?改性PA、PBT、PC、POM、PTFE等在斷路器中的應(yīng)用研究

電氣斷路器是電氣設(shè)備中最常見的保護(hù)器，能夠在短路、失壓、過載、熔斷等條件下保護(hù)用電器。

? ? ? ?漏電小型斷路器 ?圖源：人民電器

由于塑料具有良好的絕緣性能和可塑性，常被用于電氣斷路器的外殼、滅弧系統(tǒng)及噴口等部件。常見的工程塑料，如聚酰胺PA、 聚酯PBT、聚四氟乙烯PTFE、聚甲醛POM等，在電氣斷路器領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

但隨著電氣行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)電氣斷路器的功能、選型、性能提出更高的要求，尤其對(duì)于低壓斷路器、高電絕緣阻燃斷路器，對(duì)塑料的外觀、力學(xué)性能、阻燃性能，環(huán)保節(jié)能等方面要求更高。

目前，為滿足新型電氣斷路器的要求，需要對(duì)塑料進(jìn)行改性、優(yōu)化，更好地滿足生產(chǎn)需要。常見的斷路器有不同的分類、原理及技術(shù)要求，斷路器中的塑料材料也有不同的性能要求。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外新型塑料材料在電氣斷路器的外殼、滅弧系統(tǒng)及斷路器噴口的應(yīng)用進(jìn)行歸納總結(jié)，為新型塑料材料在電氣斷路器的應(yīng)用提供理論參考。

電氣斷路器按殼體形式可以分為框架式斷路器、塑殼式斷路器、微型斷路器、真空斷路器等。框架式斷路器應(yīng)用最廣泛，當(dāng)出現(xiàn)線路短路、失壓、漏電、接地等情況時(shí)，自動(dòng)斷電，起到總開關(guān)作用。

? ? ? ?框架式斷路器 圖源：人民電器

塑殼式斷路器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)斷電功能，還能夠?qū)崿F(xiàn)隔離、保護(hù)功能，是目前使用較廣泛的一種電氣斷路器。

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光伏專用塑殼斷路器 ?圖源：施耐德

微型斷路器常用于建筑行業(yè)，是一種可實(shí)現(xiàn)功能拼裝、功能擴(kuò)大的真空斷路器。真空斷路器利用真空技術(shù)實(shí)現(xiàn)分?jǐn)嗔鞴δ?，具有體積小、質(zhì)量輕、滅弧系統(tǒng)不需要檢修等優(yōu)勢(shì)，在變電站、發(fā)電廠應(yīng)用廣泛。

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中壓真空斷路器 ?圖源：施耐德

電氣斷路器可以實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，在配電線路產(chǎn)生大量電流時(shí)斷電跳閘，也可以實(shí)現(xiàn)剩余電流、過負(fù)荷保護(hù)。但應(yīng)用于不同部件的塑料，需要具備不同的性能。如用于電氣斷路器的外殼，需要具備延展性好、阻燃性能好、絕緣性能好、生產(chǎn)成本低、節(jié)能環(huán)保等條件；用于滅弧系統(tǒng)的塑料，需要具有良好的產(chǎn)氣性能、較高的介電強(qiáng)度和介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度等特點(diǎn)；用于電氣斷路器保護(hù)構(gòu)件的塑料，需要具備絕緣電容功能，且能夠?qū)⒉煌娢坏膶?dǎo)體分離。

目前，電氣斷路器外殼正向加工成本更低、性能更優(yōu)、 生產(chǎn)廢品率低、環(huán)保等方面發(fā)展，其中塑殼式斷路器是應(yīng)用廣泛的電氣斷路器之一。

耐熱、阻燃POM、PA66

王鋒等對(duì)外殼為聚甲醛(POM)和聚酰胺66(PA66)的斷路器性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明：POM新型塑料相比PA66具有更高的穩(wěn)定性，當(dāng)灼燒溫度高達(dá)960℃時(shí)，POM 才會(huì)發(fā)生分解，產(chǎn)成有毒氣體。說(shuō)明POM新型塑料材料比PA66塑料材料具有更好的耐熱性和耐燃性。

無(wú)鹵阻燃回收PC、PA

顧惠民等指出使用新型可回收塑料是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)無(wú)鹵阻燃熱塑性材料的相關(guān)研究。對(duì)聚碳酸酯(PC)、聚酰胺(PA)塑料材料進(jìn)行改性能夠提升可再生性能，降低塑料生產(chǎn)成本，改性后的PC、PA新型塑料在電氣斷路器的外殼中具有較的應(yīng)用前景。

