高寒環(huán)境下GIS密封圈材料的選用及存在問題

張濤鋒， 秦曉宇， 張書琴， 李 彪, 呂尋浩, 高延峰， 陳 東， 楊春月， 呂 進(jìn), 呂 敏

(1.平高集團(tuán)有限公司， 平頂山 467001；2.國網(wǎng)山東省電力公司臨沂供電公司， 臨沂 276000)

SF6氣體絕緣開關(guān)(GIS)設(shè)備因具備良好的滅弧性能、絕緣性能及小的占地面積等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于110 kV及以上變電站中。GIS設(shè)備通過SF6氣體進(jìn)行電氣絕緣，在工程應(yīng)用中，可以通過加裝密封圈來保證GIS設(shè)備良好的密封性能。

常規(guī)GIS設(shè)備工作溫度為-25～40 ℃，而我國的一些高寒地區(qū)冬季的實際溫度最低達(dá)-40 ℃。在高寒環(huán)境下，密封圈密封性能、抗老化性能等都會受到影響。通過對GIS設(shè)備密封圈材料的篩查及研究，筆者找出了適用于高寒環(huán)境的GIS設(shè)備密封圈材料；并針對GIS設(shè)備用O型密封圈在高寒環(huán)境出現(xiàn)噴霜及漏氣等問題進(jìn)行了深入分析。

1 GIS設(shè)備密封圈材料選用

GIS設(shè)備用O形密封圈的密封性能是依靠橡膠良好的回彈性，并配合法蘭的壓力，長期保持壓縮狀態(tài)，借助其變形產(chǎn)生的彈性回復(fù)力使其充填在密封槽中而起到密封作用的[1]。

GIS設(shè)備多選用以硫化橡膠為基體的O型密封圈，硫化橡膠只有玻璃態(tài)和高彈態(tài)，無粘流態(tài)，溫度太高時會裂解，溫度太低時會喪失高彈性[2]。因此，硫化橡膠從玻璃化溫度以上，一直到交聯(lián)分子降解都具備高彈性，即硫化橡膠密封圈的適用溫度范圍較大。硫化橡膠在其玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)間的某一溫度將會發(fā)生脆變，則該溫度為其低溫極限溫度。

GIS設(shè)備用O型密封圈在高寒環(huán)境下工作時，其密封圈高壓側(cè)承受0.3～0.8 MPa的SF6氣體壓力，低壓側(cè)承受大氣壓力，戶外環(huán)境下還要承受酸、堿性氣體及水分的浸漬，但其使用壽命要求達(dá)到30 a(年)以上。常用耐低溫硫化橡膠的主要參數(shù)見表1[3-4]。

由表1可知，天然橡膠、順丁橡膠、硅橡膠、乙丙橡膠、丁腈橡膠均具有較好的耐低溫性能，但天然橡膠、順丁橡膠耐天候老化性差，硅橡膠不耐SF6等鹵素氣體，丁腈橡膠不耐氧、臭氧，對高海拔地區(qū)現(xiàn)場運(yùn)行非常不利。因此，高寒環(huán)境下宜選用三元乙丙橡膠作為GIS設(shè)備密封圈的基材，在橡膠加工過程中，優(yōu)選硫化體系和補(bǔ)強(qiáng)體系，改善橡膠的耐低溫性能和力學(xué)性能。

三元乙丙橡膠是乙烯、丙烯和少量的非共軛二烯烴的共聚物，因其主鏈?zhǔn)怯苫瘜W(xué)穩(wěn)定的飽和烴組成，只在側(cè)鏈中含有不飽和雙鍵，故其耐臭氧、耐熱、耐天候等耐老化性能優(yōu)異，同時耐SF6氣體，工作溫度為-50～130 ℃，能滿足GIS設(shè)備在高寒環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行的需求。

影響GIS設(shè)備密封圈耐寒性能的關(guān)鍵要素有以下幾個[5]。

(1) 硬度

適中的硬度是保證密封圈良好密封性的基礎(chǔ)[6-7]。SF6電器屬較低氣壓(僅0.3～0.8 MPa)的產(chǎn)品，而且對其泄漏率控制較嚴(yán)，因此要求橡膠的硬度適中，使密封圈與密封面之間保持較好的彌合性。硬度太低會降低接觸壓力，硬度太高則影響密封效果。

三元乙丙橡膠O型密封圈在低溫(-40 ℃)下的邵爾硬度為65～75 HA，低溫環(huán)境下具有穩(wěn)定的硬度，可以降低GIS設(shè)備的泄漏率。

(2) 脆性溫度

為滿足GIS設(shè)備在高寒地區(qū)-40 ℃下的運(yùn)行需求，密封圈材料的脆性溫度宜低于-45 ℃。

(3) 壓縮永久變形

為保證密封圈的密封性能，100 ℃時的壓縮永久變形控制在25%以下；在-40 ℃時的壓縮永久變形控制在30%以下。對三元乙丙橡膠進(jìn)行改性，以達(dá)到該壓縮永久變形要求。改性后的三元乙丙橡膠(EPDM-70)密封圈材料性能見表2，可見其完全滿足使用要求。

