高压开关的润滑技术

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摘要：通过对德国工业润滑相关标准、相关实验及实际高压开关设备的润滑应用工况，解析了高压电气接触、SF6动态密封和操动机构的润滑优化依据和典型的行业应用。总结了高压电气接触润滑、操动机构、GIS密封润滑剂应用的成分、种类选择：低于60 kV的电气接触润滑，考虑到应用经济性可选择PAO（全合成烃类）+特殊皂基专用电气接触润滑脂；高于60 kV的电气接触润滑必须选择PFPE（全氟聚醚）+PTFE（聚四氟乙烯类)专用特制电气接触润滑脂；SF6动态密封根据使用的橡胶材料EPDM，需要使用PG（聚乙二醇类）、硅基础、PFPE类润滑脂，润滑的关键是和EPDM兼容性好，高粘附性但具有低摩擦系数、抗腐蚀性介质；弹簧操动机构的润滑需要考虑润滑脂的抗老化性、负载、运动方式、工作环境等要求，综合考虑，合理选择才能达到长效、安全、可靠、稳定的润滑应用。

关键词：高压开关设备润滑；电气接触润滑；电气触头润滑；密封润滑；操动机构长效润滑；综述 0引言 润滑对中高压开关设备的安全性、可靠性、耐久性、环境适应性有着非常重要的影响，尤其对60 kV以上的高压开关设备，主要体现在操动机构、电气触头、GIS密封润滑方面。 1电气接触润滑高压开关也是需要电气触点润滑的，但由于高电势及真空、SF6气态环境，又和其他电器的润滑要求明显不同。首先必须澄清电气接触润滑脂不是导电脂，导电脂是润滑剂的一个应用分类，主要用于复印机等电子设备的轴承，是以润滑脂和轴承接地作为电路一部分，一般含有15%以上的金属粉末，电阻率达到10 000Ω•cm以上（DIN 53482—1983标准专门针对电气接触润滑脂的电阻测量）[1]，而电气开关的润滑脂都是高电阻，甚至比陶瓷材料还高，表1为几种导体、绝缘体和典型润滑脂的电阻率。润滑脂具有高电阻、高介电强度，其抗电势击穿能力也高，在电气触头靠近过程中，如果没有电气接触润滑脂，电弧将直接击穿介质（可能是空气、为基础成分的更高介电强度和耐高温（短时间可到300℃）的EVPT54和FK164性能更好，但价格是几百欧元，比较昂贵。但如果分配到每个开关上的成本并不是不可接受，因为每个触头的用量实在是比较少。图3为专为真空开关开发的某种润滑脂（PFPE+PTFE基础）在真空度、温度变化下的蒸发压力。 1.2 GIS的电气接触润滑（60~750 kV）SF6断路器的灭弧室和支持瓷套中都充有SF6气体，其压力在0.5～0.7 MPa，由于SF6比较性质稳定，其介电强度比较大，有利于灭弧。近年来，GIS在国内受到用户青眯，特别在经济发达地区、大都市、大型电力用户及水电工程中应用越来越广泛。为60~750 kV典型的GIS断路器、SF6气室结构。根据其工作原理和要求，在SF6的电气触头润滑脂，除了电气润滑的常规要求，还必须满足如下条件：①含有极低水分；②抗SF6高压分解产生的HF等腐蚀介质；③无或极低油脂本身成分挥发；④有足够的抗击穿电压及介电强度；⑤有利于缩短灭弧时间；⑥工作温度范围为-30~200℃，无滴点；⑦对铜钨合金附着性强。SF6的气室含水率应该控制在100μL/L以内，含水率超标会降低灭弧能力。此外，水分子和SF6在高压下产生反应，形成HF腐蚀性物质，腐蚀触头及其他零部件；油脂本身的挥发率低更有利于保证润滑脂留存于触头表面，有足够的抗击穿电压和介电强度，有利于减少电弧能力及缩短灭弧时间；耐高温性能极大降低了结焦积碳的可能。对于非自力型触头，应用润滑剂可以对触指设计中的弹力和挠度考虑简单化。为常用于GIS电气接触润滑脂的性能指标。满足了以上条件的只有专门为此制造的PFPE+PTFE润滑脂，其对真正实现20年免维护、提高可靠性、缩短灭弧时间、保持接触电阻稳定、降低触头摩擦磨损有着非常重要的作用。 2操动机构润滑（以弹簧操动机构为例)操动机构是高压开关设备的执行部分，开关的控制保护作用都依赖于操动机构可靠、准确的工作，据统计70%的中高压开关事故来自操动机构的细小故障，如运动机构卡滞、运动行程不够等。无疑操动机构各个摩擦点转动顺畅、缩短反应时间是安全性的重要保证。现在大多数制造企业和用户都要求中高压开关有效寿命达到20年，那么用什么实验来验证？大多数制造操动机构的企业都说明自己产品机械寿命达到10 000次，但这10 000次寿命是否能代表有效寿命能达到20年？