低溫環(huán)境GIS 開(kāi)關(guān)設(shè)備氣體密封解決方案

◎王保剛

（作者單位：平高集團(tuán)有限公司）

引言：GIS 高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備是我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)主要設(shè)備之一，隨著我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)GIS 高壓開(kāi)關(guān)產(chǎn)品使用要求越來(lái)越嚴(yán)格，使用環(huán)境要求越來(lái)越寬廣。依據(jù)GB/T2900.20-2016《電工術(shù)語(yǔ) 高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》分類的開(kāi)關(guān)中，斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備、金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備均需要?dú)怏w密封結(jié)構(gòu)，其中以氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（簡(jiǎn)稱GIS 開(kāi)關(guān)設(shè)備）氣體密封結(jié)構(gòu)最多，且最復(fù)雜，除了GIS 開(kāi)關(guān)常用的靜態(tài)連接面的靜態(tài)密封（簡(jiǎn)稱：靜密封），還有傳動(dòng)部位的動(dòng)態(tài)密封（簡(jiǎn)稱：動(dòng)密封），而動(dòng)密封又分為直動(dòng)密封和轉(zhuǎn)動(dòng)密封。

目前國(guó)內(nèi)外GIS 開(kāi)關(guān)設(shè)備中，用于靜密封主要密封元件為O 形三元乙丙橡膠（EPDM）密封圈，用于動(dòng)密封主要密封元件為Y 形丁腈膠（NBR）密封圈。O 形密封圈的密封性能是借助于其良好的彈性，在一定的緊固壓力下，長(zhǎng)期處于壓縮狀態(tài)，抵抗變形的彈性使它充填在結(jié)合縫隙中而起到密封作用。Y 形密封圈在密封情況下，利用密封介質(zhì)內(nèi)壓力使用唇部受到周向壓縮，使唇部與密封面配合緊密，使Y 形密封圈形成自密封作用，Y 形密封圈應(yīng)用于動(dòng)密封較多。

依據(jù)中國(guó)地面累年值月值數(shù)據(jù)集（1981-2010 年）統(tǒng)計(jì)，我國(guó)東北主要城市地區(qū)近四十年極端溫度在+43.3℃～-45.4℃，西北主要城市地區(qū)近四十年極端溫度在+47.7℃～-41.6℃。根據(jù)電網(wǎng)建設(shè)最新要求，環(huán)境溫度低于-40℃時(shí)，可將開(kāi)關(guān)設(shè)備建設(shè)于室內(nèi)使用。所以，以國(guó)內(nèi)某高壓GIS開(kāi)關(guān)設(shè)備密封結(jié)構(gòu)，僅探究靜密封和動(dòng)密封在低溫-40℃環(huán)境中的應(yīng)用解決方案，可滿足國(guó)內(nèi)所有主要求城市開(kāi)關(guān)建設(shè)需求。

一、密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以國(guó)內(nèi)某高壓GIS 開(kāi)關(guān)設(shè)備密封結(jié)構(gòu)為例，O 形密封圈與T 形密封槽配合主要適用于靜密封結(jié)構(gòu)，Y 形密封圈與矩形密封槽配合主要適用于動(dòng)密封結(jié)構(gòu)。密封圈及密封槽的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1 示意，根據(jù)氣體密封要求，氣體介質(zhì)為六氟化硫氣體或其它混合氣體，根據(jù)產(chǎn)品泄漏率設(shè)計(jì)要求，本次試驗(yàn)樣件選取密封結(jié)構(gòu)壓縮率為20%～25%，零部件密封部位粗糙度為0.8～1.6μm。O 形圈及Y 形圈的選用可參考GB/T3452.1-2005 及GB/T10708.1-2000 規(guī)定。

圖1 a 靜密封結(jié)構(gòu)

圖1 b 動(dòng)密封結(jié)構(gòu)

根據(jù)使用環(huán)境要求，本次選用密封圈試驗(yàn)均要滿足+80℃～-40℃環(huán)境溫度循環(huán)考驗(yàn)，對(duì)O 形三元乙丙膠采用EPDM-70高低溫型膠料制成密封圈，Y 形丁腈膠采用NBR-518 高低溫型膠料制成密封圈，主要參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1、表2。

