CN103282700B - 用于中电压和高电压电气设备的活塞和汽缸装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括在空心汽缸(2)中滑动的活塞(1)的装置，所述活塞在其各表面中的与汽缸的内表面(4)接触的至少一个表面上被提供有导板(3)，其特点是，所述导板由浸渍热固树脂的聚酯纤维制成，所述热固树脂可选地含有填充剂，所述汽缸的内表面涂覆有涂料，所述涂料主要包括填充有一种或多种化合物的聚四氟乙烯，所述化合物选自添加剂、填充剂和粘接剂。

Description

用于中电压和高电压电气设备的活塞和汽缸装置
技术领域
本发明涉及一种用于中电压和高电压电气设备的活塞和汽缸装置，具体是用于高电压电路断路器。
背景技术
在高压和中压电气设备中，移动部件被用来确保切断电流。
这些移动部件主要由活塞/汽缸形式的组件构成。
活塞在汽缸内直线运动的过程中，所使用的涂层和密封件除了其它方面还必须满足以下要求：
-确保密封以使介电气体的压强能够增加，同时避免不合时宜的气体传输；
-能够承受在断路瞬间被等离子加热的气体的高温；
-能够承受在断路期间产生的化学物质；
-能够承受紫外线；
-尽可能的将滑动系数保持的低以最小化操纵电子设备所需的机械能；
-能够承受老化持续三十年以上；
-不产生粉尘，因为所述粉尘是有害的，并且有引发装置故障的风险。
为满足这么多条件，经常需要使用复杂的、不易实现的并且昂贵的组件。
更具体地说，本发明涉及一种活塞和汽缸装置，在所述装置中，在被称为接触汽缸的所述汽缸内滑动的活塞具有导板，所述导板处于活塞的表面中的与汽缸内表面接触的至少一个表面上。
导板的作用主要是对活塞在接触汽缸中的平移进行导向，并避免接触汽缸和活塞阀之间的铝/铝接触。所述导板可以与如受污染的六氟化硫(SF6)等物质接触。
已知使用由填充有60％青铜的聚乙烯(四氟乙烯)或PTFE(特氟隆)制成的导板。
这种设计的导板使其能够执行10000次开启和关闭所述活塞/汽缸***的循环。
超过所述次数后，所述导板与所述汽缸的铝制内表面之间可产生粘着磨损，然后发生铝/铝接触，然后发生磨蚀。
由填充有青铜的特氟隆制成的导板与铝制接触汽缸之间的摩擦可能因此引起铝的转移、导电的铝颗粒的形成以及所述颗粒在导板上的沉积。这导致导板磨损并导致在所述接触汽缸上形成划痕或条痕，换言之，导致填充有青铜的PTFE导板磨损并且导致损伤接触汽缸的内表面。
所造成的风险是电路断路器的磨损、金属颗粒存在于绝缘体上以及绝缘体上介质击穿的风险。
文件FR-A-1550745涉及密封垫片或垫圈，所述密封垫片或垫圈优选地和能够调节施加于其上的压缩的装置一起使用。
根据该文件第3页右侧栏的第1到16行，优选地，构成所述垫片的材料为相对硬的金属(例如刚，或合金钢)。这种材料可作为所述垫圈的主要芯材并且容纳涂层或镀层，所述涂层或镀层由具有较低硬度的材料(例如铝，镍，PTFE或代替的防热涂料)制成。
在该文件中既没有提出也没有暗示不含添加剂的聚酯树脂(例如 )或填充有PTFE的涂料(例如涂料)。
文件US-A-5171622描述了一种制造滑动元件(例如用于柴油机的连杆轴承)的层状结构。
所述层状复合材料包含钢支撑层和铝合金滑动层。在所述滑动层的上表面上形成有共形层(conformallayer)，所述共形层由滑动涂料或漆的薄膜构成，所述滑动涂料或漆中包含滑动促进物质的颗粒。
然后，共形层在滑动层的自由表面中退火。所述共形层可包含例如环氧树脂，所述环氧树脂含有多达15％(重量)的由同等比例的PTFE，氟化石墨和二硫化钼组成的混合物。
但是，在该文件中既没有描述也没有暗示：涂覆有所述涂料的滑动元件能与由不含添加剂的聚酯树脂(例如)制成的相应部件联系起来。
此外，该文件的技术领域和电气设备，尤其是中电压和高电压电路断路器相距甚远。
文件FR-A-2592211涉及一种活塞和汽缸装置，具体是用于高电压电路断路器的活塞和汽缸装置。
其包含具有密封段的活塞，所述活塞在所述汽缸内被导向。
