SF6氣體絕緣金屬封閉組合電器密封結構的設計

引言：SF6氣體絕緣金屬封閉組合電器密封結構的設計。從密封機理、影響泄漏量因素及密封圈和密封槽尺寸等三方面進行了分析論證。

一、簡述

SF6氣體絕緣金屬封閉組合電器是在高壓線路中用來實現關合、開斷、保護、控制、調節、量測作用的電器設備。GIS是由斷路器（CB）、隔離開關（DS）、接地開關（ES）、電流互感器（CT）、電壓互感器（PT）、避雷器（LA）、母線（BUS）、波紋管和過渡元件（SF6-電纜終端、SF6-空氣套管、SF6-油氣套管）等電器元件組成。它以金屬筒為外殼，導電桿和絕緣件封閉在內部并充入一定壓力的SF6氣體。

SF6氣體特性很多，但我們將其作為絕緣和滅弧介質，主要用到的是其負電性和高導熱性。我們一般將罐內通常充以0.4MPa～0.6Mpa的SF6氣體，是為保證電器的絕緣性能。因而一旦發生SF6氣體泄露，當其低于某一值，將使電器設備無法繼續使用，有的甚至造成重大的電力事故。此外，SF6氣體本身雖無毒，但它的比重大，比空氣重5倍，往往積聚在地面附近，不易稀釋和擴散，是一種窒息性物質，有故障泄漏時容易造成工作人員缺氧，中毒窒息。因此在SF6氣體絕緣金屬封閉組合電器的使用過程中，如何防治SF6氣體泄露，無論是對產品使用性能的穩定性，還是對運行、檢修人員的人身安全都具有重大意義。

二、密封結構設計

（一）密封機理

SF6氣體通過密封環節滲透到產品外殼外部的現象稱之為泄漏。泄漏通常有兩種情況：穿透O形橡膠密封圈的泄漏及通過密封接觸面的泄漏。前者與密封膠圈的材質有關，其泄漏量與后者相比通常很小，這里我們主要探討第二種情況。造成接觸面泄漏的原因通常有兩種：一是接觸面有間隙，二是密封圈兩側有壓差。

O型密封圈借助壓緊變形后橡膠產生的彈力F使密封圈與密封面互相靠緊，見圖1-1。而產品內的SF6氣壓P0在密封圈上形成一個與密封面垂直的法向力F0，此力使密封圈與密封面分離。合力（F與F0之差）稱為密封力。由于環境溫度的影響，F常隨溫度下降而變小，由于密封面表面狀況的非均勻性，或者密封壓縮變形量設計的不合理，都可能導致在常溫時或低溫時在密封圈的某點（或某段）出現密封力為零甚至小于零，而導致密封圈與密封面在微觀上分離，而出現SF6泄漏。泄露量Q為：

（二）影響氣體泄漏量的因素

從設計、加工、生產管理等多方面分析，以下各因素對電器中SF6氣體泄漏量有較大影響。

1）密封圈壓縮率的影響

從式（1-1）看出，減小δ和增大l是減少氣體泄漏的最重要因素。當罐內外氣體壓差一定時，增大密封圈的壓縮率（及增加彈性力F）就能減小δ，直至δ=0。但是，密封圈的壓縮率不能太大，否則會增大壓縮永久變形，使密封圈使用壽命降低。查閱各種資料表明，不同的密封面，對O型密封圈有不同的要求，合理的壓縮率列于下表。

2）密封表面粗糙度的影響

早期設計曾流行“越光越好”的概念，因此密封面車好后再滾擠壓加工，以獲得近似于鏡面的高光滑效果。但現經過密封結構研究試驗反復證實：用車（鏜）刀加工的密封面，刀痕形成的同心圓，在合適的表面粗糙度（Ra3.2～6.3μm）范圍內對氣密性有利。

在表面粗糙度（Ra3.2～6.3μm）范圍內，橡膠圈與密封面彌合良好，同心圓刀痕增大了氣體泄漏通道的距離，即式（1-1）中泄漏通道l實際值增大了，泄漏量變小。但是，在表面粗糙度超過Ra12.5μm時，O形密封圈與密封面接觸不良，易漏氣.相反，滾擠壓鏡面太光，得不到同心圓刀紋的“阻力”作用，其氣密性也不令人滿意。

3）密封槽形狀的影響

密封槽一般取矩形。法蘭密封面或密封槽外的法蘭面因切削加工平面度的影響或焊接變形的影響，裝配好后兩法蘭面微觀上總存在一定的間隙δ0（見圖1-1），在氣壓P0作用下，橡膠圈可能被擠入該縫隙，在密封槽內、外圓的棱上倒r，可保證密封圈不被夾角剪壞；密封槽的下圓也倒圓角R，可減輕密封圈在氣壓P0作用下過分擠入密封槽根部產生永久變形的可能。

