高功率激光模拟电弧烧蚀含氟化钙聚四氟乙烯的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海交通大学上海市激光制造与材料改性重点实验室 作者:朱晓雯

  利用激光模拟中压开关设备闸门断开瞬间的电弧作用,对聚四氟乙烯、含5% CaF2聚四氟乙烯以及含15% CaF2聚四氟乙烯的烧蚀行为进行试验,并对烧蚀点进行质量损失评估、微观形貌和能谱分析,对烧蚀产物采用红外光谱测试,进而对四氟乙烯的分解机理以及CaF2填充物对其抗电弧烧蚀性能的影响进行研究。结果表明:CaF2填充聚四氟乙烯能提高其抗电弧辐照能力,含15% CaF2聚四氟乙烯比含5% CaF2聚四氟乙烯的改善效果更显著。

  近年电力工业迅猛发展,中压空气绝缘开关成为电网建设不可缺少的设备,该类型的开关设备通常应用SF6弹簧操作机构断路器配合重合闸,闸门断开瞬间放电,产生的电弧作用于开关装置内衬,内衬受到电弧烧蚀作用,累积作用埋下安全隐患。聚四氟乙烯(PTFE)凭借其良好的热稳定性和绝缘性能成为开关设备内衬的首选,通过添加无机化合物如Al2O3、BN、TiO2等能对PTFE 的性能产生不同的影响。二氧化碳激光器是以CO2气体为工作介质的气体激光器,有较大的功率和较高的能量转换效率。通过计算开关柜启动时放电现象产生的能量,可以在实验中利用CO2激光器产生相近能量的激光束作用于不同成分的聚四氟乙烯,模拟电弧放电在内衬表面产生的烧蚀作用。

  通过添加氟化钙(CaF2)到PTFE 中,比较加入CaF2前后PTFE 材料性能的变化以及添加不同质量CaF2对PTFE 材料性能的影响,并在激光烧蚀后利用扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)、红外光谱(FTIR)分析辐照分解产物与聚合物表面的形貌,分析材料的烧蚀行为及分解机理,判断材料是否适合于中压空气绝缘开关柜。

1、实验

  1.1、原材料及设备

  PTFE 材料分别为:常规PTFE、含5% CaF2 的PTFE、含15% CaF2 的PTFE,材料均裁成片状试样。PTFE 为白色,含有CaF2 的PTFE 夹杂有灰黑色,随着CaF2添加量的增大,颜色加深。实验采用激光器对最大功率下的激光参数进行检测,得到基本参数如表1所示。

表1 15 kW CO2激光器的主要参数

15 kW CO2激光器的主要参数

  1.2 测试方法

  采用Carl Zeiss SMT 公司产的Ultra 55、Smart SEM V05.03.00 型扫描电镜进行微观形貌观察及能谱分析。搜集激光作用过程中的分解物(粉末状),利用Perkin Elmer 公司产的Paragon 1000 型号傅立叶变换红外光谱仪进行有机物成分分析。采用精度0.1mm游标卡尺对激光作用表面区域大小进行测量。使用电子称称量激光作用导致的材料质量损失,精度为0.01 g。

  1.3、功率计算与参数选择

  模拟电弧需要激光器产生与电弧能量最相近的激光束,因此激光参数的选择很重要。影响激光能量作用的3 个主要参数为功率P、作用时间t 和离焦量△f(激光焦点到试样受激光辐照表面的距离)。首先,根据GB 3906—2006,中压开关柜的工作电压为12~24 kV,在630 A电流条件下,闭合闸门闭合断开瞬间产生的电弧电压可达500 V。通过电弧能量可以估算电弧功率为315 kW。

  电弧功率中可能到达内衬表面的能量不是固定的,其取决于开关内部介质及所产生电弧空间位置的随机性,最终作用于内衬的能量可为2.5%~90%。考虑实际应用中PTFE内衬的面积为14 cm× 5 cm,覆盖角度为90°,电弧在SF6开关技术下,受电弧影响的内衬角度范围不超过45°,内衬宽度范围不超过2.5 cm,因此内衬中至多1/4 的面积将受到电弧的作用。考虑到条状电弧能量的四周辐射作用以及其靠近内衬的情况,假设只有50%的电弧能量作用在内衬上,该区域受到的最大功率密度计算如下:

  最大功率密度=电弧功率×50%×90%/有效作用面积=315×0.9×0.5 kW/(14×5/2/2 cm2)=8.1 kW/cm2

  最小能量密度=电弧功率×50%×2.5%/有效作用面积=315×0.5×0.025 kW/(14×5/2/2)=0.225 kW/cm2

  因此利用激光模拟电弧,激光作用区功率密度应控制在0.225~8.1 kW/cm2。其次,电弧存在时间通常不超过20 ms,激光作用时间设定为20 ms。最后,对于离焦量△f 的确定——通过对不同激光功率下离焦量△f 变化(0~180 cm)对PTFE 烧蚀情况影响的观察,比较试验结果并选择合适的离焦量。结果发现,3 kW激光作用下,△f 为90 mm时,激光作用效果与内衬受电弧影响效果最为接近,测量烧蚀区面积计算得到的功率密度为7.29 kW/cm2,符合计算的范围。因此,激光模拟电弧能量的参数选定为:P=3kW;△f=90 mm;t=20 ms。

结论

  (1)在CO2激光功率设为3 kW,离焦量△f 为90mm,激光作用时间为20 ms 时,CO2激光能较好地模拟开关放电电弧的辐照作用。

  (2)在相同激光功率密度作用下,材料的抗烧蚀能力由低到高依次为PTFE、5%CaF2-PTFE、15%CaF2-PTFE,表明加入CaF2能改善PTFE的抗烧蚀能力,即抗电弧辐照能力,且较高CaF2含量的PTFE的改善效果更明显。

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