所述密封段由“高抗性(highresistant)”塑料材料构成，优选由填充有金属颗粒(例如青铜颗粒)或有机颗粒的特氟隆构成。
此外，所述活塞包含缓冲装置和由青铜或黄铜形成的并布置于所述缓冲装置和所述密封段之间的排出段。
在该文件中既没有提出也没有暗示不含添加剂的聚酯树脂(例如 )。
在导板应用于该文件所述的装置的情况下，密封功能由二硫化钼确保。
最后，该文件所述装置中已经注意到密封段的磨损，其中导致该段被侵蚀的压强降低，但是摩擦没有减小。
因此，存在对于包括能够在汽缸中滑动以特别是确保切断中电压和高电压电气设备中的电流的装置的尚未被满足的需求。
具体地，存在对于具有延长的寿命可完好的运行超过10000次开启-关闭循环的这种装置的需求。
还存在以减小操纵所需能量为目的的减小这种装置的摩擦系数的需求。
最终还存在使这种装置简单、可靠、易于实现并且价格低廉的需求。
本发明的目的是提出一种包含能够在所述汽缸中滑动的活塞的装置，所述装置除了其它方面以外可响应上面列举的需求。本发明的目的还在于提出一种响应上面列举的条件和要求的这种装置。
本发明的目的是进一步提出一种没有现有技术的装置中的缺点、缺陷、限制、和不利之处的装置，并且解决现有技术的装置中的问题(具体是关于所述导板的磨损和所述接触汽缸中划痕的形成)。
发明内容
根据本发明，通过一种包括在空心汽缸内滑动的活塞的装置实现该目的和其他目的，所述活塞在其各表面中的与汽缸的内表面接触的至少一个表面上被提供有导板，它的特点是，所述导板由浸渍热固树脂的聚酯纤维制成，所述热固树脂可选地含有填充剂，所述汽缸的内表面涂覆有涂料，所述涂料包括占大部分的填充有一种或多种化合物(compound)的聚四氟乙烯(优选由占大部分的填充有一种或多种化合物的聚四氟乙烯构成)，所述化合物选自添加剂、填充剂和粘接剂。
所述“大部分”通常代表分子的数量占多数。
有利地，所述热固树脂是聚酯/环氧树脂。
优选地，所述热固树脂可为未填充树脂。
或可代替地，所述热固树脂可为填充树脂。
有利地，所述填充剂可表现为颗粒的形式。
有利地，所述填充剂可选自自润滑化合物，所述自润滑化合物例如为PTFE、MoS2、石墨、碳酸钙及它们的混合物。
优选地，所述填充剂是不导电的。
有利地，所述涂料包括(优选由下述构成)润滑性聚四氟乙烯(PTFE)基底、为热固树脂的粘接剂和可选的一种或多种添加剂和/或一种或多种填充剂，所述热固树脂为例如环氧酚醛树脂。
有利地，所述活塞由选自铝和铝合金的材料构成。
有利地，所述汽缸由选自铝和铝合金的材料制成。
形成本发明的主题的特殊材料的组合，即一方面的用于涂覆所述接触汽缸的铝制内表面的特殊材料和另一方面的用于所述汽缸内的所述滑动活塞的导板的特殊材料的组合，在现有技术中既没有描述也没有暗示。
包括所述特殊材料的组合的根据本发明的装置使得能够为现有技术的装置存在的问题提供解决方案。
根据本发明的装置没有现有技术的装置的缺点，缺陷，限制和不利之处。
具体来说，所述材料的组合使得能够取得稳定且低的摩擦系数，并且不会损伤材料。
换言之，所述摩擦系数被降低并稳定在一个不高的值，并且所述导板和所述接触汽缸的磨损不再出现。所述导板不会劣化并且所述接触汽缸的内表面不会损伤。
本发明进一步涉及一种装备，中电压或高电压电气设备，其包括根据本发明的装置，具体是用于确保切断所述设备、装备的电流。
所述电气设备特别是中电压或高电压电路断路器，尤其是SF6电路断路器。
所述电气设备还可以是一种隔离开关(断流器)，一种接地隔离开关(断流器)或一组导线(母线(busbar))的导棒(guidingbar)。
下面将针对具体实施例对本发明进行描述。
参照附图说明性地且非限制性地给出所述描述。
附图说明
图1为根据本发明的装置的示意性的横向剖视图，所述装置包括在被称为接触汽缸的汽缸内滑动的活塞；
图2示出图1所示的装置中所述接触汽缸和导板之间的接触区；
图3是用于进行示例试验的装置或试验台的照片；
图4为给出作为持续时间(小时)的函数的摩擦系数的曲线图，其针对示例1的试验，用由填充有60％青铜的PTFE制成的导板，在裸铝制成的表面上进行试验；
