高寒环境下GIS密封圈材料的选用及存在问题

张涛锋， 秦晓宇， 张书琴， 李 彪, 吕寻浩, 高延峰， 陈 东， 杨春月， 吕 进, 吕 敏

(1.平高集团有限公司， 平顶山 467001；2.国网山东省电力公司临沂供电公司， 临沂 276000)

SF6气体绝缘开关(GIS)设备因具备良好的灭弧性能、绝缘性能及小的占地面积等优点,广泛应用于110 kV及以上变电站中。GIS设备通过SF6气体进行电气绝缘，在工程应用中，可以通过加装密封圈来保证GIS设备良好的密封性能。

常规GIS设备工作温度为-25～40 ℃，而我国的一些高寒地区冬季的实际温度最低达-40 ℃。在高寒环境下，密封圈密封性能、抗老化性能等都会受到影响。通过对GIS设备密封圈材料的筛查及研究，笔者找出了适用于高寒环境的GIS设备密封圈材料；并针对GIS设备用O型密封圈在高寒环境出现喷霜及漏气等问题进行了深入分析。

1 GIS设备密封圈材料选用

GIS设备用O形密封圈的密封性能是依靠橡胶良好的回弹性，并配合法兰的压力，长期保持压缩状态，借助其变形产生的弹性回复力使其充填在密封槽中而起到密封作用的[1]。

GIS设备多选用以硫化橡胶为基体的O型密封圈，硫化橡胶只有玻璃态和高弹态，无粘流态，温度太高时会裂解，温度太低时会丧失高弹性[2]。因此，硫化橡胶从玻璃化温度以上，一直到交联分子降解都具备高弹性，即硫化橡胶密封圈的适用温度范围较大。硫化橡胶在其玻璃化转变区间的某一温度将会发生脆变，则该温度为其低温极限温度。

GIS设备用O型密封圈在高寒环境下工作时，其密封圈高压侧承受0.3～0.8 MPa的SF6气体压力，低压侧承受大气压力，户外环境下还要承受酸、碱性气体及水分的浸渍，但其使用寿命要求达到30 a(年)以上。常用耐低温硫化橡胶的主要参数见表1[3-4]。

由表1可知，天然橡胶、顺丁橡胶、硅橡胶、乙丙橡胶、丁腈橡胶均具有较好的耐低温性能，但天然橡胶、顺丁橡胶耐天候老化性差，硅橡胶不耐SF6等卤素气体，丁腈橡胶不耐氧、臭氧，对高海拔地区现场运行非常不利。因此，高寒环境下宜选用三元乙丙橡胶作为GIS设备密封圈的基材，在橡胶加工过程中，优选硫化体系和补强体系，改善橡胶的耐低温性能和力学性能。

三元乙丙橡胶是乙烯、丙烯和少量的非共轭二烯烃的共聚物，因其主链是由化学稳定的饱和烃组成，只在侧链中含有不饱和双键，故其耐臭氧、耐热、耐天候等耐老化性能优异，同时耐SF6气体，工作温度为-50～130 ℃，能满足GIS设备在高寒环境下稳定运行的需求。

影响GIS设备密封圈耐寒性能的关键要素有以下几个[5]。

(1) 硬度

适中的硬度是保证密封圈良好密封性的基础[6-7]。SF6电器属较低气压(仅0.3～0.8 MPa)的产品，而且对其泄漏率控制较严，因此要求橡胶的硬度适中，使密封圈与密封面之间保持较好的弥合性。硬度太低会降低接触压力，硬度太高则影响密封效果。

三元乙丙橡胶O型密封圈在低温(-40 ℃)下的邵尔硬度为65～75 HA，低温环境下具有稳定的硬度，可以降低GIS设备的泄漏率。

(2) 脆性温度

为满足GIS设备在高寒地区-40 ℃下的运行需求，密封圈材料的脆性温度宜低于-45 ℃。

(3) 压缩永久变形

为保证密封圈的密封性能，100 ℃时的压缩永久变形控制在25%以下；在-40 ℃时的压缩永久变形控制在30%以下。对三元乙丙橡胶进行改性，以达到该压缩永久变形要求。改性后的三元乙丙橡胶(EPDM-70)密封圈材料性能见表2，可见其完全满足使用要求。

