1 引言
随着社会经济和科学技术的高速发展,电力系统对输变电的质量和可靠性要求提高相应的对高压开关设备的性能要求也越来越高。为了满足当今社会对高质量产品的需求,世界各地高校、电力科研单位,高压电器制造企业竞相开发研制性能更加先进、结构更加合理、可靠性更高的开关电器产品。特别是由于采用现代设计理论以及相关领域的先进技术,使开关电器设备包含了更多的新技术含量。从某种意义上说先进的开关电器制造技术已步入高新技术领域。真空和SF6气体以其优异的电气性能成功运用于高压电器中,从而引起高压电器设备的一场革新。
2 密封问题的提出
真空是良好的绝缘体,真空开关是以在真空中熄灭电弧为特点,但不是在任何真空度下都可以熄灭电弧,而是在某一真空度范围才具有良好的绝缘和灭弧性能。真空开关中的真空度应保持在10-2~10-8Pa范围内绝缘和灭弧性能最佳。金属波纹管被普遍用作为灭弧室动触头运动的真空密封是保证动触头在一定范围内运动和长期使灭弧室保持高真空的重要元件,要求有很高的机械寿命。波纹管的机械寿命决定了真空灭弧室的使用寿命。利用真空介质熄灭电弧的设想在19世纪末就已提出20世纪20年代制造出了最早的真空灭弧室。但是由于受真空工艺、材料等技术水平的限制,当时并未实现实用化。我国也于20世纪50年代开始真空灭弧理论的研究目前以真空介质作为绝缘和熄弧的电器产品在电力系统中得到了大量的使用。
SF6气体以其优异的电气性能在开关设备中得到了广泛的运用。SF6气体在零表压下相当于3个大气压下空气绝缘水平而在3个表压下相当于矿物油绝缘水平。SF6在零表压下静态灭弧能力相当于同等气压下空气的100倍,因此由SF6代替空气做成的C-GIS(或GIS)比空气绝缘的开关设备具有更小型化尺寸、抗严酷环境条件、高可靠性等优点。SF6气体作为开关设备的灭弧介质得到了迅速发展,可以说SF6的使用,引起高中压开关及其设备的一场再革命。几十年的实践证明,SF6气体所具有的优异灭弧与绝缘性能,无可争议,没有任何一种介质可以与之媲美。但SF6电器设备的各项性能指标(如灭弧,绝缘性能等)全靠SF6气体来保证。研究怎样提高气室密封的可靠性,是各电器科研院所、生产厂家研究开发气体绝缘开关设备迫切需要解决的主要课题。
真空和SF6气体以其优导的绝缘和灭弧性能,被广泛应用于3~1000kV各类高压开关设备中。保证真空灭弧室有优异的绝缘和灭弧性能,就必须满足真空度要求,真空灭弧室的主要密封方式有封接密封、焊接密封和波纹管密封。封接密封、焊接密封一旦完成引起真空度发生变化概率很小。引起真空度变化的主要原因是作为产品动密封的金属波纹管,在产品装配、调试过程中人为的操作不当及运行时分合操作波纹管的疲劳等都可能造成真空产品的真空度下降,从而影响开关设备的正常运行。SF6开关设备的漏气率一直是各生产厂家和电力用户关注的焦点。中压SF6开关设备国外充气压力为0.04MPa的开关设备24h密封试验,年泄漏率基本在0.5%/年以下,开关使用寿命达到30年。国内厂家生产的SF6开关设备充气压力基本在0.04~0.045MPa之间,24h密封试验年漏气率都比较高;一般在05~1%/年左右。目前SF6开关设备密封方式分为静密封和动密封其中静密封主要有采用"O"形密封圈密封、"口"形密封圈密封以及焊接密封,动密封主要形式有"。"形密封圈密封、唇形密封圈密封(其中包括唇形密封圈与润滑油配合的密封形式,简称油封)、以及金属波纹管密封(主要用于直动式传动结构的密封)。对于静密封,密封部位都是平面与平面之间的固定连接,一经连接完成,配合面之间不存在相对位移。如能选取合适的材料、结构和装配工艺,密封性能是可以保证。但是作为动密封的状况就要复杂得多。如采有波纹管密封,因波纹管本身存在的装配、材料(杂质、微裂纹、划伤)等方面的缺陷都会严重影响密封效果;同时工作条件、操作机构的安装调整等都会影响波纹管的使用寿命。而密封圈本身作为一种橡胶制品也有其材料性能方面的局限性。首先,橡胶制品在常温常压下长期存放会逐渐老化变脆;第二,橡胶制品处在长期被压缩状态,会发生永久变形或称残余变形直接影响密封效果。
因此,研究改善真空灭弧室和SF6开关设备的动密封条件,使其密封效果和密封寿命与静密封在整体上达到相互匹配。改善传统的密封方式,获求更好的密封效果是进一步研究开发新的高技术含量、高可靠性、智能化、小型化电器产品的主要课题。磁流体密封最初是作为一项高新技术在我国得到推广应用的,因此,磁流体密封在我国应用最早和最多的领域是真空镀膜、真空热处理、单晶硅炉、空间环境模拟等对气体密封要求十分严格的设备上。随着这一功能材料的产业化水平的提高,制造成本不断降低,磁流体密封件的利用领域拓展很快。特别是我国第一部磁流体动密封装置标准JB厅10463-2004的颁发,标志着我国磁流体密封件的开发、设计与生产已经步入了标准化、规范化的发展轨道。事实证明运用磁流体密封取代传统动密封是一种理想的选择。
