測試條件對斷路器噴口材料性能測試的影響研究

吳昱怡， 陳 允， 崔博源， 曹德新， 王承玉

（中國電力科學研究院有限公司，北京 100192）

0 引 言

為了保證特高壓交流系統中的無功平衡及控制諧波分量，換流站內必須設置大量交流濾波器開關（斷路器）來控制交流濾波器的投入和切除。由于電壓等級高，濾波器組容量大，特高壓換流站中使用的550、800、1 100 kV 斷路器要耐受斷口恢復電壓（TRV）高、合閘涌流大，且操作頻繁的影響，這對斷路器噴口的絕緣性能和力學性能等均提出了更高要求[1-2]。

噴口作為斷路器的動作絕緣部件，在動作過程中起熄滅電弧、創造高速氣吹條件的作用，其質量直接關乎斷路器能否有效開斷[3-5]。然而噴口的質量檢測一直未引起業內重視，更沒有相關的檢測標準，對于特高壓交流濾波器組斷路器如此嚴苛的應用場合，需要加強噴口的質量管控。

交流濾波器組斷路器噴口材料的基材為聚四氟乙烯（PTFE），其具有優異的化學惰性、介電性能、物理性能以及耐腐蝕性能等。在PTFE 中加入一些無機填料可以明顯改善PTFE 材料的機械強度、硬度以及耐磨損性能[6]。目前國內斷路器噴口基材中一般會添加二硫化鉬（MoS2）、氮化硼（BN）、氧化鋁（Al2O3）等無機填料。噴口成型工藝也是決定噴口材料性能的一個重要因素[7]，會影響噴口的成型均勻性、一致性和致密性。

在前期直流工程調試和運行期間，存在濾波器組斷路器噴口擊穿引發交流系統側電流和電壓畸變，進而導致換相失敗、預測功能誤動的問題。經解體分析，產生該問題的主要原因是斷路器噴口材料中填料含量偏高，噴口的電氣強度降低，噴口結構螺紋根部被擊穿，導致側電流和電壓畸變[8]。因此，國內對于噴口材料的質量管控還需要進一步加強。

本文選取兩種比較典型的噴口材料：添加質量分數為7%氮化硼的聚四氟乙烯噴口材料和添加質量分數為0.2%二硫化鉬的聚四氟乙烯噴口材料。對噴口材料的力學性能和電氣性能測試方法進行研究，采用不同試樣形狀、不同拉伸方法對噴口材料的拉伸強度進行測試來選取較為合理的噴口材料機械強度測試方法；采用不同形狀電極及升壓方式測試噴口材料的電氣強度，以選取較為合理的噴口材料電氣強度測試方法。研究成果能夠為噴口材料的質量管控提供參考，以有效控制噴口材料的質量和穩定性，淘汰缺陷產品和次品，從而直接保障濾波器組斷路器的長期可靠運行。

1 噴口材料力學性能測試方法研究

1.1 試樣制備及測試方法

復合材料的拉伸強度測試是測試其在一定環境條件下受軸向力或能量作用時所表現出的特性，拉伸強度的測試與成型件的設計計算、材料選擇、工藝評價、材質的檢驗等密切相關[9]。測出的拉伸強度數據不僅取決于材料本身，還與試驗的條件有關。例如試樣的形狀和尺寸，試驗時的加載應力特點，包括加載速度、環境介質的成分和溫度等[10-14]。

噴口材料拉伸強度的測試方法可以參考GB/T 1040.1—2018 和HG/T 2903—1997，兩個標準的測試要求主要區別在于試樣形狀的不同。GB/T 1040.1—2018中對施加的拉伸速率沒有明確規定。

在GB/T 1040.2—2022 中，對材料的拉伸強度測試給出了具體規定，噴口材料測試試樣一般為機加工試樣，綜合考慮噴口材料的拉伸性能、拉伸試驗機的參數，選用其中按比例縮放的1BA 型試樣，后文編號為甲試樣，具體尺寸如圖1 所示（單位：mm）。圖1 中的l3為試樣總長度（150～160 mm），l1為窄平行部分的長度（(60±0.5)mm），r為半徑（≥60 mm），l2為寬平行部分間的距離（106～120 mm），b2為端部寬度（(20±0.2)mm），b1為窄部分寬度（(10±0.2)mm），h為厚度（(4±0.2)mm），L0為標距（(50±0.5)mm），L為夾具間的初始距離L2+20。HG/T 2903—1997 中給出的試樣尺寸如圖2 所示（單位：mm），后文編號為乙試樣。