表2 EPDM-70密封圈材料的性能Tab.2 Properties of EPDM-70 sealing ring material

为保证GIS设备在高寒环境下安全、稳定地运行，其密封材料需达到30 a以上的使用寿命。对EPDM-70密封圈进行压缩永久性试验，试验结果见表3。并计算出EPDM-70密封圈在60 ℃下压缩永久变形达到50%的临界值时寿命为52 a。

表3 EPDM-70密封圈的压缩永久性试验结果Tab.3 Compression set test results of EPDM-70 sealing ring %

2 GIS设备密封圈在高寒环境下的喷霜原因

GIS设备密封圈在高寒环境下经常出现喷霜现象。喷霜是混炼胶或硫化胶内部的液体或固体配合剂因迁移而在橡胶制品表面析出形成云雾状或白色粉末物质的现象。喷霜不仅严重影响产品的外观质量，而且在一定程度上也影响着橡胶密封圈的密封性能和使用寿命。 GIS设备密封圈喷霜宏观形貌如图1所示。

图1 GIS设备密封圈喷霜宏观形貌Fig.1 Macro morphology of blooming for GIS equipment sealing ring

引起三元乙丙橡胶密封圈喷霜的因素有很多，其中主要原因是填充材料使用量超出了其在橡胶中的溶解度[8-9]。三元乙丙橡胶密封圈由三元乙丙橡胶、过氧化物、炭黑、促进剂、活性剂(氧化锌、硬脂酸等)、填充剂(碳酸钙、碳酸镁等)等组成，其在橡胶中的溶解度一般都是随着温度的升降而增减，因此在低温时，橡胶表面会因溶解度下降而发生喷霜现象。

在调查密封圈低温环境下喷霜原因、针对性地解决喷霜问题时，对喷霜析出物组分的分析至关重要[10]。采用JSM-6510A型扫描电镜(SEM)及其搭载的能谱仪(EDS)对密封圈喷霜析出物进行分析，未喷霜密封圈的微观形貌及成分分析如图2所示，喷霜密封圈的微观形貌及成分分析如图3所示。

图2 未喷霜密封圈的微观形貌及EDS分析结果Fig.2 Microstructure morphology and EDS analysis results of non-blooming sealing ring

图3 喷霜密封圈的微观形貌及EDS分析结果Fig.3 Microstructure morphology and EDS analysis results of blooming sealing ring

图3中，测试位置1～4为喷霜位置，测试位置5～6为未喷霜位置。结果可知，密封圈喷霜形成的白色颗粒状结晶物主要成分为活性剂(氧化锌、硬脂酸)及填充剂(碳酸钙)等。受现场高寒环境影响，活性剂、填充剂在橡胶中的溶解度随着温度的下降而减小[11-15]。而在低于最大用量的临界值后，橡胶表面因溶解度减小而喷霜。

3 GIS设备密封圈在高寒环境下的漏气原因

三元乙丙橡胶材料的O型密封圈有较高的线膨胀系数，在高寒环境下该O型密封圈会冷缩变形，O型密封圈的冷缩变形对其尺寸及密封效果也会造成很大影响。

采用TA DIL801型热膨胀仪，测试出三元乙丙橡胶的线膨胀系数为2.5×10-4/℃。

取8个φ10 mm三元乙丙橡胶材料的O型密封圈进行低温变形试验，试验前在室温(20 ℃)测量O型密封圈的内径尺寸，对O型密封圈进行-40 ℃×168 h放置后再次测量其内径尺寸，计算与测量结果见表4。

表4 密封圈低温试验后的尺寸变化Tab.4 Dimension changes of sealing ring after low temperature test mm

