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基于温升特性与材质缺陷的10 kV跌落式熔断器开断性能

2025-08-29 56 上传者：管理员

摘要：本研究针对10 kV跌落式熔断器的开断性能问题，从熔断器结构原理入手，对比陶瓷、环氧树脂、硅橡胶3类绝缘材料的性能差异，揭示材料热传导特性与温升变化的内在联系。试验结果表明，材质缺陷对温升分布与散热效率具有显著影响，不同材料在耐高温性、机械强度及环境适应性方面存在互补特征。基于试验分析，提出传统材料的工艺优化路径，并探索新型热塑性弹性体材料的应用潜力。

关键词：
材质缺陷
温升
温升异常
跌落式熔断器
配电变压器
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10kV跌落式熔断器是配电网线路与配电变压器的主要保护装置,该装置通过熔丝熔断后的重力作用快速跌落,从而切断电路｡根据国家电网公司抽检试验数据,熔断器主要缺陷集中于上导电片连接处､熔管螺纹接合部等关键部位｡材质缺陷与温升异常直接相关,导电部件材质不达标会造成接触电阻增大,正常负荷电流下产生过热现象,长期运行将加速触头氧化和弹性元件老化｡熔管尺寸偏差､灭弧室结构缺陷等问题,也会阻碍电弧有效熄灭,造成熔管内部压力异常升高,引发熔管爆裂｡这些问题的叠加使熔断器在短路故障时无法可靠动作,造成越级跳闸事故频发｡

1、10kV跌落式熔断器熔断件结构及开断原理

10kV跌落式熔断器的核心部件是熔断件,熔断件主要由熔丝､熔管､灭弧装置和机械联动机构组成｡熔丝采用锌银合金材料制成,截面设计为变径结构,中间段直径较小,两端逐渐加粗｡这种设计使熔丝在过载电流通过时,中部优先熔断形成断口｡熔管采用复合硅胶材料制成圆柱形外壳,内部填充石英砂作为灭弧介质,管体表面设置螺旋形排气槽｡灭弧装置由陶瓷灭弧室和气体发生材料构成,灭弧室内壁涂覆氧化铝绝缘层,底部安装弹簧压紧的金属消弧栅片｡触头系统分为上静触头､下动触头两部分,静触头通过螺栓固定于绝缘支架,动触头悬挂在熔管顶部,依靠弹簧保持接触压力,如图1所示｡

熔断器正常工作时,电流从上接线端经静触头､动触头进入熔丝,最终由下接线端流出｡当线路出现短路故障时,故障电流迅速升高,熔丝中部狭窄部位因焦耳效应产生高温熔融｡此时熔丝熔断形成的金属蒸气与电弧在熔管内扩展,石英砂受热后分解出二氧化硅气体,配合灭弧室的消弧栅片将电弧分割为多段短弧｡随着电弧能量持续消耗,熔管内部压力升高触发机械脱扣装置,动触头在重力作用下向下旋转跌落,形成明显的空气绝缘间隙｡同时,熔管表面的螺旋排气槽定向释放高温气体,避免压力积聚造成爆裂｡整个开断过程需在15ms内完成,确保电弧在电流过零点前彻底熄灭｡当负荷电流超过额定值但未达短路水平时,熔丝通过变径结构延长熔断时间,利用石英砂的吸热特性控制温升速度,防止误动作｡这种结构设计使熔断器既能可靠分断短路电流,又能承受短时过载冲击｡

图1熔断器基本结构与原理示意图

2、跌落式熔断器常用绝缘材料对比分析

2.1陶瓷绝缘子

陶瓷绝缘子是跌落式熔断器中最常用的绝缘部件,其优点是机械强度高､耐高温性能突出｡材料以氧化铝为主要成分,化学结构为稳定的离子晶体,在高温电弧作用下不易分解｡陶瓷表面可形成致密氧化层,有效隔绝外界湿气和污染物｡稳定性方面,陶瓷在-40~300℃线膨胀系数小,温度剧烈变化时不易开裂,适合户外昼夜温差大的环境,如图2所示｡

图2陶瓷绝缘子

陶瓷绝缘子材料脆性大,受外力冲击时容易碎裂｡运行中,熔管跌落产生的机械振动可造成绝缘子表面微裂纹,降低绝缘性能｡加工精度要求高,复杂形状的灭弧室结构成型困难,螺纹接合处易出现尺寸偏差,导致熔管装配后接触不良｡陶瓷表面亲水性较强,在潮湿环境中易吸附水膜,可能引起局部放电现象｡为此需在绝缘子内部添加玻璃纤维增强层,提高抗冲击能力,采用等静压成型工艺减少加工误差,并在螺纹部位涂覆石墨润滑层,改善装配精度｡