表1 EPDM-70 主要參數(shù)指標(biāo)

表2 NBR-518 主要參數(shù)指標(biāo)

對(duì)密封件材料性能的確定和合理的密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過(guò)嚴(yán)格的高低溫循環(huán)試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)及密封元件的使用性能是否能滿足使用要求。

二、試驗(yàn)部分

密封結(jié)構(gòu)零部件按照設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)，符合尺寸、粗糙度要求，滿足密封設(shè)計(jì)壓縮率要求。

通過(guò)單件檢測(cè)，在確定密封元件及整機(jī)試驗(yàn)用的零部件（密封槽）均符合設(shè)計(jì)要求的條件下，通過(guò)裝配后進(jìn)行整機(jī)的高低溫循環(huán)試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)、工藝、密封結(jié)構(gòu)的有效。

1.試驗(yàn)過(guò)程。依據(jù)GIS 開(kāi)關(guān)設(shè)備的在我國(guó)東北、西北地區(qū)的使用環(huán)境要求，及橡膠密封圈的物理特性，通過(guò)模擬O 形密封結(jié)構(gòu)、Y 形密封結(jié)構(gòu)整機(jī)的低溫環(huán)境，擬進(jìn)行高低溫循環(huán)試驗(yàn)方法，加速密封圈高低溫物理特性轉(zhuǎn)變，探究該密封圈有硬度、低溫脆性及密封結(jié)構(gòu)能否滿足以上環(huán)境使用要求，具體試驗(yàn)步驟如下：

（1）O 形密封圈試驗(yàn)步驟。1）O 形密封圈裝入試驗(yàn)裝置中，裝置充入0.65MPa 的六氟化硫氣體；2）對(duì)密封面使用塑料膜包扎成定容積氣腔（下稱：包扎氣腔），室溫24h 后使用0.01 級(jí)精度六氟化硫定量檢測(cè)儀（下稱：檢測(cè)儀）進(jìn)行檢測(cè)，年泄漏率不高于0.1%；3）試驗(yàn)裝置整體放入高低溫柜80℃×8h→0℃×4h→-20℃×4h→-40℃×8h 進(jìn)行第1 個(gè)循環(huán)；4）對(duì)包扎氣腔定量檢測(cè)，年泄漏率不高于0.1%；5）拆除包扎氣腔，使用檢測(cè)儀檢測(cè)，不允許有泄漏；6）重新對(duì)密封面使用塑料膜包扎成定容積氣腔，再次放入高低溫柜進(jìn)行第3）～5）步驟共進(jìn)行5 個(gè)高低溫循環(huán)；7）5 個(gè)循環(huán)試驗(yàn)完畢，重新對(duì)密封面使用塑料膜包扎成定容積氣腔，放入室溫環(huán)境24h 按第4）～5）條進(jìn)行試驗(yàn)；8）試驗(yàn)結(jié)束。

（2）Y 形密封圈試驗(yàn)步驟。1）Y 形密封圈裝配試驗(yàn)裝置中，裝置充入0.45MPa 的六氟化硫氣體；2）對(duì)試驗(yàn)試裝Y 形密封圈密封用轉(zhuǎn)運(yùn)軸分別正反轉(zhuǎn)運(yùn)各50 次；3）對(duì)密封面使用塑料膜包扎成定容積氣腔（下稱：包扎氣腔），室溫24h 后使用0.01 級(jí)精度六氟化硫定量檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)（下稱：檢測(cè)儀），年泄漏率不高于0.1%；4）試驗(yàn)裝置整體放入高低溫柜80℃×8h→0℃×4h→-20℃×4h→-40℃×8h 進(jìn)行第1 個(gè)循環(huán)；5）對(duì)包扎氣腔進(jìn)行檢測(cè)，年泄漏率不高于0.1%；6）拆除包扎氣腔，對(duì)密封用轉(zhuǎn)運(yùn)軸分別正反轉(zhuǎn)運(yùn)各50 次，使用檢測(cè)儀檢測(cè)，不允許有泄漏；7）重新對(duì)密封面使用塑料膜包扎成定容積氣腔，再次放入高低溫柜進(jìn)行第4）～6）步驟共進(jìn)行5 個(gè)高低溫循環(huán)；8）5 個(gè)循環(huán)試驗(yàn)完畢，重新對(duì)密封面使用塑料膜包扎成定容積氣腔，放入室溫環(huán)境24h 按第5）～6）條進(jìn)行試驗(yàn)；9）試驗(yàn)結(jié)束。

