西門子系列隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)箱元器件銹蝕機(jī)理研究及改進(jìn)措施

，

(1.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司南寧供電局，廣西 南寧 530031;2.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

1 引言

高壓隔離開關(guān)是電力系統(tǒng)一次主要分段設(shè)備，其運(yùn)行狀況的好壞直接影響電能的傳輸、分配、系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。由于隔離開關(guān)經(jīng)常進(jìn)行倒閘操作，所以其機(jī)械性能的優(yōu)劣至關(guān)重要，機(jī)械性能的正常與否決定著隔離開關(guān)分和位置、觸頭電阻、部件受力等典型故障的發(fā)生，而機(jī)械性能很大程度上取決于操動(dòng)機(jī)構(gòu)。隔離開關(guān)操作機(jī)構(gòu)中包含有電動(dòng)機(jī)、各類繼電器及二次回路等，其中任何一個(gè)元器件故障都會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)無法運(yùn)作，給電力設(shè)備運(yùn)行帶來很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。在所有故障中，二次元器件銹蝕引起的設(shè)備拒動(dòng)或誤動(dòng)尤為普遍。

近年來，南寧網(wǎng)區(qū)的西門子系列隔離開關(guān)因操動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)二次元器件受潮造成銅質(zhì)觸點(diǎn)氧化銹蝕，引發(fā)的隔離開關(guān)拒分合故障達(dá)幾十次。該類故障頻發(fā)對設(shè)備的安全運(yùn)行及人員操作安全造成了嚴(yán)重的影響。因此，對該系列隔離開關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)中元器件銹蝕原因分析，進(jìn)而探求有效的解決方法，從而提高設(shè)備的運(yùn)行可靠性。

2 現(xiàn)狀調(diào)查

目前，南寧供電局在運(yùn)的110kV及以上西門子戶外隔離開關(guān)共有240臺(tái)，這些設(shè)備的運(yùn)行為南寧電網(wǎng)的提供了強(qiáng)有力的支持，為南寧電網(wǎng)做出了很大的貢獻(xiàn)。該類隔離開關(guān)采用西門子(杭州)高壓開關(guān)有限公司生產(chǎn)的MA電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，該類設(shè)備在近幾年的運(yùn)行過程中多次發(fā)生無法電動(dòng)操作刀閘的缺陷，嚴(yán)重影響設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。采用的機(jī)構(gòu)經(jīng)對2008年后投運(yùn)的西門子刀閘缺陷綜合梳理，發(fā)現(xiàn)僅四個(gè)變電站運(yùn)行的該類型機(jī)構(gòu)的缺陷就達(dá)40余條，其缺陷發(fā)生率遠(yuǎn)高于其他廠家的設(shè)備，且該類故障設(shè)備均未達(dá)到定檢周期或機(jī)械壽命周期。通過故障統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)這些缺陷存在許多共性，如：機(jī)構(gòu)箱內(nèi)螞蟻導(dǎo)致接觸器接觸不良；電氣元器件觸點(diǎn)氧化嚴(yán)重導(dǎo)致無法正確動(dòng)作等，造成設(shè)備缺陷，其中輔助開關(guān)和分(合)閘接觸器故障的幾率較大。經(jīng)檢修人員檢查，該類設(shè)備機(jī)構(gòu)箱內(nèi)普遍存在受潮的情況，接觸器表面有發(fā)霉的現(xiàn)象。對故障的輔助開關(guān)解體發(fā)現(xiàn)，銅質(zhì)觸點(diǎn)均發(fā)生不同程度的氧化，有的甚至粘連在一起，如圖1所示。

