高壓開關用滅弧噴口材料改進及制造工藝研究

王春艷 魏建巍

摘 要：滅弧噴口作為高壓開關設備滅弧裝置中控制電弧、創造高速氣吹條件的核心絕緣部件，在開斷過程中起著極為重要的作用。隨著高壓開關開斷電弧能量的增大，滅弧噴口電氣、機械等的性能要求越來越高。本文從滅弧噴口材料機理入手，研究了關鍵制造環節的工藝參數，以期形成完整的制造工藝，促進滅弧噴口實現批量化產業應用。

關鍵詞：滅弧噴口;PTEE;填充改性

中圖分類號：TM215文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）17-0061-03

Research on Material Improvement and Manufacturing Process of Arc Extinguishing Nozzle for High Voltage Switch

WANG Chunyan WEI Jianwei

（Pinggao Group Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467001）

Abstract： As the core insulating component in the arc extinguishing device of high-voltage switchgear that controls the arc and creates high-speed gas blowing conditions， the arc extinguishing nozzle plays an extremely important role in the interruption process. As the energy of the high-voltage switch breaking arc increases， the performance requirements of the arc extinguishing nozzle electrical and mechanical are getting higher and higher. In this paper， starting from the mechanism of arc extinguishing nozzle materials， the process parameters of key manufacturing links were studied in order to form a complete manufacturing process and promote the realization of mass industrial applications of arc extinguishing nozzles.

Keywords： arc extinguishing nozzle;PTEE;filling modification

滅弧噴口是高壓開關的核心絕緣部件，對高壓開關設備能否實現滅弧功能、保持開斷能力起著決定作用。當高壓開關開斷短路電流時，電弧在滅弧噴口處發生燃弧，引起噴口的表面燒蝕和內部分解，因而滅弧噴口材料的性能直接影響著高壓斷路器的開斷能力和使用壽命。滅弧噴口最初由兩種非金屬材料制造，即石墨和聚四氟乙烯（PTFE，懸浮型）。定開距滅弧室通常采用石墨噴口，變開距滅弧室多采用PTFE粉燒結而成的拉法爾噴口，其中，PTFE滅弧噴口是目前市場上的主要產品，通過將不同的填料加入PTFE中，可以顯著提高基體的耐磨性、機械強度和硬度等。

1 滅弧噴口的材料性能

PTFE的分子鏈中，氟原子與碳原子結合，整體的對稱性比較好，此外，大分子鏈是線性結構，支鏈極少，所以較易形成規整的排列[1]，特別容易結晶，結晶度一般介于55%～75%，但是偶爾可超過90%，PTEE的結構如圖1所示。

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圖1 PTFE結構

在PTFE中，原來的氫原子被氟原子取代，氟原子半徑為0.064 nm，與氫原子半徑0.028 nm相比，半徑更大，因而碳-碳鏈扭轉成螺旋構象。該結構使得在碳鏈骨架的外部，形成了被氟包圍的保護層，因此，PTFE有了良好的穩定性;同時，碳-氟鍵非常牢固，使得PTFE又兼具較好的穩定性和惰性。PTFE的特殊結構及組成還使其具有摩擦系數低、吸水性小、不易燃等特性，即使在高溫下，強酸、強堿、強氧化劑也不能將其腐蝕。此外，PTFE還具有優異的耐高溫、耐電弧性能。

但是，在高壓開關領域，純PTFE作為噴口材料時，其在電弧作用下會發生顯著的表面分解和嚴重的內部破裂[2]，這源于電弧能量的無規則吸收，其電氣強度和熱導率等關鍵性能也略顯不足，因此通常采用填充的方法對PTFE進行改性，通過添加不同的填料，使其內部形成新的分子結構，具有更好的性能。試驗證明，在PTFE中加入無機填料可以有效規范電弧能量的吸收，減小噴口無規則的分解和破裂，提高性能。無機填料Al2O3或MoS2具有良好的理化性能，常被作為填料加入PTFE中，以改善復合材料的耐電弧燒蝕能力和電氣性能。

目前，PTFE的改性技術主要有四種，分別為共混改性、填充改性、表面改性、化學改性。其中，填充改性的技術應用較多，是現在比較實用的改性技術。

2 填充改性技術

填充改性PTFE的原理是高分子鏈可以和填料顆粒的內外表面形成吸附點，從而形成纏結網、交聯網等網格結構，改變PTFE的內部分子結構來起到改性作用。其改性性能與填料的含量、成分及填充工藝有密切關聯。一般情況下，填料可以分為三大類，即金屬類、無機類及高聚物類，目前應用較多的填料有碳纖維、玻璃微珠或纖維、石墨、陶瓷等。

