分享：高寒环境下 GIS密封圈材料的选用及存在问题

张涛锋1,秦晓宇1,张书琴1,李 彪2,吕寻浩1,高延峰1,陈 东1,杨春月1,吕 进1,吕 敏1

(1.平高集团有限公司,平顶山 467001; 2.国网山东省电力公司临沂供电公司,临沂 276000) 

摘 要:为满足使用要求,分析了影响气体绝缘开关(GIS)设备密封圈耐寒性能的关键因素,选 择出了适合在高寒环境下使用的 GIS设备密封圈材料;并对 GIS设备密封圈在高寒环境下的喷霜 和漏气原因进行了分析。结果表明:在高寒环境下,GIS设备密封圈材料可选用改性后的三元乙丙 橡胶。密封圈中的活性剂、填充剂在橡胶中的溶解度随着温度的下降而减小,在低于临界值后,橡 胶表面出现喷霜现象。密封圈装配时,密封圈拉伸导致线径减小,且低温下密封圈压缩率降低,导 致 GIS设备出现漏气问题,可通过改变密封结构设计来解决密封圈漏气的问题。

关键词:气体绝缘开关;三元乙丙橡胶;密封圈;密封性能 中图分类号:TM564 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2021)02-0080-05

SF6 气体绝缘开关(GIS)设备因具备良好的灭 弧性能、绝缘性能及小的占地面积等优点,广泛应用 于110kV 及以上变电站中。GIS设备通过 SF6 气 体进行电气绝缘,在工程应用中,可以通过加装密封 圈来保证 GIS设备良好的密封性能。 常规 GIS设备工作温度为-25~40 ℃,而我国 的一些高寒地区冬季的实际温度最低达 -40 ℃。 在高寒环境下,密封圈密封性能、抗老化性能等都会 受到影响。通过对 GIS设备密封圈材料的筛查及 研究,笔者找出了适用于高寒环境的 GIS设备密封 圈材料;并针对 GIS设备用 O 型密封圈在高寒环境 出现喷霜及漏气等问题进行了深入分析。 

1 GIS设备密封圈材料选用

GIS设备用 O 形密封圈的密封性能是依靠橡 胶良好的回弹性,并配合法兰的压力,长期保持压缩 状态,借助其变形产生的弹性回复力使其充填在密 封槽中而起到密封作用的[1]。 GIS设备多选用以硫化橡胶为基体的 O 型密 封圈,硫化橡胶只有玻璃态和高弹态,无粘流态,温 度太高时会裂解,温度太低时会丧失高弹性[2]。因 此,硫化橡胶从玻璃化温度以上,一直到交联分子降 解都具备高弹性,即硫化橡胶密封圈的适用温度范 围较大。硫化橡胶在其玻璃化转变区间的某一温度 将会发生脆变,则该温度为其低温极限温度。 GIS设备用 O型密封圈在高寒环境下工作时,其 密封圈高压侧承受0.3~0.8 MPa的 SF6 气体压力, 低压侧承受大气压力,户外环境下还要承受酸、碱性 气体及水分的浸渍,但其使用寿命要求达到30a(年) 以上。常用耐低温硫化橡胶的主要参数见表1 [3-4]。

由表1可知,天然橡胶、顺丁橡胶、硅橡胶、乙丙 橡胶、丁腈橡胶均具有较好的耐低温性能,但天然橡 胶、顺丁橡胶耐天候老化性差,硅橡胶不耐 SF6 等 卤素气体,丁腈橡胶不耐氧、臭氧,对高海拔地区现 场运行非常不利。因此,高寒环境下宜选用三元乙 丙橡胶作为 GIS设备密封圈的基材,在橡胶加工过 程中,优选硫化体系和补强体系,改善橡胶的耐低温 性能和力学性能。 三元乙丙橡胶是乙烯、丙烯和少量的非共轭二 烯烃的共聚物,因其主链是由化学稳定的饱和烃组 成,只在侧链中含有不饱和双键,故其耐臭氧、耐热、 耐天候等耐老化性能优异,同时耐 SF6 气体,工作 温度为-50~130 ℃,能满足 GIS设备在高寒环境 下稳定运行的需求。 影响 GIS设备密封圈耐寒性能的关键要素有 以下几个[5]。 (1)硬度 适中 的 硬 度 是 保 证 密 封 圈 良 好 密 封 性 的 基 础[6-7]。SF6 电器属较低气压(仅0.3~0.8 MPa)的 产品,而且对其泄漏率控制较严,因此要求橡胶的硬 度适中,使密封圈与密封面之间保持较好的弥合性。 硬度太低 会 降 低 接 触 压 力,硬 度 太 高 则 影 响 密 封 效果。 三元乙丙橡胶 O 型密封圈在低温(-40 ℃)下 的邵尔硬度为65~75HA,低温环境下具有稳定的 硬度,可以降低 GIS设备的泄漏率。 (2)脆性温度 为满足 GIS设备在高寒地区-40 ℃下的运行 需求,密封圈材料的脆性温度宜低于-45 ℃。 (3)压缩永久变形 为保证密封圈的密封性能,100 ℃时的压缩永 久变形控制在25%以下;在-40℃时的压缩永久变 形控制在30%以下。对三元乙丙橡胶进行改性,以 达到该压缩永久变形要求。改性后的三元乙丙橡胶 (EPDM-70)密封圈材料性能见表2,可见其完全满 足使用要求。