表2 EPDM-70密封圈材料的性能Tab.2 Properties of EPDM-70 sealing ring material

為保證GIS設(shè)備在高寒環(huán)境下安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，其密封材料需達(dá)到30 a以上的使用壽命。對EPDM-70密封圈進(jìn)行壓縮永久性試驗，試驗結(jié)果見表3。并計算出EPDM-70密封圈在60 ℃下壓縮永久變形達(dá)到50%的臨界值時壽命為52 a。

表3 EPDM-70密封圈的壓縮永久性試驗結(jié)果Tab.3 Compression set test results of EPDM-70 sealing ring %

2 GIS設(shè)備密封圈在高寒環(huán)境下的噴霜原因

GIS設(shè)備密封圈在高寒環(huán)境下經(jīng)常出現(xiàn)噴霜現(xiàn)象。噴霜是混煉膠或硫化膠內(nèi)部的液體或固體配合劑因遷移而在橡膠制品表面析出形成云霧狀或白色粉末物質(zhì)的現(xiàn)象。噴霜不僅嚴(yán)重影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，而且在一定程度上也影響著橡膠密封圈的密封性能和使用壽命。 GIS設(shè)備密封圈噴霜宏觀形貌如圖1所示。

圖1 GIS設(shè)備密封圈噴霜宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of blooming for GIS equipment sealing ring

引起三元乙丙橡膠密封圈噴霜的因素有很多，其中主要原因是填充材料使用量超出了其在橡膠中的溶解度[8-9]。三元乙丙橡膠密封圈由三元乙丙橡膠、過氧化物、炭黑、促進(jìn)劑、活性劑(氧化鋅、硬脂酸等)、填充劑(碳酸鈣、碳酸鎂等)等組成，其在橡膠中的溶解度一般都是隨著溫度的升降而增減，因此在低溫時，橡膠表面會因溶解度下降而發(fā)生噴霜現(xiàn)象。

在調(diào)查密封圈低溫環(huán)境下噴霜原因、針對性地解決噴霜問題時，對噴霜析出物組分的分析至關(guān)重要[10]。采用JSM-6510A型掃描電鏡(SEM)及其搭載的能譜儀(EDS)對密封圈噴霜析出物進(jìn)行分析，未噴霜密封圈的微觀形貌及成分分析如圖2所示，噴霜密封圈的微觀形貌及成分分析如圖3所示。

圖2 未噴霜密封圈的微觀形貌及EDS分析結(jié)果Fig.2 Microstructure morphology and EDS analysis results of non-blooming sealing ring

圖3 噴霜密封圈的微觀形貌及EDS分析結(jié)果Fig.3 Microstructure morphology and EDS analysis results of blooming sealing ring

圖3中，測試位置1～4為噴霜位置，測試位置5～6為未噴霜位置。結(jié)果可知，密封圈噴霜形成的白色顆粒狀結(jié)晶物主要成分為活性劑(氧化鋅、硬脂酸)及填充劑(碳酸鈣)等。受現(xiàn)場高寒環(huán)境影響，活性劑、填充劑在橡膠中的溶解度隨著溫度的下降而減小[11-15]。而在低于最大用量的臨界值后，橡膠表面因溶解度減小而噴霜。

3 GIS設(shè)備密封圈在高寒環(huán)境下的漏氣原因

三元乙丙橡膠材料的O型密封圈有較高的線膨脹系數(shù)，在高寒環(huán)境下該O型密封圈會冷縮變形，O型密封圈的冷縮變形對其尺寸及密封效果也會造成很大影響。

采用TA DIL801型熱膨脹儀，測試出三元乙丙橡膠的線膨脹系數(shù)為2.5×10-4/℃。

取8個φ10 mm三元乙丙橡膠材料的O型密封圈進(jìn)行低溫變形試驗，試驗前在室溫(20 ℃)測量O型密封圈的內(nèi)徑尺寸，對O型密封圈進(jìn)行-40 ℃×168 h放置后再次測量其內(nèi)徑尺寸，計算與測量結(jié)果見表4。

表4 密封圈低溫試驗后的尺寸變化Tab.4 Dimension changes of sealing ring after low temperature test mm

(1)