3 壓制成型技術研究

壓制成型技術方面，目前PTFE樹脂的成型方法有模壓成型、擠壓成型等。其中，模壓成型原理如圖2所示。設備、模具和工藝簡便，操作和維修方便，成本低，是目前開關行業噴口制備中采用最廣泛的方法之一。

對模壓成型而言，壓力是關鍵參數，壓力值的選擇依據是既要保證壓坯不會因為壓力過大而開裂或分層，又要保證坯體的致密性。壓制時間也是影響材料性能的重要因素，對PTFE而言，力學性能與壓制時間呈正相關。壓制過程的本質是應力傳遞的過程，同時還存在一些可逆過程，如壓縮回彈等，壓制時間的延長可以提高制品的穩定性和力學性能[3]。在模壓成型過程中，可以采取慢慢加壓的方式，結合制品的外形和尺寸，合理地控制所加壓力。

但模壓成型工藝存在壓制方法的局限性，壓制方向會出現分層現象，導致毛坯件的密度不均勻，影響噴口的整體性能。而等靜壓技術采用液體作為傳壓介質，可以使粉料在特制模具中受到各個方向相同的壓力，毛坯件整體均勻受力，收縮均勻，能較好地解決毛坯件密度的不均勻問題，也是目前噴口制造技術研究的一個熱點。

4 燒結工藝

經過壓制的PTFE毛坯，僅有生料強度，經過燒結之后才具備實際工程應用的強度。燒結溫度升高到大于340 ℃時，PTFE的晶相會消失，表現出無定形態;燒結溫度升高，保持在362～378 ℃時，PTFE顆粒會開始膨脹并熔結成一體，同時，顆粒間存在的孔隙會隨之消除。PTFE分子鏈活動能力不強，所以，需要適度的時間才可以使它熔結且消除空隙。但是，如果燒結時間太長，會降低其強度。在不會導致降解的燒結溫度下，保持穩定的時間越長，其自身內部的空隙會越少，性能也會越好。燒結時重點注意的工藝參數有燒結溫度、溫度提升速率、時間和冷卻速率。

4.1 加熱速率

PTFE樹脂是熱的不良導體，加熱速率越緩慢，燒結時間越長，制品的表觀質量越好，但生產成本也越高。如果加熱速率過快，制品內部受熱不均勻，易出現變形，且制品表面會發生分解現象，嚴重影響制品質量，因此應合理確定加熱速率。

4.2 燒結溫度

燒結溫度是制備復合材料的重要參數。PTFE的液化溫度為325 ℃，分解溫度為400 ℃，所以燒結溫度控制十分嚴格。燒結溫度升高，燒結制品的力學性能會隨之增加，因為隨著燒結溫度升高，分子鏈段擴散、穿插和纏結作用增強，在出現最高值后，大分子分解，力學性能會顯著下降。通常，懸浮型PTFE燒結溫度為370～380 ℃。

4.3 保溫時間

PTFE樹脂在燒結過程中會發生相變，需要足夠長的保溫時間，才可以使PTFE中不太穩定的顆粒團變得穩定，其內部晶格變得均勻，組織更加細密，PTFE基體與填材的結合力得到提高，從而提升制品的各項性能參數。通常要合理把握燒結時間，使制品表現為透明的膠體狀。

4.4 冷卻速率

材料冷卻過程中，復合材料由無定型相逐漸向結晶相轉變，冷卻的快慢直接影響結晶度，從而影響材料性能。PTFE導熱性能比較差，如果冷卻太快，非常容易導致制品變形和收縮，甚至出現開裂現象。

此外，人們應該根據制品的形狀、尺寸，選擇燒結工藝。尺寸越大，加熱速度就應越小，保溫時間越長。PTFE還有結晶性，當冷卻溫度降低到325 ℃左右時，材料會發生結晶，因此，有必要在325 ℃以下進行保溫，防止制品開裂。

5 結論

本文對滅弧噴口材料性能機理、填充改性及制造工藝進行了研究，分析了不同材料配方對于滅弧噴口機械性能、電氣絕緣性能、耐熱性能、耐磨性能等綜合性的影響，研究制造過程中的加熱速率、燒結溫度、保溫時間和冷卻速率等燒結及模壓成型工藝參數，分析得到適用于高壓開關用滅弧噴口的材料配方及制造生產的燒結和模壓成型工藝參數。

參考文獻：

[1]李紅建.論高壓處理對低密度聚乙烯聚集態結構的影響[J].中國石油和化工標準與質量，2013（22）：24.

[2]李仰平，周慶，劉翔.復合聚四氟乙烯耐電弧燒蝕及其介電性能的試驗研究[J].絕緣材料，2006（2）：36-38.

[3]施凱.表面改性短切碳纖維增強聚四氟乙烯成型工藝研究[J].新型碳材料，1999（3）：43-48.