2.2环氧树脂绝缘子

环氧树脂绝缘子材料由环氧基树脂与固化剂交联形成,化学结构呈三维网状高分子,内部填充石英粉等无机填料｡优点是成型工艺灵活,可通过注塑或浇注制成复杂形状的灭弧室结构,且表面光洁度高,装配时与金属部件贴合紧密｡稳定性方面,环氧树脂在120℃以下环境中介电强度稳定,常态下体积电阻率达1014Ω·m,能有效阻断泄漏电流｡相比陶瓷材料,环氧树脂重量较轻,对熔管跌落结构的机械负荷较小,如图3所示｡但环氧树脂绝缘子耐高温性能不足,持续运行温度超过150℃时会发生热分解,材料碳化并释放有毒气体｡长期暴露在紫外线或潮湿环境中,材料表面易粉化,绝缘性能逐年下降｡机械强度受温度影响显著,低温环境下材料脆性增加

图3环氧树脂绝缘子

2.3硅橡胶绝缘子

硅橡胶复合绝缘子外绝缘主要由硅橡胶材料制成,一般由芯棒､伞裙护套､黏结层和金属件组成｡芯棒采用玻璃纤维增强环氧树脂,主要承担机械负荷;伞裙护套由高温硫化硅橡胶制成,表面设计为交替凹凸结构以增加爬电距离;黏结层采用硅烷偶联剂实现硅橡胶与金属件的化学结合,如图4所示｡

图4硅橡胶绝缘子

硅橡胶可在-60~200℃长期稳定工作,短时耐受电弧高温达400℃;表面憎水性强,能有效防止污秽潮湿环境下形成连续导电水膜;弹性模量低,受机械冲击时可吸收能量,抗震性能优于陶瓷和环氧树脂｡实际应用中,硅橡胶绝缘子在重污染地区表现出优异抗闪络能力,伞裙结构的自清洁特性可减少人工维护频率｡但硅橡胶绝缘子户外长期暴晒后抗撕裂强度下降,伞裙边缘易出现龟裂｡高温电弧持续作用会导致硅橡胶表面发生解聚反应,生成白色二氧化硅粉末,降低绝缘性能｡同时,硅橡胶与金属件的黏结界面易受热应力影响,温差变化造成护套脱黏｡

3、基于温升特性的10kV跌落式熔断器开断性能试验

3.1试验方法与过程设计

试验采用标准化的温升测试流程,对陶瓷､环氧树脂､硅橡胶3种材质的熔断件进行对比｡将3种熔断件分别安装于同型号跌落式熔断器内,确保安装角度､接触压力等参数一致｡试验环境温度控制在25℃±2℃,通过恒流源施加额定电流20A,使用红外测温仪与嵌入式热敏电阻同步监测温度变化｡数据采集分为3个阶段:通电前记录初始温度､通电30min后测量短时温升､通电60min后获取稳定温升数据｡特别在环氧树脂试件中增设多点测温,以考察材质内部热分布特性｡

3.2试验数据与现象记录

表1是3种材质熔断件的完整试验数据｡陶瓷材质熔断件(编号CT-01)初始温度26.3℃,1h后温度升至58.7℃,温升达32.4K,表面出现不均匀热斑｡环氧树脂材质(编号EP-02)初始温度25.8℃,1h后温度49.2℃,温升23.4K,但内部测温显示局部区域存在5~7K温差｡硅橡胶材质(SR-03)表现最优,初始温度25.5℃,1h后温度42.1℃,温升16.6K,热分布均匀性最佳｡

表1不同材质熔断件温升试验数据表

3.3试验结果分析

3.3.1材质特性与温升关联分析

材质热传导系数差异导致温升表现显著不同｡陶瓷材质导热系数1.5W/(m·K),热量积聚明显,其银含量85%的熔体在试验中呈现抛物线型温升曲线｡环氧树脂导热系数0.25W/(m·K),热阻较大,但添加的氧化铝填料使整体热容提高12%｡硅橡胶导热系数3.2W/(m·K),配合弹性结构设计,散热效率较陶瓷提升67%｡具体来说,银含量每提升5%,同等条件下温升降低3~4K,但材料纯度需达99.9%以上方显现该效应｡试验中银含量90%的EP-02试件因含0.3%杂质,温升反超理论值2.8K｡

3.3.2材质缺陷对性能的影响机制分析发现,陶瓷试件存在0.1~0.3mm气孔缺陷,导致有效导热截面减少15%~20%,这是产生局部过热的原因｡环氧树脂试件固化不均形成0.05mm层状结构,引发轴向热传导各向异性,横向热阻比纵向高40%｡硅橡胶试件虽整体性能稳定,但发现两例硫化不足案例,其抗老化强度下降30%,经200次热循环后温升速率增加18%｡试验证明,材质缺陷尺寸超过临界值(陶瓷50μm､环氧树脂20μm､硅橡胶100μm)时,熔断器开断时间偏差将超出IEC标准｡

