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          磁流體密封技術在SF6負荷開關氣室的應用

            SF6氣體具有優異的滅弧和絕緣性能,且在開斷感性電流、容性電流及開斷壽命等諸多方面有一系列優點,因而被廣泛應用于3~1000kV各類高壓開關設備中。

            SF6高壓開關設備的各項性能指標(如滅弧,絕緣性能……)全靠SF6氣體來保證,因此,研究提高氣室密封的可靠性,是SF6高壓開關設備科研和生產中要考慮的關鍵技術。

            本文將就重點介紹磁流體密封技術應用于12kV負荷開關動密封部分的實例

            為了具體說明問題,現以FLN-12型SF6負荷開關氣室的密封狀況為例進行分析,如圖1所示:

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            該型開關氣室有三個環節共五處密封,第一個環節是氣室上、下部絕緣殼體結合面之間的密封,第二個環節是充氣閥端面與下部殼體的結合面之間的密封和充氣閥與氣壓表的結合面之間的密封;第三個環節是轉動密封組件的連接法蘭與下部殼體結合面之間的密封和該組件中轉軸與組件殼體配合面之間的密封。將上述五處密封性質進行歸類分析可以看出,前四處密封部位都是平面與平面之間的固定連接,一經連接完成,配合面之間不存在相對位移。對于靜密封,如能選取合適的材料和結構,工藝上得到保證,密封性能是可以保證的。有資料顯示,12kV SF6負荷開關的靜密封部位密封不合格的檢出率一般是小于0.5%,并且能在裝配調試階段被及時發現和消除。但是連接氣室內主軸和外部操動機構的轉動密封組件中,轉軸和組件殼體(軸套)配合面之間的密封狀況則要復雜得多,現將其單獨列出。如圖2所示

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            從圖中可以清楚地看出,該組件轉軸1與軸套(組件殼體)5之間為動配合,它依靠軸套兩端的油封3和軸套內中部腔體加注的潤滑油(脂)4實現密封,即通過兩端油封唇口,形成兩個密封環將中部腔體中的潤滑油(脂)封住,從而達到防止氣室內(花鍵端)SF6氣體外泄(插口端)的密封目的。

            這種密封方式從結構上看,最理想的應該是使潤滑油(脂)充滿殼體中部整個空間,或者至少應能讓潤滑油(脂)浸沒轉軸該處橫截面頂部,以實現整體“液”封。我們曾專題就此對合作單位提供的樣件作過多次充填測試,發現這一要求很難做到,即使勉強做到了,長期維持這一液面的可靠性也不是很高的。因此,它主要還是依靠油封外緣與殼體和唇口與轉軸之間的配合質量來實現。而運行壽命則要取決于油封本身的材質狀況了。

            油封之所以能成為密封設計中的常用配件,是因為其材料回彈性能好,加上截面形狀的箍緊彈簧的彈性收縮力,可使唇口對徑向力獲得良好的密封效果。另外,價格便宜,裝拆更換容易,也是用戶愿意選用的重要原因之一。

            但是,油封作為一種橡膠制品,也有其材料性能方面的局限性:首先,橡膠制品在常溫常壓下長期存放會逐漸老化變脆。第二,橡膠制品處在長期被壓縮狀態,會發生永久變形或稱殘余變形,直接影響密封效果。而且作為密封件,它又必須在壓縮狀態才能發揮其功用。第三,油封浸潤于密封油中后,隨著時間的推移,橡膠分子與油的親和性,會使油慢慢浸人橡膠,同時,橡膠中的增塑劑、防老劑、硫化促進劑及其分解生成物亦會從橡膠中被抽出,促使油封的形狀尺寸和彈性等發生變化,使密封性能變壞。由于這些材料本身表現出來的物理的、機械的和化學的局限性,加上油封唇口與轉軸之間摩擦及磨損問題的存在,因此人們在密封設計中大都將油封列為易損件的范圍之列。

            所以,研究改善SF6負荷開關轉軸動密封條件,使其密封效果和密封壽命與靜密封在整體上達到相互匹配,很有必要。實踐證明,用磁流體動密封取代油封密封是一種有效的選擇。

            磁流體密封技術用于轉軸密封,源于針對傳統密封中存在的密封件與旋轉軸之間摩擦和磨損失效的問題。由于磁流體密封技術在旋轉軸無泄漏密封中顯示出的獨特技術優勢,因而得到了越來越廣泛的應用。

            磁流體密封最初是作為一項高新技術在我國得到推廣應用的,因此,磁流體密封在我國應用最早和最多的領域是半導體真空鍍膜、液晶注入、離子刻蝕、真空熱處理、單晶硅爐、空間環境模擬等對氣體密封要求十分嚴格的設備上。隨著這一功能材料的產業化水平的提高,制造成本不斷降低,磁流體密封件的利用領域拓展很快。磁流體經過十余年的長足發展,應用領域逐漸從高端市場向中、低端市場延伸。設計與生產已經步入標準化、規范化的發展軌道。

            第一、壽命長。這是一種非接觸式密封,或稱液-固接觸式密封。它不存在傳統密封中,密封件與旋轉軸固-固兩相界面之間的磨損失效問題,可以長時間維持最初的密封狀態。并且氣體密封用磁流體一般都采復合油基的磁流體,這是目前應用于氣體動密封中工藝技術最為成熟、飽和蒸氣壓最低的一種磁流體。80℃時測得蒸發量小于8.5x10-6g/cm2?h。 

            第二、基本無泄漏,通常稱磁流體密封為“零泄漏”密封。使用氦質譜檢測儀動、靜態測試表明泄漏率達到l×10-12Pa?m3/s。

            第三、耐壓差性能好。據測定,每一級“O”形密封環耐壓差為0.02~0.035MPa,總密封耐壓差可達0.12~0.5MPa,真空度可滿足1×10-6Pa超高真空技術的要求。

            第四、適用溫度寬。通常應用于-40℃~100℃環境條件下。超過此溫度范圍亦可在結構設計上采用相應的升(降)溫措施來適應環境條件的要求。

              磁流體動密封取代SF6負荷開關傳統的轉軸動密封在技術上的先進之處在于:首先,它消除了動密封件之間相互摩擦造成磨損失效的原因,可以成倍地延長其使用壽命;其次,由于磁流體動密封適用溫度寬,對拓展SF6負荷開關的使用環境是十分有利的。實踐證明,實施這一密封方式也是十分簡便的。從已實施這一技改的企業產品的情況來看,盡管產品各有特點,組件裝配連接各有所異,但基本結構和密封處空間等都相當接近,改進設計一般只需在組件內部進行,無需對設備其它零部件作任何變動??梢宰龅街粚⒃D動密封組件取下,換上磁流體動密封組件即可。

            為了驗證磁流體在SF6負荷開關動密封上的可靠性,我們和各合作廠家多次對該組件分別做過單組件和裝機后的條件試驗。經過試驗,都取得了較好的效果:

            1、按標準要求進行合、分閘操作,壽命試驗后。產品動作靈活正常、無卡滯、瀉漏率遠低于標準的規定。

            2、組件放入60℃烘箱,保溫4小時后,檢測機械特性和SF6氣體泄漏率,均達到設計要求。

            3、將裝配好組件的設備整體置入冷凍室,均勻降溫至-40℃,保持2小時再測機械特性和SF6泄漏率,均合格。

            以下我公司制造的各類SF6負荷開關、斷路器磁流體密封件

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          磁流體動密封技術應用于SF6負荷開關氣室密封.pdf


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