圖1 甲試樣尺寸圖Fig.1 The dimensional drawing of sample A

圖2 乙試樣尺寸圖Fig.2 The dimensional drawing of sample B

分別加工甲、乙兩種試樣各60 件（其中20 件為備用件），試樣表面光潔平整，沒有加工缺陷、毛刺，沒有任何影響拉伸強度試驗的因素。加工好的試樣如圖3 所示，其中較長的為甲試樣，白色的為BN增強的噴口材料，黑色的為MoS2增強的噴口材料。

圖3 拉伸強度測試試樣Fig.3 Samples of tensile strength test

由于噴口在滅弧過程中會承受大量的熱量，因此需要關注不同溫度條件下噴口的力學性能。依據GB/T 1040.1—2018，對兩種拉伸試樣分別在23、75、115、150℃下（保溫時間為1 h），以100 mm/min和300 mm/min的速率進行拉伸強度測試。

試樣在屈服或斷裂時的應力為拉伸強度σm。試驗結果以每組試樣的算術平均值表示，若某一試樣的測定值低于規定標準時，按下述方法進行數據處理：每個試樣的測定值與平均值之間偏差不得超過10%，超過±10%的舍去。舍去后剩下的試樣不得少于3個。

1.2 氮化硼增強的噴口材料測試結果分析

在各溫度下，采用不同拉伸速率分別對兩種BN 增強的噴口材料試樣進行拉伸強度測試，拉伸強度測試結果及標準差的溫度曲線如圖4 和圖5 所示。從圖4 可以看出，對于BN 增強的噴口材料，每種試樣在不同速率下的拉伸強度隨溫度的變化趨勢基本相似，當溫度高于75℃后，拉伸強度大致呈下降趨勢；試樣形狀相同時，300 mm/min 的拉伸速率下測得的材料拉伸強度要大于100 mm/min 的拉伸速率下測得的拉伸強度。從圖5 可以看出，在不同試樣和拉伸速率的組合中，乙試樣在300 mm/min的拉伸速率下所測拉伸強度標準差最小，表明此條件下測試結果相對穩定。

圖4 兩種試樣的拉伸強度測試結果Fig.4 The tensile strength test results of two samples

圖5 兩種試樣的拉伸強度標準差曲線Fig.5 The tensile strength standard deviation curves of two samples

1.3 二硫化鉬增強的噴口材料測試結果分析

在各溫度下，采用不同拉伸速率分別對兩種MoS2增強的噴口材料試樣進行拉伸強度測試，測試結果如圖6和圖7所示。

圖6 兩種試樣的拉伸強度測試結果Fig.6 The tensile strength test results of two samples

圖7 兩種試樣的拉伸強度標準差曲線Fig.7 The tensile strength standard deviation curves of two samples

從圖6 和圖7 可以看出，對于MoS2增強的噴口材料，甲試樣在不同拉伸速率下所測拉伸強度的變化趨勢是一致的。從兩種試樣的拉伸強度標準差曲線來看，乙試樣在300 mm/min拉伸速率下的測試結果更穩定，這和BN 增強的噴口材料的試驗結果一致。

綜合兩種不同噴口材料的測試結果，推薦采用乙型試樣、300 mm/min的拉伸速率對噴口材料進行拉伸強度測試。

從噴口材料的拉伸強度測試結果來看，溫度從常溫升高到75℃時，噴口材料的拉伸強度變化不大，甚至略有上升，溫度繼續升高，材料的拉伸強度會出現一定程度的下降。因此對噴口材料的力學性能測試必須考慮在運行工況中滅弧室升溫導致的噴口溫度上升對材料力學性能的影響。