碳纖維增強(qiáng)PA11

李海強(qiáng)等以碳纖維改性后的PA11的研究表明：改性后的塑料外殼絕緣性能由12 kV提升至32kV，且短時(shí)間內(nèi)可以滿足48kV的電壓。

短玻纖增強(qiáng)PA66

常用于手車式開關(guān)柜斷路器外殼的環(huán)氧樹脂固化體系復(fù)合材料難以降解，且生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣、廢水，不符合節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)，因此使用新型熱塑性工程塑料符合綠色發(fā)展。沈建平利用短玻纖維對(duì)PA66進(jìn)行改性。結(jié)果表明：改性后的PA66拉伸強(qiáng)度提高12%左右，且生產(chǎn)成本降低10%，耐漏電痕跡CTI>600V，體積電阻率>1.83×1015。

增強(qiáng)PC

成二國(guó)等綜述目前新型塑料在電氣斷路器的應(yīng)用情況，指出當(dāng)前的研究熱點(diǎn)為增強(qiáng)型PC外殼材料、無(wú)鹵素阻燃材料、碳纖維材料等。增強(qiáng)型PC外殼材料具有輕薄、便攜、占地更小的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效運(yùn)用于小型電氣斷路器外殼。

紅磷玻纖阻燃增強(qiáng)PA66

陳曉東等采用紅磷母粒、玻璃纖維材料對(duì)PA66進(jìn)行阻燃增強(qiáng)改性，并通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)優(yōu)選合適的添加劑含量、助劑含量，使得PA66呈現(xiàn)最佳性能。結(jié)果表明：當(dāng)紅磷母粒阻燃玻璃纖維含量為30%時(shí)，改性后的PA66電絕緣性能由375V提升至400V；拉伸強(qiáng)度由128MPa提升至137MPa；阻燃等級(jí)達(dá)到 V-2 級(jí)。說(shuō)明適當(dāng)?shù)臒o(wú)鹵阻燃劑對(duì)PA66改性效果較好，能夠優(yōu)化電氣斷路器外殼的力學(xué)性能、絕緣性能和阻燃性能。

高溫硫化硅改性環(huán)氧樹脂

周慶慶等對(duì)新疆地區(qū)的高壓變電站電氣斷路器進(jìn)行研究，對(duì)新型高溫硫化硅改性的環(huán)氧樹脂材料進(jìn)行耐風(fēng)沙、紫外線及絕緣性能的測(cè)試。結(jié)果表明：改性后的環(huán)氧樹脂材料介電常數(shù)由2.68增加至2.73；耐風(fēng)沙性能明顯提升，使用壽命可達(dá)40年。且改性后的材料能夠在500W紫外線燈照射下使用5000 h，為設(shè)計(jì)在極端條件下具有較長(zhǎng)使用壽命的電氣斷路器塑料外殼提供參考。

為推進(jìn)節(jié)能減排工作，很多行業(yè)使用低壓電氣斷路器替代高壓斷路器，因此對(duì)低壓斷路器的滅弧系統(tǒng)研究成為熱點(diǎn)。其中，新型高分子產(chǎn)氣材料具有產(chǎn)氣性能優(yōu)異，制作成本低，種類多樣等優(yōu)點(diǎn)，受到研究者的廣泛關(guān)注。

PA66、POM

陳德桂探究PA66、POM產(chǎn)氣含量，研究表明當(dāng)發(fā)生斷路反應(yīng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)熱性能良好的H2，縮小電弧柱的直徑，并提升介質(zhì)強(qiáng)度。因此，PA66和POM是較好的制造低壓斷路器材料。

POM、PMMA和PA66

Andre對(duì)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、PA66、聚酯、 POM和PE產(chǎn)氣性能進(jìn)行比較。結(jié)果表明：產(chǎn)氣效果較好的是POM、PMMA和PA66材料。這是因?yàn)檫@3種材料能夠產(chǎn)生更多的H2，并且氣化量大、擊穿的電壓更高，生成固體廢棄物更少。

PA66

Shea選擇10種新型高分子塑料為研究對(duì)象。結(jié)果表明：PA66初始介電強(qiáng)度并不高，但時(shí)間常數(shù)很小，介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度性能好，具有良好的導(dǎo)熱性能，是優(yōu)異的低壓電氣斷路器滅弧系統(tǒng)材料。

聚酯/銅

劉佳等通過比較引弧板材料的性能及作用原理，得出當(dāng)聚酯塑料中添加銅后，滅弧效果提升約12%左右。因此，改性后的聚酯塑料材料，可以進(jìn)一步增加引弧板的磁場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而提升滅弧系統(tǒng)的能力。

