浅谈10KV、SF6负荷开关——几项主要技术指标的质量控制

10KV、SF6负荷开关设备具有安全、易安装、维修少、体积小、价格便宜、安全可靠等优点。同时由于负荷开关与限流熔断器配合能更好地保护变压器，因此在国外已得到普遍使用。如在工业发达国家（如欧洲、日本），断路器与负荷开关之比为1：5~6。断路器主要用于一次配电，而负荷开关用于二次配电。在我国随着，城网建设和改造的不断深入发展，负荷开关设备在10KV配电系统的环网供电和终端送电的应用也越来越多。这几年相继由广东、北京、上海、天津逐步向全国推广。但目前，国内10KV，SF6负荷开关的市场主要还是由国外公司（如ABB、施耐徳等）占据，随着国内生产厂家对SF6负荷开关技术的逐步掌握，国产SF6负荷开关的数量和质量已稳步提高。
        目前国内已有十几家生产厂家生产着，各种不同型号的SF6负荷开关。本公司是国内最早生产SF6负荷开关的厂家之一。在生产过程中，我们借鉴国外的先进技术，学习了国内兄弟单位的经验，对SF6负荷开关的关键技术进行了不断的试验和改进。经长时间的努力，终于使该负荷开关的主要技术指标达到国外同类产品的水平。
        现将有关SF6负荷开关几项关键技术的质量控制问题介绍给同行参考，希望能得到同行业专家更多的指教。

 
        环氧树脂由于其良好的机械、绝缘、耐老化及制造工艺性能，已成为当今制造优质绝缘件的首选，而压力凝胶工艺由于充分发挥了环氧树脂的各项性能优势，当今国际、国内各种品牌SF6负荷开关绝缘壳体无不由环氧树脂采用压力凝胶工艺制成。其工艺流程如图所示：
由于开关壳体同时承担了绝缘、气密、机械支撑的功能，使得它结构复杂、机械性能及精度要求都很高，无疑对材料选用、制造工艺过程均提出了严格的要求。
一、材料选用
        环氧树脂：
        基础型的环氧树脂（即大型树脂厂生产的年产量数千吨的环氧树脂）及固化剂不能直接用于生产绝缘件，特别是SF6开关绝缘壳体所用的环氧树脂及固化剂更是需要经过特殊的改性处理以提高其机械强度、韧性及改善其耐冷热冲击性能及加工工艺性能。不同厂家的改性技术各有千秋，所以适合不同工作重点的产品要求，而对于SF6开关绝缘壳体由于它本身是一个支撑件，在开关分、合过程中受到一定的冲击力，对环氧树脂的强度提出了较高的要求；开关壳体里要充装SF6气体并保证极低的泄漏率，就对环氧树脂对嵌件的粘结性提出了较高的要求；近年来，SF6负荷开关在生产或工作中曾发生过壳体开裂事故，经测试，开裂壳体所用材料的拉伸强度及抗弯强度并不低，而代表材料韧性的冲击强度却较低。可见SF6开关绝缘壳体的冲击强度又是各项性能指标中的重中之重。经我们反复筛选，国内生产的HE2082-HH2082材料特别适合生产SF6开关绝缘壳体，该体系玻璃化温度实测104℃，满足某国际知名品牌要求的100℃～110℃，而且冲击强度达15KJ/m2,超过一般配方体系50%，具有极佳的韧性，同时由于其粘结性极佳，生产的开关壳体有极低的漏气率。
        硅微粉：
        环氧树脂中加入硅微粉可以提高固化物的耐热性、硬度及尺寸稳定性，并降低了生产成本。硅微粉由于矿源及生产工艺的不同，对环氧树脂固化物的各项性能均有很大的影响。在生产一般产品时往往把混合料粘度或硅微粉的可加入量当成衡量硅微粉质量的主要指标。但作为生产重要绝缘件的配方体系，把固化物高性能作为衡量硅微粉质量的首选指标。加入高质量的硅微粉加入环氧树脂后粘度较高，使得可加入量偏低，经分析是硅微粉中针状颗粒含量较高造成，而这恰恰提高了环氧树脂的机械强度。
        染色剂：
