結(jié)晶相轉(zhuǎn)變，冷卻的快慢直接影響結(jié)晶度，從而影響材料性能。PTFE導(dǎo)熱性能比較差，如果冷卻太快，非常容易導(dǎo)致制品變形和收縮，甚至出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

此外，人們應(yīng)該根據(jù)制品的形狀、尺寸，選擇燒結(jié)工藝。尺寸越大，加熱速度就應(yīng)越小，保溫時(shí)間越長(zhǎng)。PTFE還有結(jié)晶性，當(dāng)冷卻溫度降低到325 ℃左右時(shí)，材料會(huì)發(fā)生結(jié)晶，因此，有必要在325 ℃以下進(jìn)行保溫，防止制品開裂。

5 結(jié)論

本文對(duì)滅弧噴口材料性能機(jī)理、填充改性及制造工藝進(jìn)行了研究，分析了不同材料配方對(duì)于滅弧噴口機(jī)械性能、電氣絕緣性能、耐熱性能、耐磨性能等綜合性的影響，研究制造過程中的加熱速率、燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間和冷卻速率等燒結(jié)及模壓成型工藝參數(shù)，分析得到適用于高壓開關(guān)用滅弧噴口的材料配方及制造生產(chǎn)的燒結(jié)和模壓成型工藝參數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

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