式中：d1min為密封圈的最小線徑；D1min為密封圈的最小內(nèi)徑；D2max為溝槽最大內(nèi)徑。

O型密封圈是一種典型的壓縮型密封圈，將其裝入密封溝槽時要給予一定的壓縮量，在確定壓縮量的大小時應(yīng)考慮如下因素：給予密封面足夠而均勻的接觸壓力；O型密封圈壓縮而產(chǎn)生的滑動摩擦阻力應(yīng)盡量小(流體壓力越高，壓縮量應(yīng)越小)；O型密封圈材料壓縮變形應(yīng)盡量小(材料硬度越高，壓縮量應(yīng)越小)。O型密封圈壓縮率計算公式如下

(2)

式中：ε為壓縮率；d為O型密封圈斷面直徑；L為O型密封圈溝槽深度；A為兩個密封面之間的間隙。

壓縮率是影響O型密封圈正確使用的一個重要因素。壓縮率大摩擦力隨之增加，因此壓縮率應(yīng)盡量取小一些。但如果壓縮率過小，在加工誤差和安裝偏心太大時，會出現(xiàn)局部范圍無壓縮而引起泄漏，而壓縮率太大會增大壓縮永久變形，使密封圈使用壽命下降。對多種橡膠密封圈試樣的密封試驗表明，對GIS靜連接對接面O型密封圈合理的壓縮率應(yīng)為15%～25%[16-19]。

某廠家126 kV GIS接線端子座在低溫環(huán)境下(約-30 ℃)進(jìn)行檢漏作業(yè)時發(fā)生多起O型密封圈對接面漏氣現(xiàn)象,筆者對其漏氣原因進(jìn)行了分析。

漏氣法蘭連接面剖面圖如圖4所示，密封圈拉伸后裝入密封槽(密封圈內(nèi)徑小于密封槽內(nèi)徑)，密封槽內(nèi)壁(SF6氣體側(cè))、下壁、封板上壁與密封圈接觸形成密封面，其中密封圈線徑d0為6.0 mm，內(nèi)徑D0為84 mm，U型槽內(nèi)槽面直徑D2為86.5 mm；密封槽深度L為4.3 mm，密封法蘭間隙A為0.4 mm。

圖4 漏氣法蘭連接面剖面圖Fig.4 Sectional drawing of connection surface of the leakage flange

為解決漏氣故障，還可將密封圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計[20]。根據(jù)圖4可知，在GIS設(shè)備運(yùn)行過程中O型密封圈借助壓緊變形后的橡膠彈力F1和拉伸變形力F2使密封圈與法蘭、密封槽內(nèi)側(cè)相互靠緊，而產(chǎn)品內(nèi)的SF6氣壓P0對密封圈形成擴(kuò)張力F0使密封圈向密封圈外側(cè)擴(kuò)張，若擴(kuò)張力F0大于密封圈變形力時，密封圈內(nèi)壁密封演化為外壁密封，密封圈壓縮率降低后進(jìn)一步增加漏氣隱患。

若擴(kuò)張力F0與密封圈變形力相平衡時，需考慮SF6氣體受溫度的變化熱脹冷縮的因素；氣壓上升，O型擴(kuò)張力F0克服密封圈變形力向外側(cè)擴(kuò)張，氣壓下降，O型密封圈則向內(nèi)側(cè)收縮。密封圈頻繁往復(fù)運(yùn)動會刮去密封面潤滑脂形成干摩擦，磨損密封圈，造成產(chǎn)品泄漏。

可將密封結(jié)構(gòu)變更為密封槽外壁密封的密封結(jié)構(gòu)。當(dāng)容腔內(nèi)充入SF6氣體后，在介質(zhì)壓力的作用下，O形密封圈發(fā)生位移，同時其彈性變形進(jìn)一步加大，填充和封閉間隙，實現(xiàn)對密封圈的自密封。

4 結(jié)論

(1) 在高寒環(huán)境下，GIS設(shè)備密封圈材料可選用改性后的三元乙丙橡膠。

(2) 在高寒環(huán)境下，GIS設(shè)備密封圈噴霜形成的白色顆粒狀結(jié)晶物主要成分為活性劑(氧化鋅、硬脂酸)及填充劑(碳酸鈣)等。噴霜的原因是活性劑、填充劑在橡膠中的溶解度隨著溫度的下降而減小，在低于臨界值后，橡膠表面形成噴霜。

(3) 在高寒環(huán)境下，GIS設(shè)備的漏氣原因為密封圈內(nèi)徑小于密封槽內(nèi)徑，裝配作業(yè)時對密封圈拉伸導(dǎo)致線徑減小；同時在低溫、高海拔等高寒環(huán)境下密封圈線徑低溫收縮，密封圈壓縮率不滿足設(shè)計要求致使GIS設(shè)備漏氣?？稍诋a(chǎn)品設(shè)計時將密封結(jié)構(gòu)調(diào)整為密封槽外壁密封結(jié)構(gòu)。