矩形密封槽的深度，在不同的情況下有所差異。見圖1-2a，槽外徑D較小時，上部蓋板密封面和整個法蘭平面都按Ra3.2μm加工，槽深為h1，當槽外徑D較大時，見圖1-2b，上部蓋板先按Ra12.5μm加工，再在與O型圈接觸部分精車（鏜）密封面（Ra3.2μm），深0.1+0.1mm，因此在密封圈壓縮率不變的情況前提下，h2=h1-0.2mm。

槽寬B值應大于O形圈線徑d，使槽留有足夠的空間，使O形圈裝好后，它只產生變形而不出現體積壓縮，也就是使O形圈的內圓側（受壓側）與密封槽內圓側（非密封面側）保持一定的間隙（見圖1-1）。密封圈在工作時如果出現體積壓縮，就會明顯增大壓縮永久變形，縮短使用壽命。

圖1-2 兩種不同深度的密封槽

4）密封圈材質的影響

對SF6電器密封影響較大的幾種主要橡膠性能分述如下。

硬度：SF6電器屬較低氣壓（0.3MPa～0.6MPa）產品，而且對其泄漏率控制較嚴，因此要求橡膠的硬度適中（常取邵氏硬度65～75），不易太高，使密封圈與密封面之間保持較好的彌合性。

壓縮永久變形：用于一般地區（最低環境-30℃）的橡膠對常（高）溫100℃時的壓縮永久變形有較嚴的要求，希望控制在30%左右；用于寒冷地區（-40℃）的橡膠對低溫壓縮變形要控制的較低（30%以下），脆性溫度應低于-45℃。

其他要求，如耐油性、耐臭氧性較好，對金屬材料無腐蝕、無粘著等。

根據以上要求可采用的國產橡膠牌號有：

一般地區（-30℃）使用：427氯丁膠（杜邦公司提供原料，較貴），邵氏硬度68，（100℃×70h）壓縮永久變形32%，耐臭氧（50℃×14天）無龜裂，脆性溫度-45℃，具有良好的耐油性和較低的穿透泄漏率。此外，還有國產P230膠，具有多年的使用經驗，適于-35℃以上地區使用，材料穿透率較低，價格也比較便宜。

低溫地區（-40℃）可使用：518丁氰橡膠，邵氏硬度72，（-40℃×22h）低溫壓縮永久變形20.7%，高溫（100℃×70h）壓縮永久變形12%，耐臭氧比427膠差，脆性溫度-56℃，具有較好的耐油性，但材料穿透泄漏率較高。此外，還可采用國產G22B三元乙丙膠，該材料具有多年的使用經驗，其特性與518相似，低溫使用性能較好，但耐油性差，使用時不能與油脂接觸。

（三）密封圈和密封槽的尺寸

我公司在進行全封閉組合電器結構設計時，充分采用了以上的理論及經驗，下表是我公司生產的126kV GIS所常使用的幾種膠圈：

從上表可看出，O形密封圈的外徑稍大于密封槽外徑，可保證密封圈外圓側與密封槽外圓側密切接觸；O形密封圈的內徑稍大于密封槽內徑，可保證密封圈內圓側與密封槽內圓側保持了一定的間隙；同時槽寬也大于O形圈直徑。在實際中，根據以上經驗和理論生產制造出的產品在密封性能上也達到了要求。

三、結論

由密封膠圈進行密封的密封面可分為動態密封面和靜態密封面2類。而尤以靜態密封面在現場安裝檢漏時發現的問題較多，靜態密封面發生滲漏主要有2種原因：密封膠圈本身存在缺陷和密封面結合不良。在安裝時嚴格檢查密封墊圈，防止使用存在缺陷的密封膠圈。密封面結合需細心的外部檢查，并輔之以水平尺等量具查出此類問題，處理方法是將錯位的罐體調整、對正。在現場安裝時處理密封面的方法是用砂紙手工打磨。在密封面處理完畢后，現場簡易判斷密封面處理是否良好的方法是先用手拭密封面，應光滑無粗糙感；再借助光線反射的方法檢查密封面，應無徑向貫穿密封面的劃痕，無凹凸不平；窄小的密封面應達到類似拋光的程度。這樣處理過的靜態密封圈及其密封面如無特殊原因，便不會發生明顯滲漏。

參考文獻

[1] 黎斌.SF6高壓電器設計[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2] 李修斌，張節容.SF6高壓電器和氣體介質變電站：北京：華北電力試驗研究所，1985.

[3] 潘旦君等.機械基礎.北京：高等教育出版社，1986.

（作者單位：新東北電氣集團高壓開關有限公司）

作者簡介

閆常亮（1980-），男，工程師，從事高壓開關設計工作。