为保证 GIS设备在高寒环境下安全、稳定地运 行,其密封材料需达到 30a以上的使用寿命。对 EPDM-70密封圈进行压缩永久性试验,试验结果见 表3。并计算出 EPDM-70密封圈在60℃下压缩永 久变形达到50%的临界值时寿命为52a。

2 GIS设备密封圈在高寒环境下的喷霜原因 

GIS设备密封圈在高寒环境下经常出现喷霜现 象。喷霜是混炼胶或硫化胶内部的液体或固体配合 剂因迁移而在橡胶制品表面析出形成云雾状或白色 粉末物质的现象。喷霜不仅严重影响产品的外观质 量,而且在一定程度上也影响着橡胶密封圈的密封 性能和使用寿命。GIS设备密封圈喷霜宏观形貌如 图1所示。引起三元乙丙橡胶密封圈喷霜的因素有很多, 其中主要原因是填充材料使用量超出了其在橡胶中 的溶解度[8-9]。三元乙丙橡胶密封圈由三元乙丙橡 胶、过氧化物、炭黑、促进剂、活性剂(氧化锌、硬脂酸 等)、填充剂(碳酸钙、碳酸镁等)等组成,其在橡胶中 的溶解度一般都是随着温度的升降而增减,因此在 低温时,橡胶表面会因溶解度下降而发生喷霜现象。 在调查密封圈低温环境下喷霜原因、针对性地 解决喷霜问题时,对喷霜析出物组分的分析至关重 要[10]。采用JSM-6510A 型扫描电镜(SEM)及其搭 载的能谱仪(EDS)对密封圈喷霜析出物进行分析, 未喷图3中,测试位置1~4为喷霜位置,测试位置 5~6为未喷霜位置。结果可知,密封圈喷霜形成的 白色颗粒状结晶物主要成分为活性剂(氧化锌、硬脂 酸)及填充剂(碳酸钙)等。受现场高寒环境影响,活 性剂、填充剂在橡胶中的溶解度随着温度的下降而 减小[11-15]。而在低于最大用量的临界值后,橡胶表 面因溶解度减小而喷霜。 