图5为示出在示例1的试验结束时，所述导板(右边)和所述铝表面(左边)的轮廓的照片；
图6为给出作为持续时间(小时)的函数的摩擦系数的曲线图，其针对示例2的试验，用由填充有60％青铜的PTFE制成的导板，在由裸铝制成的表面上进行试验(曲线A)；或在具有用制造的涂层的铝表面上进行试验(曲线B)；或在经过硫酸阳极氧化(sulphuricanodicoxidation)处理或SAO处理的铝表面上进行试验(曲线C)；或在镀银的铝表面上进行试验(曲线D)；或在具有用填充有镍的PTFE制造的涂层的铝表面上进行试验(曲线E)；或在具有纤维覆盖物的铝表面上进行试验，所述纤维覆盖物能使其取得Ra＝0.93μm的表面粗糙度(曲线F)；或在具有用填充有PTFE的聚醚醚酮(PEEK)制造的涂层的铝表面上进行试验(曲线G)；或替代的用由制成的导板，在具有用制造的涂层的铝表面上进行试验(曲线H)；
图7是铝表面和接触板在示例2的试验结束时的照片，试验用的铝表面具有用填充有PTFE的聚醚醚酮(PEEK)制造的涂层；
图8是铝表面和导板在示例2的试验结束时的照片，试验用的铝表面经过镀银处理；
图9是铝表面和导板在示例2的试验结束时的照片，试验用的铝表面经过硫酸阳极氧化处理或SAO处理；
图10是铝表面和导板在示例2的试验结束时的照片，试验用的导板由制成，且铝表面涂覆有滑动涂料
具体实施方式
根据本发明的装置在组成的零部件方面类似于已知的活塞和汽缸装置，但其从根本上有别于已知的装置，因为所述零部件是由特殊材料制成的。
从图1可见，根据本发明的装置包括也被称为活塞阀的活塞(1)，所述活塞(1)在被称为接触汽缸(2)的汽缸中滑动。所述活塞(1)具有和汽缸(2)的壁的内表面(4)相接触的导板(3)。
如图2所示的细节可见，通常用弹性体制成的O型圈(5)被布置在活塞阀(1)内，并在垂直于所述活塞(1)的平移方向的方向上施加压力到导板(3)上，以使导板(3)和汽缸(2)的壁的内表面(4)保持接触，换言之是为了使所述导板(3)持久的抵靠所述汽缸(2)壁的内部的内表面(4)。
导板(3)一般具有15mm的宽度和2.5mm的厚度。
根据本发明，导板(3)由特殊材料即浸渍热固树脂的聚酯纤维制成，所述热固竖直例如为聚酯/环氧树脂，该树脂包括可选的至少一种填充剂。
如果所述树脂包括至少一种填充剂，则所述填充剂通常表现为颗粒的形式。
该填充剂可选自自润滑化合物，例如PTFE，MoS2，石墨，碳酸钙和它们的混合物。优选地，使用不导电填充剂，以不产生导电粉尘。
优选地，根据本发明，使用了浸渍未填充聚酯/环氧树脂的聚酯纤维。
这种浸渍聚酯/环氧树脂的聚酯纤维是产品，所述产品具体可从特瑞堡集团公司(firmTRELLEBORGAB)获得。
产品的质量等级有C320级、C321级、C322级、C324级、C335级、C338级、C361级、C369级、C378级、C383级和C410级，或根据另一种命名方式分为RL级、SL级、TL级、TX级、HT级、VL级和TLM级。
根据这些等级，所述聚酯纤维被聚酯/环氧树脂浸渍，所述聚酯/环氧树脂可由例如上述填充剂中的一种或多种填充或未填充(unfilled)。
用于根据本发明的装置的导板的的优选质量等级是其中树脂未被填充的或C321。
C321是一种具有卓越的电绝缘性能的材料并且通常具有以下性能：
绝缘阻抗(MOhm)：2000；
+90℃时的介电强度(V/mm)(垂直于分层)：210；
高达1MHz时的介电常数：3.1。
根据本发明，汽缸的内部的内表面涂覆有主要(大部分)由填充有添加剂和/或填充剂的聚四氟乙烯构成的特殊涂料。
通常，在所述活塞在所述汽缸内平移运动期间，至少在可能与导板接触的内表面部分涂覆所述涂料。
表面技术公司(firmTechniquesSurfaces)的产品(可见于示例b)可供作为所述涂料。
根据本发明的装置可集成到任何中电压或高电压电气设备中以确保切断所述设备中的电流。