(1)

式中：d1min为密封圈的最小线径；D1min为密封圈的最小内径；D2max为沟槽最大内径。

O型密封圈是一种典型的压缩型密封圈，将其装入密封沟槽时要给予一定的压缩量，在确定压缩量的大小时应考虑如下因素：给予密封面足够而均匀的接触压力；O型密封圈压缩而产生的滑动摩擦阻力应尽量小(流体压力越高，压缩量应越小)；O型密封圈材料压缩变形应尽量小(材料硬度越高，压缩量应越小)。O型密封圈压缩率计算公式如下

(2)

式中：ε为压缩率；d为O型密封圈断面直径；L为O型密封圈沟槽深度；A为两个密封面之间的间隙。

压缩率是影响O型密封圈正确使用的一个重要因素。压缩率大摩擦力随之增加，因此压缩率应尽量取小一些。但如果压缩率过小，在加工误差和安装偏心太大时，会出现局部范围无压缩而引起泄漏，而压缩率太大会增大压缩永久变形，使密封圈使用寿命下降。对多种橡胶密封圈试样的密封试验表明，对GIS静连接对接面O型密封圈合理的压缩率应为15%～25%[16-19]。

某厂家126 kV GIS接线端子座在低温环境下(约-30 ℃)进行检漏作业时发生多起O型密封圈对接面漏气现象,笔者对其漏气原因进行了分析。

漏气法兰连接面剖面图如图4所示，密封圈拉伸后装入密封槽(密封圈内径小于密封槽内径)，密封槽内壁(SF6气体侧)、下壁、封板上壁与密封圈接触形成密封面，其中密封圈线径d0为6.0 mm，内径D0为84 mm，U型槽内槽面直径D2为86.5 mm；密封槽深度L为4.3 mm，密封法兰间隙A为0.4 mm。

图4 漏气法兰连接面剖面图Fig.4 Sectional drawing of connection surface of the leakage flange

为解决漏气故障，还可将密封圈结构进行优化设计[20]。根据图4可知，在GIS设备运行过程中O型密封圈借助压紧变形后的橡胶弹力F1和拉伸变形力F2使密封圈与法兰、密封槽内侧相互靠紧，而产品内的SF6气压P0对密封圈形成扩张力F0使密封圈向密封圈外侧扩张，若扩张力F0大于密封圈变形力时，密封圈内壁密封演化为外壁密封，密封圈压缩率降低后进一步增加漏气隐患。

若扩张力F0与密封圈变形力相平衡时，需考虑SF6气体受温度的变化热胀冷缩的因素；气压上升，O型扩张力F0克服密封圈变形力向外侧扩张，气压下降，O型密封圈则向内侧收缩。密封圈频繁往复运动会刮去密封面润滑脂形成干摩擦，磨损密封圈，造成产品泄漏。

可将密封结构变更为密封槽外壁密封的密封结构。当容腔内充入SF6气体后，在介质压力的作用下，O形密封圈发生位移，同时其弹性变形进一步加大，填充和封闭间隙，实现对密封圈的自密封。

4 结论

(1) 在高寒环境下，GIS设备密封圈材料可选用改性后的三元乙丙橡胶。

(2) 在高寒环境下，GIS设备密封圈喷霜形成的白色颗粒状结晶物主要成分为活性剂(氧化锌、硬脂酸)及填充剂(碳酸钙)等。喷霜的原因是活性剂、填充剂在橡胶中的溶解度随着温度的下降而减小，在低于临界值后，橡胶表面形成喷霜。

(3) 在高寒环境下，GIS设备的漏气原因为密封圈内径小于密封槽内径，装配作业时对密封圈拉伸导致线径减小；同时在低温、高海拔等高寒环境下密封圈线径低温收缩，密封圈压缩率不满足设计要求致使GIS设备漏气。可在产品设计时将密封结构调整为密封槽外壁密封结构。