喷嘴材料优化：F4添加氮化硼和MoS2的喷嘴材料

经众多产品的开断试验考核，用纯聚四氟乙烯（F₄）或添加Al₂O₃、MoS₂的F₄材料做喷嘴，在40～50kA级大电流电弧烧灼下，其表现并不令人满意：表面易崩裂，或蒸发而形成空洞，喷口烧损量大，限制了喷嘴的电寿命。因为纯F₄吸收电弧辐射的热能与光能，能量吸收无规则、不均匀，导致表面局部过热分解或表层内局部材料气化、破裂、崩爆而成洞穴，并炭化出现黑点，使喷口迅速扩大、表面电阻下降。在喷嘴中加添无机填料后，均匀分布的、吸热能力强的填料粒子，使喷嘴表层吸热均匀，减少了局部过热分解，消除了内部气化崩爆，耐高温的填料粒子形成不易熔化的骨架而使喷嘴烧蚀减轻。

F₄添加氮化硼（BN）的材料，经研究试验和产品开断试验考核，具有很好的耐电弧性能，这是由于BN具有以下几点优于Al₂O₃的特性：

第一，在高温（2000°C）状态下具有良好的绝缘性能（其电阻率高达1900Ω·m）；

第二，熔点很高（3300～3400°C），沸点更高（5076°C），不易烧熔；

第三，比热容大（19.97J/（kg·K）），导热系数高（300°C时为0.0362W/（m·K），1000°C时为0.0295W/（m·K）），而且它是一种光反射性材料，不吸收光能。

由于以上三个特点，在电弧高温烧灼时，BN具有优良的抗高温烧损性能，其电弧分解物具有良好的绝缘性能，有助于弧隙介电性能的恢复。

研究试验表明：

1）少量加入BN，能量渗入深度D_p大，能量分布散开了，表层能量密度A₀下降，烧蚀起始时间延长（在电弧燃烧期内的烧蚀时间就下降），因此烧蚀量W下降（参见图9-9a、b）；

2）填料加入量P_c过少时，填料的作用甚微，与纯F₄相差无几；(www.zuozong.com)

3）填料加入量P_c太大时，能量很快被表层吸收，能量渗入深度D_p反而下降。能量分布过于集中于表层后，表层能量密度A₀上升，烧蚀量W反而增大。

F₄中增添2%～6%的BN，经50kA开断试验观察；表面无崩裂，烧蚀蜂窝洞很小（<ϕ1mm）且很浅（<0.5mm），炭化现象很轻很浅，烧损量很小（有产品F₄中添加6%～7%BN在50kA下连续开断28次成功），具有很高的寿命。

填料MoS₂是一种光吸收材料，加入F₄后使喷嘴吸热均匀，分解均匀，且仅限入表层，不会在内层产生崩爆。虽耐烧性较BN填料差些，但它的分解气体帮助了气吹，因此被自能式灭弧室采用。

值得指出的是，F₄原材料的分子聚合数n对F₄的电气性能有影响，GCB喷嘴用F₄的n值应控制在（1～2）×10⁴。

图9-9

a）烧蚀量W与BN加入量P_c的关系 b）能量渗入深度D_p与BN加入量P_c的关系