SF6气体绝缘金属封闭组合电器密封结构的设计

引言：SF6气体绝缘金属封闭组合电器密封结构的设计。从密封机理、影响泄漏量因素及密封圈和密封槽尺寸等三方面进行了分析论证。

一、简述

SF6气体绝缘金属封闭组合电器是在高压线路中用来实现关合、开断、保护、控制、调节、量测作用的电器设备。GIS是由断路器（CB）、隔离开关（DS）、接地开关（ES）、电流互感器（CT）、电压互感器（PT）、避雷器（LA）、母线（BUS）、波纹管和过渡元件（SF6-电缆终端、SF6-空气套管、SF6-油气套管）等电器元件组成。它以金属筒为外壳，导电杆和绝缘件封闭在内部并充入一定压力的SF6气体。

SF6气体特性很多，但我们将其作为绝缘和灭弧介质，主要用到的是其负电性和高导热性。我们一般将罐内通常充以0.4MPa～0.6Mpa的SF6气体，是为保证电器的绝缘性能。因而一旦发生SF6气体泄露，当其低于某一值，将使电器设备无法继续使用，有的甚至造成重大的电力事故。此外，SF6气体本身虽无毒，但它的比重大，比空气重5倍，往往积聚在地面附近，不易稀释和扩散，是一种窒息性物质，有故障泄漏时容易造成工作人员缺氧，中毒窒息。因此在SF6气体绝缘金属封闭组合电器的使用过程中，如何防治SF6气体泄露，无论是对产品使用性能的稳定性，还是对运行、检修人员的人身安全都具有重大意义。

二、密封结构设计

（一）密封机理

SF6气体通过密封环节渗透到产品外壳外部的现象称之为泄漏。泄漏通常有两种情况：穿透O形橡胶密封圈的泄漏及通过密封接触面的泄漏。前者与密封胶圈的材质有关，其泄漏量与后者相比通常很小，这里我们主要探讨第二种情况。造成接触面泄漏的原因通常有两种：一是接触面有间隙，二是密封圈两侧有压差。

O型密封圈借助压紧变形后橡胶产生的弹力F使密封圈与密封面互相靠紧，见图1-1。而产品内的SF6气压P0在密封圈上形成一个与密封面垂直的法向力F0，此力使密封圈与密封面分离。合力（F与F0之差）称为密封力。由于环境温度的影响，F常随温度下降而变小，由于密封面表面状况的非均匀性，或者密封压缩变形量设计的不合理，都可能导致在常温时或低温时在密封圈的某点（或某段）出现密封力为零甚至小于零，而导致密封圈与密封面在微观上分离，而出现SF6泄漏。泄露量Q为：

（二）影响气体泄漏量的因素

从设计、加工、生产管理等多方面分析，以下各因素对电器中SF6气体泄漏量有较大影响。

1）密封圈压缩率的影响

从式（1-1）看出，减小δ和增大l是减少气体泄漏的最重要因素。当罐内外气体压差一定时，增大密封圈的压缩率（及增加弹性力F）就能减小δ，直至δ=0。但是，密封圈的压缩率不能太大，否则会增大压缩永久变形，使密封圈使用寿命降低。查阅各种资料表明，不同的密封面，对O型密封圈有不同的要求，合理的压缩率列于下表。

2）密封表面粗糙度的影响

早期设计曾流行“越光越好”的概念，因此密封面车好后再滚挤压加工，以获得近似于镜面的高光滑效果。但现经过密封结构研究试验反复证实：用车（镗）刀加工的密封面，刀痕形成的同心圆，在合适的表面粗糙度（Ra3.2～6.3μm）范围内对气密性有利。

在表面粗糙度（Ra3.2～6.3μm）范围内，橡胶圈与密封面弥合良好，同心圆刀痕增大了气体泄漏通道的距离，即式（1-1）中泄漏通道l实际值增大了，泄漏量变小。但是，在表面粗糙度超过Ra12.5μm时，O形密封圈与密封面接触不良，易漏气.相反，滚挤压镜面太光，得不到同心圆刀纹的“阻力”作用，其气密性也不令人满意。

3）密封槽形状的影响

密封槽一般取矩形。法蘭密封面或密封槽外的法兰面因切削加工平面度的影响或焊接变形的影响，装配好后两法兰面微观上总存在一定的间隙δ0（见图1-1），在气压P0作用下，橡胶圈可能被挤入该缝隙，在密封槽内、外圆的棱上倒r，可保证密封圈不被夹角剪坏；密封槽的下圆也倒圆角R，可减轻密封圈在气压P0作用下过分挤入密封槽根部产生永久变形的可能。

