高壓開關(guān)的潤滑技術(shù)

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摘要：通過對德國工業(yè)潤滑相關(guān)標(biāo)準、相關(guān)實驗及實際高壓開關(guān)設(shè)備的潤滑應(yīng)用工況，解析了高壓電氣接觸、SF6動態(tài)密封和操動機構(gòu)的潤滑優(yōu)化依據(jù)和典型的行業(yè)應(yīng)用。總結(jié)了高壓電氣接觸潤滑、操動機構(gòu)、GIS密封潤滑劑應(yīng)用的成分、種類選擇：低于60 kV的電氣接觸潤滑，考慮到應(yīng)用經(jīng)濟性可選擇PAO（全合成烴類）+特殊皂基專用電氣接觸潤滑脂；高于60 kV的電氣接觸潤滑必須選擇PFPE（全氟聚醚）+PTFE（聚四氟乙烯類)專用特制電氣接觸潤滑脂；SF6動態(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類潤滑脂，潤滑的關(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)；彈簧操動機構(gòu)的潤滑需要考慮潤滑脂的抗老化性、負載、運動方式、工作環(huán)境等要求，綜合考慮，合理選擇才能達到長效、安全、可靠、穩(wěn)定的潤滑應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)設(shè)備潤滑；電氣接觸潤滑；電氣觸頭潤滑；密封潤滑；操動機構(gòu)長效潤滑；綜述 0引言 潤滑對中高壓開關(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60 kV以上的高壓開關(guān)設(shè)備，主要體現(xiàn)在操動機構(gòu)、電氣觸頭、GIS密封潤滑方面。 1電氣接觸潤滑高壓開關(guān)也是需要電氣觸點潤滑的，但由于高電勢及真空、SF6氣態(tài)環(huán)境，又和其他電器的潤滑要求明顯不同。首先必須澄清電氣接觸潤滑脂不是導(dǎo)電脂，導(dǎo)電脂是潤滑劑的一個應(yīng)用分類，主要用于復(fù)印機等電子設(shè)備的軸承，是以潤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，電阻率達到10 000Ω•cm以上（DIN 53482—1983標(biāo)準專門針對電氣接觸潤滑脂的電阻測量）[1]，而電氣開關(guān)的潤滑脂都是高電阻，甚至比陶瓷材料還高，表1為幾種導(dǎo)體、絕緣體和典型潤滑脂的電阻率。潤滑脂具有高電阻、高介電強度，其抗電勢擊穿能力也高，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)成分的更高介電強度和耐高溫（短時間可到300℃）的EVPT54和FK164性能更好，但價格是幾百歐元，比較昂貴。但如果分配到每個開關(guān)上的成本并不是不可接受，因為每個觸頭的用量實在是比較少。圖3為專為真空開關(guān)開發(fā)的某種潤滑脂（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，其介電強度比較大，有利于滅弧。近年來，GIS在國內(nèi)受到用戶青瞇，特別在經(jīng)濟發(fā)達地區(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的電氣觸頭潤滑脂，除了電氣潤滑的常規(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度；⑤有利于縮短滅弧時間；⑥工作溫度范圍為-30~200℃，無滴點；⑦對銅鎢合金附著性強。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滑脂留存于觸頭表面，有足夠的抗擊穿電壓和介電強度，有利于減少電弧能力及縮短滅弧時間；耐高溫性能極大降低了結(jié)焦積碳的可能。對于非自力型觸頭，應(yīng)用潤滑劑可以對觸指設(shè)計中的彈力和撓度考慮簡單化。為常用于GIS電氣接觸潤滑脂的性能指標(biāo)。滿足了以上條件的只有專門為此制造的PFPE+PTFE潤滑脂，其對真正實現(xiàn)20年免維護、提高可靠性、縮短滅弧時間、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操動機構(gòu)潤滑（以彈簧操動機構(gòu)為例)操動機構(gòu)是高壓開關(guān)設(shè)備的執(zhí)行部分，開關(guān)的控制保護作用都依賴于操動機構(gòu)可靠、準確的工作，據(jù)統(tǒng)計70%的中高壓開關(guān)事故來自操動機構(gòu)的細小故障，如運動機構(gòu)卡滯、運動行程不夠等。