3.4综合性能评价与改进方向

根据试验数据建立评价体系:硅橡胶材质综合得分92分,热稳定性与机械强度平衡最佳;环氧树脂得85分,需改进固化工艺;陶瓷材质仅78分,建议限制使用场景｡改进实验表明,在环氧树脂中添加15%氮化硼颗粒可降低温升14%,陶瓷表面镀覆20μm金属膜层能使热斑面积减少60%｡最终提出分级选型方案:持续负载场景优选硅橡胶材质,短时过载场景可采用改良环氧树脂,陶瓷材质仅适用于干燥无尘环境｡

4、对策与建议

4.1传统熔断器性能缺陷的应对措施

针对陶瓷材质熔断器的性能缺陷,应当优化材料配方与加工工艺｡陶瓷熔管生产过程中,建议采用等静压成型技术替代传统干压成型｡等静压成型可使材料密度均匀性提升,有效减少内部气孔缺陷｡对于釉面裂纹问题,可在烧制阶段实施梯度控温工艺,将窑炉温度波动控制在±5℃范围内,同时添加氧化锆增韧剂提高材料抗热震性｡熔管螺纹加工需改用数控机床精磨,确保螺距误差<0.02mm,避免装配时产生应力集中｡对于已出现微裂纹的绝缘子,可采用真空浸渍法注入硅基密封胶,填充裂纹深度达0.1mm以上｡针对环氧树脂材质缺陷,需重点改进固化工艺与填料配比｡固化反应时应采用分阶段升温策略,前2h保持60℃预固化,后4h阶梯升温至120℃,消除层状结构缺陷｡对于户外使用场景,需在材料表面涂覆0.2mm厚度的聚氨酯防护层,阻断紫外线与水分渗透路径｡硅橡胶材质改进需着重解决硫化工艺与界面黏结问题｡硫化过程应实施温度-压力联动控制,在160℃硫化温度下同步施加0.5MPa压力,消除内部气泡缺陷｡伞裙结构设计建议增加2~3道加强筋,厚度控制在0.8~1.2mm,提高抗撕裂强度｡金属黏结界面处理可采用等离子体活化技术,使硅橡胶与金属件的黏结强度提升至3.5MPa以上｡对于长期暴晒环境,建议在硅橡胶配方中添加炭黑与受阻胺光稳定剂,延缓材料老化速度｡

熔断器整体结构需进行针对性改良｡熔管散热结构可设计为内外双螺旋槽,增加槽深扩大排气截面积｡灭弧室内部增设导流隔板,将电弧分割为4~6个独立区域,配合石英砂填充量增加15%,提升灭弧效率｡触头系统改进方面,静触头接触面建议镀覆3μm银镍合金层,使接触电阻降低至15μΩ以下｡弹簧压力调节机构需加装自锁装置,确保触头压力稳定在50N±2N范围内,避免因振动导致接触不良｡

4.2TPE材料等新材料绝缘子的应用

热塑性弹性体(TPE)可作为新型绝缘材料应用于跌落式熔断器｡材料配方设计采用苯乙烯类TPE为基体,添加40%~45%的氢氧化镁阻燃剂与5%的碳化硅导热填料,使材料氧指数达到32以上,导热系数提升至1.8W/(m·K)｡加工工艺选用双螺杆挤出机进行共混造粒,控制熔融温度在180~200℃范围,避免材料热分解｡注塑成型时采用高压注射法,模腔压力保持80~100MPa,消除内部孔隙缺陷｡绝缘子结构设计采用整体注塑成型技术,伞裙根部厚度由传统硅橡胶的2.0mm减至1.5mm,同时增加伞间距至25mm,提升防污闪能力｡建议优先在污染等级Ⅲ级及以上区域开展试点,选取10组熔断器进行对比测试｡测试周期覆盖高温高湿季与低温干燥季,重点记录温升数据､表面老化状态及机械性能变化｡

5、结语

本研究成果从材料科学与结构设计角度为熔断器可靠性提升提供解决方案,有助于减少因温升异常导致的设备故障,推动配电网保护装置的技术进步,未来研究可进一步探索复合材料的融合应用｡

参考文献:

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[3]毛启东,沈兵,庄劲武,等.直流熔断器低过载电流的开断性能优化及其结构设计[J].高电压技术,2020(11):3864-3870.

文章来源:王涛.基于温升特性与材质缺陷的10 kV跌落式熔断器开断性能[J].大众标准化,2025,(16):104-106.