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​改性PA、PBT、PC、POM、PTFE等在断路器中的应用研究

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电气断路器是电气设备中最常见的保护器,能够在短路、失压、过载、熔断等条件下保护用电器。

       图片漏电小型断路器  图源:人民电器


由于塑料具有良好的绝缘性能和可塑性,常被用于电气断路器的外壳、灭弧系统及喷口等部件。常见的工程塑料,如聚酰胺PA、 聚酯PBT、聚四氟乙烯PTFE、聚甲醛POM等,在电气断路器领域具有广泛的应用。

但随着电气行业的快速发展,对电气断路器的功能、选型、性能提出更高的要求,尤其对于低压断路器、高电绝缘阻燃断路器,对塑料的外观、力学性能、阻燃性能,环保节能等方面要求更高。


目前,为满足新型电气断路器的要求,需要对塑料进行改性、优化,更好地满足生产需要。常见的断路器有不同的分类、原理及技术要求,断路器中的塑料材料也有不同的性能要求。本文对国内外新型塑料材料在电气断路器的外壳、灭弧系统及断路器喷口的应用进行归纳总结,为新型塑料材料在电气断路器的应用提供理论参考。


电气断路器按壳体形式可以分为框架式断路器、塑壳式断路器、微型断路器、真空断路器等。框架式断路器应用最广泛,当出现线路短路、失压、漏电、接地等情况时,自动断电,起到总开关作用。

       图片框架式断路器 图源:人民电器


塑壳式断路器不仅能够实现断电功能,还能够实现隔离、保护功能,是目前使用较广泛的一种电气断路器。


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光伏专用塑壳断路器  图源:施耐德


微型断路器常用于建筑行业,是一种可实现功能拼装、功能扩大的真空断路器。真空断路器利用真空技术实现分断流功能,具有体积小、质量轻、灭弧系统不需要检修等优势,在变电站、发电厂应用广泛。 


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中压真空断路器  图源:施耐德


电气断路器可以实现短路保护,在配电线路产生大量电流时断电跳闸,也可以实现剩余电流、过负荷保护。但应用于不同部件的塑料,需要具备不同的性能。如用于电气断路器的外壳,需要具备延展性好、阻燃性能好、绝缘性能好、生产成本低、节能环保等条件;用于灭弧系统的塑料,需要具有良好的产气性能、较高的介电强度和介质恢复强度等特点;用于电气断路器保护构件的塑料,需要具备绝缘电容功能,且能够将不同电位的导体分离。



新型塑料材料在电气断路器中的应用




在断路器外壳中的应用



目前,电气断路器外壳正向加工成本更低、性能更优、 生产废品率低、环保等方面发展,其中塑壳式断路器是应用广泛的电气断路器之一。


耐热、阻燃POM、PA66

王锋等对外壳为聚甲醛(POM)和聚酰胺66(PA66)的断路器性能进行研究。结果表明:POM新型塑料相比PA66具有更高的稳定性,当灼烧温度高达960℃时,POM 才会发生分解,产成有毒气体。说明POM新型塑料材料比PA66塑料材料具有更好的耐热性和耐燃性。


无卤阻燃回收PC、PA

顾惠民等指出使用新型可回收塑料是未来的发展趋势,应当进一步加强对无卤阻燃热塑性材料的相关研究。对聚碳酸酯(PC)、聚酰胺(PA)塑料材料进行改性能够提升可再生性能,降低塑料生产成本,改性后的PC、PA新型塑料在电气断路器的外壳中具有较的应用前景。


碳纤维增强PA11

李海强等以碳纤维改性后的PA11的研究表明:改性后的塑料外壳绝缘性能由12 kV提升至32kV,且短时间内可以满足48kV的电压。


短玻纤增强PA66

常用于手车式开关柜断路器外壳的环氧树脂固化体系复合材料难以降解,且生产过程中会产生大量的废气、废水,不符合节能环保的发展趋势,因此使用新型热塑性工程塑料符合绿色发展。沈建平利用短玻纤维对PA66进行改性。结果表明:改性后的PA66拉伸强度提高12%左右,且生产成本降低10%,耐漏电痕迹CTI>600V,体积电阻率>1.83×1015。


增强PC

成二国等综述目前新型塑料在电气断路器的应用情况,指出当前的研究热点为增强型PC外壳材料、无卤素阻燃材料、碳纤维材料等。增强型PC外壳材料具有轻薄、便携、占地更小的优点,能够有效运用于小型电气断路器外壳。


红磷玻纤阻燃增强PA66

陈晓东等采用红磷母粒、玻璃纤维材料对PA66进行阻燃增强改性,并通过对比实验优选合适的添加剂含量、助剂含量,使得PA66呈现最佳性能。结果表明:当红磷母粒阻燃玻璃纤维含量为30%时,改性后的PA66电绝缘性能由375V提升至400V;拉伸强度由128MPa提升至137MPa;阻燃等级达到 V-2 级。说明适当的无卤阻燃剂对PA66改性效果较好,能够优化电气断路器外壳的力学性能、绝缘性能和阻燃性能。