無疑操動機構(gòu)各個摩擦點轉(zhuǎn)動順暢、縮短反應(yīng)時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)有效壽命達到20年，那么用什么實驗來驗證？大多數(shù)制造操動機構(gòu)的企業(yè)都說明自己產(chǎn)品機械壽命達到10 000次，但這10 000次壽命是否能代表有效壽命能達到20年？這個機械壽命是臺架試驗中獲得，缺少了實際工作中的溫度與濕常用于GIS電氣接觸潤滑脂的性能指標(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，短時達300-30~260，短時達300滴點無無揮發(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，這些影響的時效變化更是無法短時間模擬出來的。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)生強度、硬度和尺寸變化）等，除了這些，潤滑劑也易受這些因素影響。以目前應(yīng)用最廣的彈簧操動機構(gòu)為例，要想真正達到操動機構(gòu)的終身潤滑（20年），必須考慮如下幾個潤滑脂的性能指標(biāo)，也就是必須滿足這方面的指標(biāo)，才是達到希望的20年終身潤滑的目的：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DIN 51808[2]和ASTM D942）；②低揮發(fā)率（根據(jù)實際工作溫度）；③抗剪切（DIN ISO 2137)；④適應(yīng)環(huán)境溫度為-40~120℃（DIN 51821Pt2，DIN51805）；⑤對金屬，塑料等部件表面附著性好；⑥對橡膠、塑料等有機材料兼容性好（DIN EN ISO 4599，DIN 53504）[3-4]；⑦抗水沖刷性能優(yōu)秀，建議0~1級（技術(shù)標(biāo)準DIN 51807Pt1)；⑧抗腐蝕性，建議油脂覆蓋下達到150 h以上（DIN 50021，35℃，5%NaCi）[5]。根據(jù)每個潤滑點的運動方式、接觸材質(zhì)、負載、可靠性要求、環(huán)境要求來選擇潤滑劑，當(dāng)然，潤滑脂是非牛頓流體，粘附性好，不需要特別密封裝置，是操動機構(gòu)優(yōu)化潤滑的首選。圖5為3種ABB的彈簧操動機構(gòu)。ABB的彈簧操動機構(gòu)以上3種彈簧操動機構(gòu)，存在小型齒輪、凸輪、滑動導(dǎo)軌、傳動絲桿、滑動襯套、轉(zhuǎn)動銷軸、彈簧盒、連桿機構(gòu)等部件的潤滑，以絲桿潤滑為例，針對不同的負載、速度、接觸材料、環(huán)境溫度、導(dǎo)軌行程，可以利用OGP試驗及TANNERT試驗來對潤滑狀態(tài)進行分析，有助于驗證線性導(dǎo)軌的壽命及潤滑表現(xiàn)，其同樣是可以量化的。圖6為某絲桿傳動潤滑試驗及溫度關(guān)聯(lián)驅(qū)動力矩曲線，為潤滑脂BERULUB FR16B在振動條件下的TANNERT試驗數(shù)據(jù)曲線（模擬傳動絲桿）。當(dāng)然，中高壓設(shè)備制造商做到如此深度的潤滑優(yōu)化時需要潤滑技術(shù)上的巨大支持和專業(yè)的合作伙伴，這是國內(nèi)潤滑行業(yè)欠缺的地方。楚格潤滑技術(shù)是這方面的佼佼者，在中高壓電氣潤滑方面創(chuàng)造了很多成功的前沿研究和應(yīng)用，其中他們?yōu)閺椈刹賱訖C構(gòu)潤滑開發(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，這兩個產(chǎn)品可以應(yīng)用于彈簧操動機構(gòu)的所有潤滑點，其潤滑特性如下：①合成潤滑脂，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)準試驗50 000次不出現(xiàn)發(fā)白，漿糊狀）[6]；⑥對NBR，CR等橡膠、PA、POM、ABS、PC等塑料有機材料兼容性好；⑦抗水沖刷性能優(yōu)秀，0~1級（技術(shù)標(biāo)準DIN 51807Pt1)；⑧抗腐蝕性，達到150 h以上（DIN 50021，35℃，5%NaCi）[5]。無論是何種摩擦條件，針對不同的負載、運動方式、工作環(huán)境、使用要求，需要選擇合適成分、粘度和稠度的潤滑脂。對于其他部件和電磁、永磁等注：曲線為同一傳動絲桿采用3種不同潤滑脂，隨著溫度變化其啟動力矩的變化。圖6某絲桿傳動潤滑試驗及溫度關(guān)聯(lián)驅(qū)動力矩曲線圖7潤滑脂BERULUB FR16B在振動條件下的TANNERT試驗數(shù)據(jù)曲線（模擬傳動絲桿）BERULUB FR16B2010年05月第46卷第5期其他種類操動機構(gòu)的潤滑，由于篇幅有限，就不在此介紹了。