        用于环氧树脂的染色剂无怪乎有机染色剂及无机染色剂两大类，有机染色剂对环氧树脂加固化物电气绝缘性能无明显影响；而无机染色剂多是以氧化铁为主的金属氧化物，加入环氧树脂后会加大固化物的介电损耗，所以为了保证产品的电气绝缘性能，配方体系中尽量不要加入无机染色剂。为了保证电气绝缘性能，电工级硅微粉的Fe2O3含量的技术指标要求为≤0.01%。如果在配方体系中按环氧树脂比加入1.5%的氧化铁红色粉相当于使硅微粉的Fe2O3含量提高至0.5%,达到基础含量50倍，可以想象对电气绝缘性能的负面影响程度很大。
        嵌件预处理:
        为了保证环氧树脂对嵌件的良好粘结,对嵌件良好的预处理也是至关重要的。嵌件的预处理包括喷砂、清洗油污及灰尘,精确预热至与模具温度一致并注意不能氧化过度，以免强度极低的氧化铜影响环氧树脂对嵌件的粘结强度。并保证嵌件在周转过程中不能被二次污染。环氧树脂对嵌件良好的粘结不但保证了极低的漏气率，同时也使得产品有极低的局部放电量。放电量在15KV时，测得仅为5PC。
        后固化、定型、冷却：
        环氧树脂在常温下的弹性模量很高，如剪切弹性模量达到4000MPa，呈刚性状态；当温度超过玻璃化温度时，其剪切弹性模量只有40MPa，呈高弹态。在很小的外力下就可以变形，利用这一特性，可以在后固化过程中将SF6开关绝缘壳体上下壳的对合面放在一个有一定精度的平板上进行定型，完成后固化后，以很低的降温速度（≤5℃/h）对产品进行随炉冷却，不但有利于保证绝缘壳体上、下壳对合面有较小的平面度误差，而且产品各处的内应力也很低，不至于在以后发生变形或开裂现象。
        经过这样处理并加以适当的选配，上、下壳之间的对合间隙≤0.25mm,这样在上、下壳对锁在一起时由于变形量极小，使得产品的变形内应力极小,保证了开关的安全使用，不会产生开裂漏气现象。
二、SF6负荷开关泄漏率的质量控制
        SF6负荷开关漏气率一直是各生产厂家和用户关注的焦点。国外产品充气压力为0.04MPa的负荷开关24小时密封试验，年泄漏率基本在0.05%／年左右，开关使用寿命30年。国内企业生产的SF6负荷开关充气压力0.045MPa，24小时密封试验年漏气率比较高，都在1%~0.5%／年左右。
        是什么原因使国内、国外同类产品的年泄漏率相差如此悬殊？
        我们分析后认为：主要原因是国内生产密封圈的材料和性能比国外生产的性能差，针对密封圈存在的问题我们多次请教密封专家，更改了密封圈的型状和材料。我们使用密封技术研究所的专利技术。将上下壳体之间和动配合与壳体之间使用的密封圈改为“□”型密封圈，将材质改为软木橡胶。为了保证橡胶圈的寿命，做了100℃×24小时的耐热空气的老化试验，硬度变化为+2度。伸长率变化16%，拉伸强度变化15%，还做了耐25#变压器油试验100℃×24小时体积变化2.8%，重量变化—1.1%，硬度变化—3度，脆性温度—45℃。
        试验结果证明：该密封圈的性能可以满足我们的要求。同时也把通气阀和观查窗所使用三元乙丙的密封圈改为了耐油性和耐高低温性能好的丁睛橡胶。并且把合模线改到了非密封表面部位，从而使密封效果大大提高。
        我们采用“□”密封圈后对SF6开关的组装工艺进行修改，改变螺栓紧固顺序；将螺栓的锁紧力确定为22N/m；开关进行100次“合—分”后作密封检验。开关充气压力为0.045MPa放到密封罐内24小时，放入前后两次测得基数相等（差值为零）。这表明检漏设备精度在10-7时不能测出数值，也就是说泄漏率基本为零，因此将24小时前后测得增长值规定为零，作为我们公司检测标准。如果测得24小时前后有变化，则认定此产品为不合格，在电力工业电力设备及仪表质量检验中心（即中国电科院开关试验站），做型式试验中测得泄漏气体浓度的增量ΔC=0.03μL/L，封闭罩容积Vm=2.46M3 ； 试品体积V1=0.72 M3；开关内充气体积V=0.029 M3；间隔时间Δt =86400S； 绝对大气压P=0.1MPa；SF6开关充气压力Pr=0.045MPa；F=（ΔC× （Vm×V1）×P）/Δt Fy=[（F×31.5×106）/（V×（Pr+P）） ×100 。经过计算，相对年泄漏率Fy=0.045%／年,达到国外同类产品的先进水平。