高温硫化硅改性环氧树脂

周庆庆等对新疆地区的高压变电站电气断路器进行研究,对新型高温硫化硅改性的环氧树脂材料进行耐风沙、紫外线及绝缘性能的测试。结果表明:改性后的环氧树脂材料介电常数由2.68增加至2.73;耐风沙性能明显提升,使用寿命可达40年。且改性后的材料能够在500W紫外线灯照射下使用5000 h,为设计在极端条件下具有较长使用寿命的电气断路器塑料外壳提供参考。



在断路器灭弧系统的应用



为推进节能减排工作,很多行业使用低压电气断路器替代高压断路器,因此对低压断路器的灭弧系统研究成为热点。其中,新型高分子产气材料具有产气性能优异,制作成本低,种类多样等优点,受到研究者的广泛关注。


PA66、POM

陈德桂探究PA66、POM产气含量,研究表明当发生断路反应时,会产生导热性能良好的H2,缩小电弧柱的直径,并提升介质强度。因此,PA66和POM是较好的制造低压断路器材料。


POM、PMMA和PA66

Andre对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、PA66、聚酯、 POM和PE产气性能进行比较。结果表明:产气效果较好的是POM、PMMA和PA66材料。这是因为这3种材料能够产生更多的H2,并且气化量大、击穿的电压更高,生成固体废弃物更少。


PA66

Shea选择10种新型高分子塑料为研究对象。结果表明:PA66初始介电强度并不高,但时间常数很小,介质恢复强度性能好,具有良好的导热性能,是优异的低压电气断路器灭弧系统材料。


聚酯/铜

刘佳等通过比较引弧板材料的性能及作用原理,得出当聚酯塑料中添加铜后,灭弧效果提升约12%左右。因此,改性后的聚酯塑料材料,可以进一步增加引弧板的磁场强度,进而提升灭弧系统的能力。


在大型电网设备中,高压断路器承担短路和断路故障电流的保护作用。研究灭弧系统的新型塑料,有利于保障高压断路器的灭弧功能,并保持可靠的开闭功能。


BN改性PTFE

袁端鹏等对灭弧系统中的聚四氟乙烯(PTFE)材料进行改性并探究其性能。结果表明:BN比氧化铝对PTFE力学性能的改性效果更好,使得PTFE具有更高的拉伸强度。BN改性PTFE的相对介电常数在20℃时为3.0左右;而氧化铝改性PTFE的相对介电常数为2.5,均高于纯PTFE的相对介电常数2.2。说明BN对PTFE改性能够得到电气强度、热导率和耐电弧烧蚀性能更好的新型塑料。



在高压断路器喷口的应用



高压断路器GIS具有体积小、可靠性高、性能强等优势,被广泛运用于高压电网的电气保护。喷口材料需要具有优异的电气绝缘性能,且能够产生电弧、吹弧介质及喷口三者之间的热力综合效应,但传统的塑料材料无法满足高压断路器喷口的耐烧蚀性能。目前许多研究者以PTFE为研究对象,通过改性、烧制工艺改变的方式提升其耐烧蚀性能,研发新型塑料材料。


氧化铝、BN、二硫化钼(MoS2)改性PTFE

李仰平等采用新型塑料探究高压电气断路器的喷口,以添加氧化铝、BN、二硫化钼(MoS2)等为研究对象,探究对添加剂种类、含量对塑料材料的绝缘性能、力学性能、耐燃性能的影响。结果表明:经过改性的PTFE塑料材料相对介电常数随着温度升高而减小,且添加剂含量越多,介电常数越大。添加BN的PTFE相对介电常数最小,能够进一步提高断路器喷口的绝缘性能和使用寿命。


石墨、MoS2、陶瓷改性PTFE

焦彦俊等对高压断路器中的PTFE进行改性研究,添加石墨、MoS2、陶瓷等无机物,并测定热传导性能、力学性能、相对介电常数和烧蚀量等指标。结果表明:经过无机添加物改性后,PTFE 的力学性能进一步提升,拉伸强度提升约12%,压缩强度提升8.4%,能够有效延长喷口的使用寿命。在耐烧蚀性能方面,添加石墨无机物的改性PTFE 耐烧蚀效果最好,耐烧蚀性较改性前提升约 17.6%。


聚苯酯改性PTFE

邢照亮等PTFE在高压断路器的喷口工作原理进行研究,并对增强PTFE性能进行尝试。通过在PTFE中添加部分有机物聚苯酯,并比较有机物含量对PTFE性能改性的效果。结果表明:随着聚苯酯的含量增加,改性后的PTFE的拉伸性能和断裂伸长率明显提升,耐热性能也略有增强,该研究进一步说明新型PTFE在电气断路器喷口应用中具有良好的应用前景。


对电气断路器中的新型塑料材料的应用情况进行论述,目前常见的新型塑料材料为改性后的 PA66、POM、 PTFE、PMMA等,其环保性能、力学性能、阻燃性能比传统的塑料材料略有提升。随着新型塑料材料的进一步研发,未来塑料材料将不局限于电气断路器的外壳、灭弧系统、 高压断路器的喷口等领域,在断路器中有更广泛的应用。


参考资料:新型塑料材料在电气断路器中的应用分析,网络资料。


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