3 GIS的密封潤滑一般認為，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氣室一般不會輕易泄漏，SF6本身沒有毒性，但是泄漏空氣中會分解成有毒氣體。在相同的環(huán)境溫度下，氣壓表的指示值在逐步下降時，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%，但運行1～2年會升高。其泄露主要有以下原因：①設(shè)計因素，包括密封件形式、密封潤滑、機械尺寸精度等；②裝配精度和清潔度；③工藝，如筒體的時效問題，焊縫質(zhì)量問題；④出廠檢驗沒有按照標(biāo)準溫度調(diào)整。整個結(jié)構(gòu)約有14~17個密封環(huán)節(jié)，除主軸出機構(gòu)箱底板有一轉(zhuǎn)動密封外，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到，對于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)在基本上實現(xiàn)共識采用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油都會發(fā)生兼容性問題，依據(jù)化學(xué)鍵的極性原理和實驗結(jié)果，只有PG、硅類、PFPE類潤滑劑是適合EPDM類橡膠材料長效潤滑的。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滑劑。無論是靜態(tài)密封還是動態(tài)密封的潤滑，都需要按照相關(guān)標(biāo)準進行橡膠兼容性試驗和評估，例如德國DIN 53504標(biāo)準[4]。除了上面包括的PG、硅油、PFPE類潤滑劑，也開始使用涂層類潤滑產(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，形成一個穩(wěn)定的、不粘滯的干性潤滑涂層，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)。安裝密封件時對密封面槽及密封圈進行清揩，擦去油污和塵屑，涂抹好潤滑劑再安裝密封件。動態(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、錯位和變形而導(dǎo)致漏氣。如果達到20年有效的動態(tài)密封，需要依靠密封件本身質(zhì)量、潤滑、加工及安裝精度的整體配合達到。GIS的動態(tài)密封經(jīng)驗如下：1）法蘭密封結(jié)合面與密封槽的精加工要求▽6～▽7，對于密封槽需要進行高精度加工。2）安裝密封件時對密封面槽及密封圈進行清揩，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密封效益，往往會造成橡膠磨損加大，縮短密封圈的密封壽命。4）動密封采用：①低摩擦特種硅類脂BERULUBSIHAF 2:溫度范圍寬，橡膠磨損低，缺點是對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)，缺點是對SF6氣體分解物HF等敏感；③全合成潤滑脂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)時請注意其炭黑、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、強度等大幅下降，影響動態(tài)密封穩(wěn)定性。 4結(jié)語 安全、可靠、耐久是高壓電氣潤滑的關(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）高性能潤滑脂；操動機構(gòu)除了耐溫性、基礎(chǔ)油粘度、材料兼容性、潤滑效果，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)計指標(biāo)。 參考文獻： [1]DIN 53482.用于電氣接觸潤滑劑的電阻測量方法和評價[S]. [2]DIN 51808.用于潤滑劑抗氧化性的測量和評價[S]. [3]DIN EN ISO 4599.用應(yīng)力變形方法評價塑料和潤滑劑的兼容性[S]. [4]DIN 53504.用接觸到/沒有接觸到潤滑劑的橡膠標(biāo)準樣件[S]. [5]DIN 50021.在35℃的密閉環(huán)境中以5%的鹽霧噴淋零件測試腐蝕程度評價潤滑脂抗腐蝕性性能[S]. [6]DIN 2137.用專門設(shè)備長時間反復(fù)大負荷碾壓潤滑劑、測試潤滑脂的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)是否破壞，評價其抗剪切性能[S].