这个机械寿命是台架试验中获得，缺少了实际工作中的温度与湿常用于GIS电气接触润滑脂的性能指标性能指标BERULUBFK164-2VPT54-2成分PFPE+PTFE+特殊添加剂PFPE+PTFE+特殊添加剂工作温度范围/℃-50~250，短时达300-30~260，短时达300滴点无无挥发率40℃无无NLGI 2 2基础油粘度（40℃）（/mm•2s-1）160 210分油率（40℃，168h）/%最大3最大5介电强度/（kV•mm-1）74.5 69.7常态含水率/（μL•L-1）5.96 7.24图4 60~750 kV典型的GIS断路器、SF6气室结构表3常用于中压开关真空触头的润滑脂性能指标性能指标BERULUBFK60 BERUTOXFB22工作温度范围/℃-50~160-40~180滴点大于240大于230NLGI 2 2基础油粘度（40℃）（/mm•2s-1）32 50分油率（80℃，168 h）/%最大3最大3介电强度/（kV•mm-1）45.5 48.5常态含水率/（μL•L-1）106 112度变化、氧化与老化腐蚀等因素影响，这些影响的时效变化更是无法短时间模拟出来的。受这些因素影响最大的部件和材料有金属（其在潮湿环境容易生锈）、橡胶和塑料（容易老化氧化，也容易受温度影响，发生强度、硬度和尺寸变化）等，除了这些，润滑剂也易受这些因素影响。以目前应用最广的弹簧操动机构为例，要想真正达到操动机构的终身润滑（20年），必须考虑如下几个润滑脂的性能指标，也就是必须满足这方面的指标，才是达到希望的20年终身润滑的目的：①抗氧化老化性能优秀，建议指标低于0.08 MPa（技术标准DIN 51808[2]和ASTM D942）；②低挥发率（根据实际工作温度）；③抗剪切（DIN ISO 2137)；④适应环境温度为-40~120℃（DIN 51821Pt2，DIN51805）；⑤对金属，塑料等部件表面附着性好；⑥对橡胶、塑料等有机材料兼容性好（DIN EN ISO 4599，DIN 53504）[3-4]；⑦抗水冲刷性能优秀，建议0~1级（技术标准DIN 51807Pt1)；⑧抗腐蚀性，建议油脂覆盖下达到150 h以上（DIN 50021，35℃，5%NaCi）[5]。根据每个润滑点的运动方式、接触材质、负载、可靠性要求、环境要求来选择润滑剂，当然，润滑脂是非牛顿流体，粘附性好，不需要特别密封装置，是操动机构优化润滑的首选。图5为3种ABB的弹簧操动机构。ABB的弹簧操动机构以上3种弹簧操动机构，存在小型齿轮、凸轮、滑动导轨、传动丝杆、滑动衬套、转动销轴、弹簧盒、连杆机构等部件的润滑，以丝杆润滑为例，针对不同的负载、速度、接触材料、环境温度、导轨行程，可以利用OGP试验及TANNERT试验来对润滑状态进行分析，有助于验证线性导轨的寿命及润滑表现，其同样是可以量化的。图6为某丝杆传动润滑试验及温度关联驱动力矩曲线，为润滑脂BERULUB FR16B在振动条件下的TANNERT试验数据曲线（模拟传动丝杆）。当然，中高压设备制造商做到如此深度的润滑优化时需要润滑技术上的巨大支持和专业的合作伙伴，这是国内润滑行业欠缺的地方。楚格润滑技术是这方面的佼佼者，在中高压电气润滑方面创造了很多成功的前沿研究和应用，其中他们为弹簧操动机构润滑开发的BERULUB FR16B、CERITOLPK1 SOFT等产品随着ABB、西门子、施耐德等公司的中高压开关设备步入全球各地，这两个产品可以应用于弹簧操动机构的所有润滑点，其润滑特性如下：①合成润滑脂，无矿物成分，PAO合成基础油；②工作温度范围为-50~140℃；③抗氧化老化优秀（DIN 51808，90℃，初始氧气压力0.7 MPa，100 h后压力降低0.06 MPa）[2]；④低挥发率;⑤抗剪切（常温下，DIN 2137标准试验50 000次不出现发白，浆糊状）[6]；⑥对NBR，CR等橡胶、PA、POM、ABS、PC等塑料有机材料兼容性好；⑦抗水冲刷性能优秀，0~1级（技术标准DIN 51807Pt1)；⑧抗腐蚀性，达到150 h以上（DIN 50021，35℃，5%NaCi）[5]。无论是何种摩擦条件，针对不同的负载、运动方式、工作环境、使用要求，需要选择合适成分、粘度和稠度的润滑脂。对于其他部件和电磁、永磁等注：曲线为同一传动丝杆采用3种不同润滑脂，随着温度变化其启动力矩的变化。