2 噴口材料電氣強度測試方法研究

2.1 電氣強度測試方法

斷路器噴口材料的電氣強度測試主要依據GB/T 1408.1—2016，該標準規定了固體絕緣材料電氣強度測試的各種條件，但對于噴口用聚四氟乙烯類材料，各試驗條件對測試結果的影響并不明確[15-19]。

對比2 000 V/s 快速升壓和20 s 逐級升壓兩種加壓方式下所測結果的穩定性。將添加MoS2與添加BN 的兩種聚四氟乙烯材料分別加工80 個試樣（其中30 個為備用試樣），試樣尺寸如圖8 所示。電氣強度測試電極采用球電極，直徑為20 mm，電極和試樣的位置關系如圖9所示。

圖8 試樣尺寸Fig.8 The dimensional of test sample

圖9 電極尺寸Fig.9 The dimensional of electrode

采用2 000 V/s 快速升壓法和20 s 逐級升壓法，分別在23、75、115、150、200℃下測試5個試樣，取試驗結果的中值作為該溫度點的電氣強度值。

2.2 氮化硼增強的噴口材料測試結果分析

BN 增強的噴口材料電氣強度測試結果及其標準差分別如圖10 和圖11 所示。從圖10 可以看出，在2 000 V/s 快速升壓和20 s 逐級升壓兩種加壓方式下，試樣的電氣強度隨溫度的變化趨勢一致，均隨著溫度的升高先增大后減小，當溫度達到75℃時，試樣的電氣強度最大；在各溫度下，采用2 000 V/s 快速升壓法所測電氣強度值均高于20 s 逐級升壓法所測值。從圖11 可以看出，20 s 逐級升壓所測電氣強度值更穩定。

圖10 不同加壓方式下試樣的電氣強度Fig.10 The electric strength of samples under different voltage applying method

圖11 試樣電氣強度的標準差Fig.11 The electric strength standard deviation of samples

2.3 二硫化鉬增強的噴口材料測試結果分析

MoS2增強的噴口材料電氣強度測試結果及其標準差分別如圖12 和圖13 所示。從圖12 可以看出，對于MoS2增強的噴口材料，在不同加壓方式下，試樣的電氣強度隨溫度的變化趨勢基本一致，隨著溫度的升高先增大后減??；在各溫度下，采用2 000 V/s 快速升壓法所測電氣強度值均高于20 s 逐級升壓法所測值。從圖13 可以看出，20 s 逐級升壓法所測電氣強度值更穩定。這是因為20 s逐級升壓過程中，電氣強度以試樣能耐受20 s 而不擊穿的最高試驗電壓來確定，每一級有一個耐壓過程，可以充分反映材料的耐壓水平。而2 000 V/s 快速加升法持續升壓，忽略了材料的放電發展過程，因此其測試結果偏高，且不如20 s逐級升壓法的測試結果穩定。

圖12 不同加壓方式下試樣的電氣強度Fig.12 The electric strength of samples under different voltage applying method

圖13 試樣電氣強度的標準差Fig.13 The electric strength standard deviation of samples

綜上，噴口材料的電氣強度測試中，加壓方式推薦選取20 s逐級升壓法。從噴口材料的電氣性能測試結果來看，溫度升高時，特別是溫度高于75℃后，噴口材料的電氣強度會顯著減小，考慮到滅弧室工作時的溫升，必須嚴格要求噴口材料在高溫下的電氣強度，對噴口材料應進行嚴格的質量管控，以保證斷路器的運行安全。

3 結 論

（1）將兩種噴口材料制作成不同尺寸的試樣，采用不同拉伸速率在各溫度下進行拉伸強度測試。根據測試結果，兩種噴口材料均是采用HG/T 2903—1997 規定的試樣尺寸、拉伸速率為300 mm/min時測得的結果更穩定，因此，噴口材料的力學性能測試推薦選擇HG/T 2903—1997 規定的試樣尺寸，拉伸速率選300 mm/min。

（2）采用球-球電極，通過不同升壓方式在各溫度下對不同噴口材料進行電氣強度測試。根據測試結果，相對于2 000 V/s快速升壓法，20 s逐級升壓法測得的電氣強度值標準差更小。從測試結果穩定性來看，噴口材料的電氣強度測試推薦選取20 s逐級升壓的加壓方式。