三、回路电阻的质量控制
        国内SF6负荷开关技术条件中，一般规定主回路电阻≤65μΩ，而国外同类产品≤42μΩ。为了缩小SF6开关的回路电阻值，达到国外同类产品的水平，我们公司进行了分析，最后认为：影响回路电阻值存在原因之一是动静触头之间的夹紧力的大小和一致性，为此我们做了大量的试验，确定夹紧力为160N—190N之间，对影响触头夹紧力的碟型弹簧进行了筛选，选择了高质量的碟型弹簧。我公司还专门订购了触头夹紧力测试仪，其测量精度为±1N，在生产过程中对每台负荷开关的触头夹紧力进行测试，保证了触头夹紧力的一致性；原因之二是动静触头的R13球面接触要保证在整个球面的85%以上，方可保证开关主回路电阻值在40μΩ以下。以上两项措施，保证了机械寿命试验前后主回路电阻值的变化在规定值之内。测试结果见表（1），从而实现了主回路电阻≤42μΩ的质量标准。其温升试验裕度很大，仅为规定值的50%左右见表（2）。从而使SF6开关在+50℃的环境中能可靠运行。
表（1）

表（2）

四、电气寿命的质量控制
        我公司为了验证SF6负荷开关的产品工艺质量，再次委托电力工业电力设备及仪表质量检验中心（即中国电科院开关试验站）依据GB3804—90交流高压负荷开关GB/T11022—1999高压开关设备和控制设备标准的共同技术要求，做了型式试验，成功的开断有功负载630A，150次。
        在SF6负荷开关的开断和关合试验中，（按照要求进行了方式1：“合——分”额定有功负载开断电流630A，100次 ；方式2：“合——分”闭环开断电流630A，10次；方式3：“合——分”5%额定有功负载开断电流31.5A，20次；方式4：“合——分”额定电缆充电电流开断10A，20次；方式5：关合额定短路关合电流50KA峰值，2次，接地开关关合额定短路关合电流50KA、峰值，2次）机械寿命：主回路5000次；接地回路2000次；转移电流1700A。通过型式试验，说明我公司SF6负荷开关的装配工艺和检验标准是正确可行的。
        我公司在成功的型式试验基础上，对试验产品进行了解剖分析，发现灭孤栅的材质耐电孤高温性能不是很理想，20KA、4S短时耐受电流过后灭孤栅有些变形。经请教有关专家对灭孤栅的原材料进行了更新，选择了可在高温下正常工作的高性能绝缘材料聚酰亚胺。在同行厂选用我公司的负荷开关，通过的负荷开关柜型式试验中，证明聚酰亚胺材料大大提高了灭孤栅的性能，使SF6负荷开关在开断和关合试验时非常顺利的完成，且20KA、4S的短时耐受后未发现任何变形。
五、SF6开关水分含量控制
        依据国家标准GB/11022-1999，高压开关设备通用技术条件5.2要求和DL/T596-1996电力设备预防性试验规程要求。我们公司对SF6负荷开关实施了微量水分控制。我们首先抓生产环境，二是工艺制度的保障，三是测量仪器的监测。建造了专供SF6负荷开关生产线用的厂房，作到了无尘、恒温、恒湿。工艺及工艺纪律是制造合格产品的保障。我们在执行工艺的同时，对原始工艺进行修改补充。经过多次试验，制定出开关元件烘烤时间、烘烤温度和真空度要求，以及干燥剂的使用要求。同时也制定了烘烤—装配—抽真空—充SF6气体—检测各环节衍接制度。最终用国家计量院标定好的数字式精密露点仪进行测试，确保了SF6负荷开关的水份含量符合国家标准的要求。
综上所述，我公司生产SF6负荷开关产品的主要技术参数达到国外同类产品的水平，有些指标还高于国外水平。如有错误之处，请专家批评指正。
        作者：现任北京龙源开关设备有限责任公司质检部部长