图6某丝杆传动润滑试验及温度关联驱动力矩曲线图7润滑脂BERULUB FR16B在振动条件下的TANNERT试验数据曲线（模拟传动丝杆）BERULUB FR16B2010年05月第46卷第5期其他种类操动机构的润滑，由于篇幅有限，就不在此介绍了。3 GIS的密封润滑一般认为，将每年的漏气率控制在气体总重量的1％以下才能保证20年的使用寿命。SF6气室一般不会轻易泄漏，SF6本身没有毒性，但是泄漏空气中会分解成有毒气体。在相同的环境温度下，气压表的指示值在逐步下降时，说明SF6断路器漏气，造成漏气的原因是多样的，虽然出厂年漏气率控制在1%，但运行1～2年会升高。其泄露主要有以下原因：①设计因素，包括密封件形式、密封润滑、机械尺寸精度等；②装配精度和清洁度；③工艺，如筒体的时效问题，焊缝质量问题；④出厂检验没有按照标准温度调整。整个结构约有14~17个密封环节，除主轴出机构箱底板有一转动密封外，其余都是固定密封，属于静态密封。静态密封主要是依靠橡胶密封件的变形率来达到，对于SF6的压力，一般20%左右的静态密封变形率就可以有效保持密封，关键选择合适材质的密封件，现在基本上实现共识采用EPR类橡胶EPDM材料，耐温范围为-40~150℃，抗老化氧化性能优秀，但此材料不是耐油橡胶（和NBR材料相比），和一般的矿物油、PAO油都会发生兼容性问题，依据化学键的极性原理和实验结果，只有PG、硅类、PFPE类润滑剂是适合EPDM类橡胶材料长效润滑的。为了组装不发生密封件安装不到位及容易安装，静态密封的安装也需要使用润滑剂。无论是静态密封还是动态密封的润滑，都需要按照相关标准进行橡胶兼容性试验和评估，例如德国DIN 53504标准[4]。除了上面包括的PG、硅油、PFPE类润滑剂，也开始使用涂层类润滑产品，例如BERUCOAT系类产品，该类产品是液态的，在涂抹或喷涂于橡胶表面干燥后，形成一个稳定的、不粘滞的干性润滑涂层，表面摩擦系数可以降到0.03，安装过盈配合的橡胶材料比较容易，也有利于橡胶件的抗氧化老化，防止和金属件的粘结。安装密封件时对密封面槽及密封圈进行清揩，擦去油污和尘屑，涂抹好润滑剂再安装密封件。动态密封为两O型圈或双唇结构密封圈，这些结构会因橡胶压缩量选取不当、冬夏温差的变化、密封圈本身的磨损、错位和变形而导致漏气。如果达到20年有效的动态密封，需要依靠密封件本身质量、润滑、加工及安装精度的整体配合达到。GIS的动态密封经验如下：1）法兰密封结合面与密封槽的精加工要求▽6～▽7，对于密封槽需要进行高精度加工。2）安装密封件时对密封面槽及密封圈进行清揩，擦去油污和尘屑，再涂上密封脂。3）选择合适硬度的橡胶圈，一般采用的压缩量15%～25%，若以加大压缩量来获得短时密封效益，往往会造成橡胶磨损加大，缩短密封圈的密封寿命。4）动密封采用：①低摩擦特种硅类脂BERULUBSIHAF 2:温度范围宽，橡胶磨损低，缺点是对SF6气体分解物HF等敏感；②低摩擦特脂BERUPLEXLG21 F：含PTFE，温度范围宽，橡胶磨损低，低摩擦系数，缺点是对SF6气体分解物HF等敏感；③全合成润滑脂EVPT54-1，极低挥发率，工作温度范围宽，抗HF等腐蚀性介质，较低的磨损和摩擦系数。选择密封橡胶的材质时请注意其炭黑、石蜡含量，低质量的相胶往往加入了过多的这两种材料，造成其弹性稳定性、强度等大幅下降，影响动态密封稳定性。 4结语 安全、可靠、耐久是高压电气润滑的关键，60 kV以下的高压开关可以选择钡皂基+PAO基础的润滑剂，60 kV以上GIS及真空高压开关的电气触头需用专门特制的PFPE+PTFE（全氟聚醚+聚四氟乙烯）高性能润滑脂；操动机构除了耐温性、基础油粘度、材料兼容性、润滑效果，其抗老化性、耐温性、挥发率、抗腐蚀性指标是非常值得需要参考的设计指标。 参考文献： [1]DIN 53482.用于电气接触润滑剂的电阻测量方法和评价[S]. [2]DIN 51808.用于润滑剂抗氧化性的测量和评价[S]. [3]DIN EN ISO 4599.用应力变形方法评价塑料和润滑剂的兼容性[S]. [4]DIN 53504.用接触到/没有接触到润滑剂的橡胶标准样件[S]. [5]DIN 50021.在35℃的密闭环境中以5%的盐雾喷淋零件测试腐蚀程度评价润滑脂抗腐蚀性性能[S]. [6]DIN 2137.用专门设备长时间反复大负荷碾压润滑剂、测试润滑脂的内部微结构是否破坏，评价其抗剪切性能[S].