在所述设备中，根据本发明的装置以下述方式运行：
当切断电流期间，活塞阀(1)在所述接触汽缸(2)内移动。在该移动期间，O型圈(5)使导板(3)保持与接触汽缸(2)接触。在滑动中，装备有O型圈(5)和导板(3)的活塞阀(1)压缩随后会在高压下被排出的气体(6)的体积。
这种电气设备特别是一种中电压或高电压电路断路器，并且尤其是SF6电路断路器。
所述电气设备还可能是一种隔离开关(断流器)、一种接地隔离开关(断流器)或一组导线(母线)的导棒。
下面将参照下述说明性且非限制性的示例来阐述本发明。
示例
在这些示例中，进行了试验以确定用不同材料制成的导板和铝制接触汽缸的不同表面处理或不同表面涂层的作为时间的函数的摩擦系数。
a)导板的材料。
-(浸渍聚酯/环氧树脂的聚酯纤维)，
b)铝制接触汽缸上的表面处理或表面涂层。
所测试的铝制接触汽缸上的表面处理或表面涂层是：
-滑动涂料(PTFE)。
根据供应商提供的技术文件，是一种具有润滑性PTFE基底的热固树脂；或更准确的说是一种包括润滑性PTFE基底和热固树脂粘接剂的自润滑涂料，具有黑色光泽。根据供应商提供的技术文件，所述自润滑涂料通常通过喷涂被涂敷为一般为8到15μm的标准厚度，并且在180℃下其聚合反通常在30分钟内发生。仍然根据所述技术文件，所述涂料具有高达250℃的耐热性。根据相同的技术文件，其具有较低的摩擦系数和良好的抗腐蚀和抗磨损性能。
通过红外光谱得到的的化学成分分析显示，所述涂料包括占大部分的PTFE(大部分通常用来表示分子的数量占多数)。
除去代表PTFE的波峰，的光谱还包括对应于一种或多种其它化合物的波峰，所述化合物可能是一种或多种填充剂和/或一种或多种添加剂和/或一种或多种粘接剂。
-硫酸阳极氧化或称SAO，
-镍-PTFE，
-镀银，
-使其能取得Ra＝0.93μm的表面粗糙度的纤维覆盖物。
-填充有PTFE的聚醚醚酮(PEEK)。
作为比较，还使用由填充有60％青铜的PTFE制成的导板在裸铝接触汽缸的未经任何表面处理也没有任何涂层的内表面上进行试验。
c)实施试验的描述：
在平台/试验台上对不同的所述导板和不同的表面处理或不同的表面涂层进行测试(如图3所示)，所述平台/试验台具有被布置在能够执行平移运动的支架上的导板(31)和模拟接触汽缸的内表面的平坦表面(32)。
所述试验按下述条件进行：
-交替的线性运动，
-行程：±84mm，
-平均速度：0.8m/s
-负载：9daN，
-试验环境：环境温度下的空气，
-持续时间：5小时，即85000次循环。
示例1：
在该示例中，使用由填充有60％青铜的PTFE制成的导板在用裸铝制成的表面(所述表面代表接触汽缸的内表面)上进行试验：这是一种在当今工业中通常采用的解决方案。
图4中的曲线图显示出摩擦系数是不稳定的。
导板和铝的磨损在试验2小时后变得显著，所述磨损会导致摩擦系数显著的增加。
材料在试验结束后的轮廓被展示于图5中。
该示例由此确认了所设想的解决方案必须满足两个条件，即：
-在试验期间稳定的摩擦系数，
-材料的轮廓未被破坏。
示例2：
在该示例中，摩擦试验在由填充有青铜的PTFE制成的导板或由 制成的导板在裸铝表面或经过不同表面处理的铝表面上进行，或在具有不同表面涂层的表面上进行。
一个试验使用由填充有青铜的PTFE制成的导板及裸铝表面进行(图6中曲线A)。
一个试验使用由填充有青铜的PTFE制成的导板及经过硫酸阳极氧化(或称为SAO)的铝表面进行(曲线C)。
一个试验使用由填充有青铜的PTFE制成的导板及经过镀银处理的铝表面进行(曲线D)。
一个试验使用由填充有青铜的PTFE制成的导板及涂覆的铝表面进行(曲线B)。
一个试验使用由填充有青铜的PTFE制成的导板及涂覆化学沉积镍(所述镍中含有PTFE颗粒)的铝表面进行(曲线E)。
一个试验使用由填充有青铜的PTFE制成的导板及具有纤维覆盖物的铝表面进行，所述纤维覆盖物能使其表面粗糙度达到Ra＝0.93μm(曲线F)。
一个试验使用由填充有青铜的PTFE制成的导板及具有被填充的PTFE的PEEK涂层的铝表面有进行(曲线G)。