矩形密封槽的深度，在不同的情况下有所差异。见图1-2a，槽外径D较小时，上部盖板密封面和整个法兰平面都按Ra3.2μm加工，槽深为h1，当槽外径D较大时，见图1-2b，上部盖板先按Ra12.5μm加工，再在与O型圈接触部分精车（镗）密封面（Ra3.2μm），深0.1+0.1mm，因此在密封圈压缩率不变的情况前提下，h2=h1-0.2mm。

槽宽B值应大于O形圈线径d，使槽留有足够的空间，使O形圈装好后，它只产生变形而不出现体积压缩，也就是使O形圈的内圆侧（受压侧）与密封槽内圆侧（非密封面侧）保持一定的间隙（见图1-1）。密封圈在工作时如果出现体积压缩，就会明显增大压缩永久变形，缩短使用寿命。

图1-2 两种不同深度的密封槽

4）密封圈材质的影响

对SF6电器密封影响较大的几种主要橡胶性能分述如下。

硬度：SF6电器属较低气压（0.3MPa～0.6MPa）产品，而且对其泄漏率控制较严，因此要求橡胶的硬度适中（常取邵氏硬度65～75），不易太高，使密封圈与密封面之间保持较好的弥合性。

压缩永久变形：用于一般地区（最低环境-30℃）的橡胶对常（高）温100℃时的压缩永久变形有较严的要求，希望控制在30%左右；用于寒冷地区（-40℃）的橡胶对低温压缩变形要控制的较低（30%以下），脆性温度应低于-45℃。

其他要求，如耐油性、耐臭氧性较好，对金属材料无腐蚀、无粘着等。

根据以上要求可采用的国产橡胶牌号有：

一般地区（-30℃）使用：427氯丁胶（杜邦公司提供原料，较贵），邵氏硬度68，（100℃×70h）压缩永久变形32%，耐臭氧（50℃×14天）无龟裂，脆性温度-45℃，具有良好的耐油性和较低的穿透泄漏率。此外，还有国产P230胶，具有多年的使用经验，适于-35℃以上地区使用，材料穿透率较低，价格也比较便宜。

低温地区（-40℃）可使用：518丁氰橡胶，邵氏硬度72，（-40℃×22h）低温压缩永久变形20.7%，高温（100℃×70h）压缩永久变形12%，耐臭氧比427胶差，脆性温度-56℃，具有较好的耐油性，但材料穿透泄漏率较高。此外，还可采用国产G22B三元乙丙胶，该材料具有多年的使用经验，其特性与518相似，低温使用性能较好，但耐油性差，使用时不能与油脂接触。

（三）密封圈和密封槽的尺寸

我公司在进行全封闭组合电器结构设计时，充分采用了以上的理论及经验，下表是我公司生产的126kV GIS所常使用的几种胶圈：

从上表可看出，O形密封圈的外径稍大于密封槽外径，可保证密封圈外圆侧与密封槽外圆侧密切接触；O形密封圈的内径稍大于密封槽内径，可保证密封圈内圆侧与密封槽内圆侧保持了一定的间隙；同时槽宽也大于O形圈直径。在实际中，根据以上经验和理论生产制造出的产品在密封性能上也达到了要求。

三、结论

由密封膠圈进行密封的密封面可分为动态密封面和静态密封面2类。而尤以静态密封面在现场安装检漏时发现的问题较多，静态密封面发生渗漏主要有2种原因：密封胶圈本身存在缺陷和密封面结合不良。在安装时严格检查密封垫圈，防止使用存在缺陷的密封胶圈。密封面结合需细心的外部检查，并辅之以水平尺等量具查出此类问题，处理方法是将错位的罐体调整、对正。在现场安装时处理密封面的方法是用砂纸手工打磨。在密封面处理完毕后，现场简易判断密封面处理是否良好的方法是先用手拭密封面，应光滑无粗糙感；再借助光线反射的方法检查密封面，应无径向贯穿密封面的划痕，无凹凸不平；窄小的密封面应达到类似抛光的程度。这样处理过的静态密封圈及其密封面如无特殊原因，便不会发生明显渗漏。

参考文献

[1] 黎斌.SF6高压电器设计[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2] 李修斌，张节容.SF6高压电器和气体介质变电站：北京：华北电力试验研究所，1985.

[3] 潘旦君等.机械基础.北京：高等教育出版社，1986.

（作者单位：新东北电气集团高压开关有限公司）

作者简介

闫常亮（1980-），男，工程师，从事高压开关设计工作。