3 磁流体密封的原理
磁流体是磁性流体的简称,是1995年由美国帕佩尔(Papell)发明的磁性流体,是把磁铁矿等强磁性的微细粉末(磁性粉未的平均粒径在1Onm左右)在水、油类、酶类、酿类等液体中进行稳定分散的一种胶态液体。这种液体具有在通常离心力和磁场作用下,既不沉降和凝聚又能使其本身承受磁性,可以被磁铁所吸引的特性。磁流体由固体铁磁体微粒(Fe304)、包覆着微粒并阻止其相互凝聚的表面活性剂(稳定剂)、载液(溶媒)3种主要成分组成它既具有磁性材料和液体的特性,又具有利用磁场控制流变性、热物理性和光学性能的能力。
磁流体动密封主要是利用磁流体对磁场的响应特性来实现密封的。图1中,圆环形永久磁铁1,极靴2和转轴3所构成的磁性回路,在磁铁产生的磁场作用下,把放置在轴与极靴顶端缝隙间的磁流体4加以集中,使其形成一个所谓的"O"形环,将缝隙通道堵死而达到密封的目的。这种密封方式可用于转轴是磁性体(图1b)和非磁性体(图1c)两种场合。前者磁束集中于间隙处并贯穿转轴而构成磁路而后者磁束并不通过转轴,只是通过密封间隙中的磁流体而构成磁路。
4 磁流体密封的特点
磁流体密封技术是目前世界上最先进的密封技术,可以实现完全的零泄露,它是具有被磁铁吸引性质的液体,因而,既有液体的流动性又具有磁性。磁流体密封特点主要表现在以下几个方面。
(1)寿命长。这是一种非接触式密封,或称液-固接触式密封。它不存在传统密封中,密封件与旋转轴两相界面之间的磨损失效问题可以长时间维持最初的密封状态。并且气体密封用磁流体一般都采用二脂基型的磁流体,这是目前应用于气体动密封中工艺技术最为成熟、饱和蒸气压最低的一种磁流体。80℃时测得蒸发量小于85×1045/cm2·h,传统用于密封的油(脂)是无法与它相比较的。
(2)基本无泄漏。动、静态测试表明,即使用氮质谱检测仪在1×10-llpa·m3/s条件下都难以检出。因此,通常称磁流体密封为"零泄漏"密封。
(3)耐压差性能好。据测定,每一级"。"形密封环耐压差为0.02~0.035MPa总密封耐压差可达05~0.7MPa,真空度可满足1.333×10-Ta超高真空技术的要求。
(4)适用温度宽。通常应用于-40℃~80℃环境条件下。超过此温度范围亦可在结构设计上采用相应的升(降)温措施来适应环境条件的要求。
图2为磁流体密封破坏过程示意图D当两侧无压差时,极靴处密封液环保持正常形状(图a);当两侧有压差时,密封磁流体呈凹截面,但仍能保持正常形状(图b);当两侧压差增大到大于磁流体密封的承载能力时,密封液环先开始变形(图c),然后迅速形成穿孔(图d),此时被密封介质通过针孔流到下一级。如果不断地增加压差,则密封液环遭到破坏(图e);如果被密封介质通过针孔流到下一级,下一级压力增加,压差减小,针孔愈合(图b)。因此,多级磁流体密封具有一定的破坏压力和恢复压力。为安全起见,通常使工作压力小于各级恢复压力的总和即要具有一定的备用级。
5 磁流体密封应用时的注意事项
磁流体密封在工作时会受到下列条件的限制。
(1)蒸发:磁流体由磁性微粒、表面活性剂和载液3部分组成,载液的蒸发是决定密封极限旋转频率和使用寿命的主要因素。因为密封是靠有限的磁流体工作的。为此,应选用蒸汽压低的载液,使蒸发损失为最小值。
(2)温升:温度升高会导致磁铁退磁和磁流体的蒸发。因为温度升高粘度降低,功率消耗也就降低,这是有利的一面o但是温度的、升高,磁饱和强度下降,也可能使密封的耐压能力有些下降,因此,磁流体温度一般不应高于105℃否则应采用冷却措施。
(3)极限真空度:磁流体密封极限真空度取决于载液的挥发度,用二脂润滑剂作成的载液可满足1.333×10-7pa超高真空技术的要求。
(4)周速:一般磁流体密封适用于高周速3Om/s以上的运转,无极限标志。但考虑到温度和散热,周速应限制在60~80m/s此时还要考虑极限耐压能力。
6 展望
磁流体密封应用于真空和SF6开关设备中作为产品的动密封,对于降低真空灭弧室的真空度和SF6开关气体的泄漏率从而提高产品的性能延长产品的使用寿命有着极其重要的作用。
随着科学的发展、社会的进步,智能化、小型化、高可靠性开关设备的不断开发应用特别是以SF6气体为代表的气体绝缘开关设备的大量开发使用,磁流体密封技术作为产品动密封将得到更为广泛的应用。它必将引起高压电器设备的又一场大革新。