最后，最后一个试验中，所述导板由制成，铝表面的表面涂覆有(曲线H)。
在使用经过镀银处理或SAO处理的铝表面进行的两个试验期间，可以在试验期间取得稳定的摩擦系数，但是材料的轮廓被破坏，如图8和图9中的照片所示。
使用由制成的导板及由制成的涂层可以取得摩擦系数和材料轮廓之间最佳的折中，如图10中的照片所示。
通过下表1可对不同组合的试验进行比较和分级。
在这些试验使用的条件下，由填充有60％青铜的PTFE制成的导板在铝上摩擦的这种现有组合的解决方案的寿命不超过35000次循环。
在35000次循环之后，这种组合的摩擦系数急剧增加。可观察到导板显著磨损并且划痕形成于接触汽缸内。
表面处理或涂层的使用(例如镀银或阳极氧化)能够使材料的摩擦系数稳定，然而依然可在导板表面观察到磨损，所述磨损可导致颗粒的形成。
根据本发明，用于导板的特殊材料和用于接触汽缸的涂层的组合使得可以意想不到地降低摩擦系数并将摩擦系数稳定在低值，从而消除了导板和接触汽缸的磨损，所述磨损完全不能再被观察到(图10)。

Claims (18)

1.一种包括在空心汽缸内滑动的活塞的装置，所述活塞在其各表面中的与所述汽缸的内表面接触的至少一个表面上被提供有导板，其特征在于，所述导板由浸渍热固树脂的聚酯纤维制成，所述汽缸的内表面涂覆有涂料，所述涂料包括占大部分的填充有一种或多种化合物的聚四氟乙烯，所述一种或多种化合物为添加剂和/或填充剂和/或粘接剂。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述热固树脂含有填充剂。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述热固树脂是聚酯/环氧树脂。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述热固树脂是未填充树脂。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述热固树脂是填充树脂。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述填充剂表现为颗粒的形式。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述填充剂选自自润滑化合物。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述自润滑化合物为PTFE、MoS2、石墨、碳酸钙及它们的混合物。
9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述填充剂是不导电的。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述涂料包括润滑性聚四氟乙烯(PTFE)基底、以及为热固树脂的粘接剂。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述涂料还包括一种或多种添加剂和/或一种或多种填充剂。
12.根据权利要求10所述的装置，其中，所述热固树脂为环氧酚醛树脂。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述活塞由铝和/或铝合金构成。
14.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述汽缸由铝和/或铝合金制成。
15.一种中电压或高电压电气设备，包括根据权利要求1-14中任一项所述的装置。
16.根据权利要求15所述的电气设备，其为中电压或高电压电路断路器。
17.根据权利要求16所述的电气设备，其为SF6电路断路器。
18.根据权利要求15所述的电气设备，其为一种断流器、一种接地断流器或母线的导棒。
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