3 GIS设备密封圈在高寒环境下的漏气原因

三元乙丙橡胶材料的 O 型密封圈有较高的线 膨胀系数,在高寒环境下该 O 型密封圈会冷缩变 形,O 型密封圈的冷缩变形对其尺寸及密封效果也 会造成很大影响。 采用 TADIL801型热膨胀仪,测试出三元乙丙霜密封圈的微观形貌及成分分析如图2所示, 喷霜密封圈的微观形貌及成分分析如图3所示。橡胶的线膨胀系数为2.5×10 -4/℃。 取8个?10mm 三元乙丙橡胶材料的 O 型密 封圈进行低温变形试验,试验前在室温(20 ℃)测量 O 型 密 封 圈 的 内 径 尺 寸,对 O 型 密 封 圈 进 行 -40 ℃×168h放置后再次测量其内径尺寸,计算 与测量结果见表4。 密封圈在高寒环境下进行现场安装时,因密封 圈的内径变小,需对密封圈进行预拉伸。在拉伸状 态下截面直径会减小,其拉伸后 O 型密封圈的最小 截面直径d'1 按照下式计算 d'1 = d1min(7D1min -3D2max) 4D1min (1) 式中:d1min 为密封圈的最小线径;D1min 为密封圈的 最小内径;D2max 为沟槽最大内径。 O 型密封圈是一种典型的压缩型密封圈,将其 装入密封沟槽时要给予一定的压缩量,在确定压缩 量的大小时应考虑如下因素:给予密封面足够而均 匀的接触压力;O 型密封圈压缩而产生的滑动摩擦 阻力应尽量小(流体压力越高,压缩量应越小);O 型密封圈材料压缩变形应尽量小(材料硬度越高,压 缩量应越小)。O 型密封圈压缩率计算公式如下 ε= d- (L d +A) ×100 (2) 式中:ε 为压缩率;d 为 O 型密封圈断面直径;L 为 O 型 密 封 圈 沟 槽 深 度;A 为 两 个 密 封 面 之 间 的 间隙。 压缩率是影响 O 型密封圈正确使用的一个重 要因素。压缩率大摩擦力随之增加,因此压缩率应 尽量取小一些。但如果压缩率过小,在加工误差和 安装偏心太大时,会出现局部范围无压缩而引起泄 漏,而压缩率太大会增大压缩永久变形,使密封圈使 用寿命下降。对多种橡胶密封圈试样的密封试验表 明,对 GIS静连接对接面 O 型密封圈合理的压缩率 应为15%~25% [16-19]。 某厂家126kV GIS接线端子座在低温环境下 (约-30 ℃)进行检漏作业时发生多起 O 型密封圈 对接面漏气现象,笔者对其漏气原因进行了分析。 漏气法兰连接面剖面图如图4所示,密封圈拉 伸后装入密封槽(密封圈内径小于密封槽内径),密 封槽内壁(SF6 气体侧)、下壁、封板上壁与密封圈接 触形成密封面,其中密封圈线径d0 为6.0mm,内径 D0 为84mm,U 型槽内槽面直径 D2 为86.5mm; 密封 槽 深 度 L 为 4.3 mm,密 封 法 兰 间 隙 A 为 0.4mm。

计算 出 O 型 密 封 圈 的 最 小 截 面 直 径 d'1 为 5.69mm,压缩率ε 为13.0%。可见密封圈压缩率 不满足15%~25%的设计要求。 为实现产品的通用性,在不对密封槽进行设计 变更的情况下,将密封圈内径变更为88mm。计算 出密封圈最小截面直径d'1 为5.90mm,压缩率ε为 16.1%。这样密封圈的压缩率满足 15% ~25% 的 要求。且使用88 mm 的 O 型密封圈后,漏气故障 得以解决。 为解决漏气故障,还可将密封圈结构进行优化 设计[20]。根据图4可知,在 GIS设备运行过程中 O 型密封圈借助压紧变形后的橡胶弹力F1 和拉伸变 形力F2 使密封圈与法兰、密封槽内侧相互靠紧,而 产品内的 SF6 气压 P0 对密封圈形成扩张力 F0 使 密封圈向密封圈外侧扩张,若扩张力 F0 大于密封 圈变形力时,密封圈内壁密封演化为外壁密封,密封 圈压缩率降低后进一步增加漏气隐患。 若扩张力 F0 与密封圈变形力相平衡时,需考 虑SF6 气体受温度的变化热胀冷缩的因素;气压上 升,O 型扩张力F0 克服密封圈变形力向外侧扩张, 气压下降,O 型密封圈则向内侧收缩。密封圈频繁 往复运动会刮去密封面润滑脂形成干摩擦,磨损密 封圈,造成产品泄漏。 可将密封结构变更为密封槽外壁密封的密封结 构。当容腔内充入SF6 气体后,在介质压力的作用 下,O 形密封圈发生位移,同时其弹性变形进一步 加大,填充和封闭间隙,实现对密封圈的自密封。

4 结论

(1)在高寒环境下,GIS设备密封圈材料可选 用改性后的三元乙丙橡胶。 (2)在高寒环境下,GIS设备密封圈喷霜形成 的白色颗粒状结晶物主要成分为活性剂(氧化锌、硬 脂酸)及填充剂(碳酸钙)等。喷霜的原因是活性剂、 填充剂在橡胶中的溶解度随着温度的下降而减小, 在低于临界值后,橡胶表面形成喷霜。 (3)在高寒环境下,GIS设备的漏气原因为密 封圈内径小于密封槽内径,装配作业时对密封圈拉 伸导致线径减小;同时在低温、高海拔等高寒环境下 密封圈线径低温收缩,密封圈压缩率不满足设计要 求致使 GIS设备漏气。可在产品设计时将密封结 构调整为密封槽外壁密封结构。

来源：材料与测试网