2.試驗(yàn)結(jié)果。

（1）O 形密封圈及密封結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)O 形密封圈及密封結(jié)構(gòu)試驗(yàn)裝置進(jìn)行裝配，并按照試驗(yàn)步驟進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置及結(jié)果如下：

表3 O 形密封圈低溫試驗(yàn)結(jié)果

（2）Y 形密封圈及密封結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)Y 形密封圈及密封結(jié)構(gòu)試驗(yàn)裝置進(jìn)行裝配，并按照試驗(yàn)步驟進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置及結(jié)果如下：

表4 O 形密封圈低溫試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)上述試驗(yàn)后，對(duì)試驗(yàn)密封結(jié)構(gòu)檢測(cè)值進(jìn)行分析，未出現(xiàn)明顯泄漏現(xiàn)象，兩種密封結(jié)構(gòu)經(jīng)高低溫試驗(yàn)后，密封性能良好。

依據(jù)GB/T11022-2011《高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求》，對(duì)檢測(cè)值進(jìn)行泄漏率計(jì)算：

漏氣率:

式中：P(大氣壓強(qiáng))--105Pa；V(檢漏罩減去試品的容積)，ml；K(檢漏罩內(nèi)SF6氣體的濃度增加值即K2-K1)，體積比值；t(扣罩收集SF6氣體含量的時(shí)間)，s。

年漏氣重量的計(jì)算:

式中：＝SF6氣體密度，6.15kg/m3(latm 20℃)；T ＝1 年 的 小 時(shí) 數(shù)，365×24h ＝8760h；V＝試驗(yàn)容積，Vm3；K＝SF6氣體濃度變化，V/V；t＝放置時(shí)間，(h)。

年漏氣率：

式中：G＝年漏氣重量，kg；M＝該氣室充入SF6氣體重量，kg。

通過(guò)計(jì)算，兩種密封圈及該密封結(jié)構(gòu)年泄漏率均遠(yuǎn)小于0.1%要求，滿足GIS 開(kāi)關(guān)設(shè)備低溫環(huán)境地區(qū)的氣密性能要求。

三、總結(jié)

1.O 形EPDM-70 高低溫型膠料制成密封圈及Y 形NBR-518 高低溫型膠料制成密封圈，經(jīng)實(shí)際工況驗(yàn)證在+80℃～-40℃時(shí)環(huán)境中物理特性未發(fā)生明顯變化。

2. 該密封圈與以上密封結(jié)構(gòu)配合下，保證壓縮率為20%～25%，零部件密封部位粗糙度為0.8～1.6μm 工況下，可滿足GIS 開(kāi)關(guān)設(shè)備氣體密封要求。

3. 經(jīng)驗(yàn)證以上密封結(jié)構(gòu)工況下，經(jīng)+80℃～-40℃環(huán)境溫度循環(huán)試驗(yàn)，年泄漏率低于0.1%。

4. 以 上 試 驗(yàn) 表 明，EPDM-70 及NBR-518 密封圈在特定的密封結(jié)構(gòu)的下，經(jīng)科學(xué)的工藝裝配完成，是保障氣體密封性能前提。

5.針對(duì)該密封圈并不能表明完全可應(yīng)用于其它開(kāi)關(guān)設(shè)備的密封結(jié)構(gòu)中，密封圈尺寸與密封結(jié)構(gòu)尺寸的公差配合尤為重要，對(duì)于超溫度范圍或許配合不同的尺寸公差仍需進(jìn)一步探究。