在大型電網(wǎng)設(shè)備中，高壓斷路器承擔(dān)短路和斷路故障電流的保護(hù)作用。研究滅弧系統(tǒng)的新型塑料，有利于保障高壓斷路器的滅弧功能，并保持可靠的開閉功能。

BN改性PTFE

袁端鵬等對(duì)滅弧系統(tǒng)中的聚四氟乙烯(PTFE)材料進(jìn)行改性并探究其性能。結(jié)果表明：BN比氧化鋁對(duì)PTFE力學(xué)性能的改性效果更好，使得PTFE具有更高的拉伸強(qiáng)度。BN改性PTFE的相對(duì)介電常數(shù)在20℃時(shí)為3.0左右；而氧化鋁改性PTFE的相對(duì)介電常數(shù)為2.5，均高于純PTFE的相對(duì)介電常數(shù)2.2。說(shuō)明BN對(duì)PTFE改性能夠得到電氣強(qiáng)度、熱導(dǎo)率和耐電弧燒蝕性能更好的新型塑料。

高壓斷路器GIS具有體積小、可靠性高、性能強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，被廣泛運(yùn)用于高壓電網(wǎng)的電氣保護(hù)。噴口材料需要具有優(yōu)異的電氣絕緣性能，且能夠產(chǎn)生電弧、吹弧介質(zhì)及噴口三者之間的熱力綜合效應(yīng)，但傳統(tǒng)的塑料材料無(wú)法滿足高壓斷路器噴口的耐燒蝕性能。目前許多研究者以PTFE為研究對(duì)象，通過改性、燒制工藝改變的方式提升其耐燒蝕性能，研發(fā)新型塑料材料。

氧化鋁、BN、二硫化鉬(MoS2)改性PTFE

李仰平等采用新型塑料探究高壓電氣斷路器的噴口，以添加氧化鋁、BN、二硫化鉬(MoS2)等為研究對(duì)象，探究對(duì)添加劑種類、含量對(duì)塑料材料的絕緣性能、力學(xué)性能、耐燃性能的影響。結(jié)果表明：經(jīng)過改性的PTFE塑料材料相對(duì)介電常數(shù)隨著溫度升高而減小，且添加劑含量越多，介電常數(shù)越大。添加BN的PTFE相對(duì)介電常數(shù)最小，能夠進(jìn)一步提高斷路器噴口的絕緣性能和使用壽命。

石墨、MoS2、陶瓷改性PTFE

焦彥俊等對(duì)高壓斷路器中的PTFE進(jìn)行改性研究，添加石墨、MoS2、陶瓷等無(wú)機(jī)物，并測(cè)定熱傳導(dǎo)性能、力學(xué)性能、相對(duì)介電常數(shù)和燒蝕量等指標(biāo)。結(jié)果表明：經(jīng)過無(wú)機(jī)添加物改性后，PTFE 的力學(xué)性能進(jìn)一步提升，拉伸強(qiáng)度提升約12%，壓縮強(qiáng)度提升8.4%，能夠有效延長(zhǎng)噴口的使用壽命。在耐燒蝕性能方面，添加石墨無(wú)機(jī)物的改性PTFE 耐燒蝕效果最好，耐燒蝕性較改性前提升約 17.6%。

聚苯酯改性PTFE

邢照亮等PTFE在高壓斷路器的噴口工作原理進(jìn)行研究，并對(duì)增強(qiáng)PTFE性能進(jìn)行嘗試。通過在PTFE中添加部分有機(jī)物聚苯酯，并比較有機(jī)物含量對(duì)PTFE性能改性的效果。結(jié)果表明：隨著聚苯酯的含量增加，改性后的PTFE的拉伸性能和斷裂伸長(zhǎng)率明顯提升，耐熱性能也略有增強(qiáng)，該研究進(jìn)一步說(shuō)明新型PTFE在電氣斷路器噴口應(yīng)用中具有良好的應(yīng)用前景。

對(duì)電氣斷路器中的新型塑料材料的應(yīng)用情況進(jìn)行論述，目前常見的新型塑料材料為改性后的 PA66、POM、 PTFE、PMMA等，其環(huán)保性能、力學(xué)性能、阻燃性能比傳統(tǒng)的塑料材料略有提升。隨著新型塑料材料的進(jìn)一步研發(fā)，未來(lái)塑料材料將不局限于電氣斷路器的外殼、滅弧系統(tǒng)、 高壓斷路器的噴口等領(lǐng)域，在斷路器中有更廣泛的應(yīng)用。

參考資料：新型塑料材料在電氣斷路器中的應(yīng)用分析，網(wǎng)絡(luò)資料。

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