圖1 故障接觸器解體圖

3 機(jī)構(gòu)箱內(nèi)元器件銹蝕原因分析

當(dāng)前，電力系統(tǒng)使用的繼電器及輔助開關(guān)內(nèi)部一般為銀基或銅基觸點(diǎn)，其中銀基觸點(diǎn)具有良好的導(dǎo)電性、耐電磨損和抗熔焊性等特點(diǎn)，但其價(jià)格昂貴，每年用于生產(chǎn)銀觸點(diǎn)的用銀量占銀消耗量的25%～30%[1]。為了降低生產(chǎn)成本，目前該類元器件中主要采用成本較低的銅金屬材料作為其觸點(diǎn)。而影響金屬材料銹蝕的主要因素主要有：(1)金屬材料本身的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)；(2)金屬表面光潔度(氧濃度差電池腐蝕)；(3)金屬表面接觸的溶液成分及PH值；(4)環(huán)境溫度和濕度；(5)金屬表面接觸的各種環(huán)境介質(zhì)。這五類影響因素中前兩者為內(nèi)因，而后三者屬于外因。通過對隔離開關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障統(tǒng)計(jì)分析可知，因內(nèi)因?qū)е略骷收系那闆r占很少一部分，大多都是由外因引起，而外因中引起該系列隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)箱中元器件金屬觸點(diǎn)銹蝕的主要是外部介質(zhì)(螞蟻)入侵粘連在金屬觸點(diǎn)表面以及機(jī)構(gòu)箱內(nèi)溫度和濕度三個(gè)方面。

3.1 外部介質(zhì)(螞蟻)入侵粘連在金屬觸點(diǎn)表面

2010年在對某變電站110kV隔離開關(guān)故障處理中發(fā)現(xiàn)，機(jī)構(gòu)箱內(nèi)接觸器卡澀，解體后發(fā)現(xiàn)其中白蟻附著在銅觸點(diǎn)表面，造成生銹粘連。造成該類現(xiàn)象的原因是接觸器銅質(zhì)觸點(diǎn)上的腐蝕媒(螞蟻或蟻卵等)在高溫及水分的作用下形成低級羧酸[2]，低級羧酸與銅質(zhì)觸點(diǎn)發(fā)生反應(yīng)造成生銹。并且這種現(xiàn)象會(huì)隨著溫度的升高越發(fā)明顯。

3.2 溫度影響

溫度對銹蝕的影響并不是孤立的，同時(shí)也受到相對濕度的影響。當(dāng)金屬材料存放環(huán)境相對濕度較低時(shí)，溫度升高時(shí)金屬不易銹蝕。研究證明，當(dāng)空氣相對濕度超過65%時(shí)，溫度升高對金屬銹蝕速度起到加速的作用，主要是因?yàn)闊崮芗铀倭穗娀瘜W(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)溫度升高能減輕陰極的極化作用。但當(dāng)氣溫升至80℃時(shí)，由于氧在水膜中的溶解度明顯下降，金屬銹蝕反而收到抑制。

此外，氣溫的驟變對金屬材料銹蝕的影響也比較大。當(dāng)溫度驟降時(shí)，在絕對濕度較大的情況下就極易可能在金屬表面發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象，從而導(dǎo)致銹蝕的加速。

圖2為2015年4月在某站對兩臺(tái)110kV隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)箱內(nèi)溫度統(tǒng)計(jì)表，從圖中可以看出由于加熱器的緣故，機(jī)構(gòu)箱內(nèi)平均溫度超過30℃，且高于環(huán)境最高溫度平均值，機(jī)構(gòu)箱內(nèi)部屬于高溫環(huán)境。

圖2 某站2015年4月份隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)箱內(nèi)溫度統(tǒng)計(jì)表

3.3 濕度影響

空氣濕度引起金屬材料的銹蝕主要是潮濕大氣銹蝕。潮濕大氣銹蝕實(shí)在金屬表面形成的水膜下發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。電氣設(shè)備中的導(dǎo)電金屬受腐蝕后，將嚴(yán)重降低設(shè)備的性能和使用壽命。當(dāng)相對濕度達(dá)到一定數(shù)值后，金屬的腐蝕會(huì)突然加快。在工程上，把這一濕度稱為臨界濕度，其中銅的臨界濕度為60%，鋁為76%，鐵為63%。

每年2月至4月期間南寧地區(qū)天氣潮濕，空氣濕度達(dá)到90%以上甚至濕氣達(dá)到飽和，由于隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)箱電纜管或箱體密封不嚴(yán)，地表的水蒸汽從底部進(jìn)入機(jī)構(gòu)箱，且其內(nèi)部空間緊湊，對流孔偏小，對流不暢，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)箱內(nèi)水蒸氣聚積。此外，該輔助開關(guān)為非真空式，易造成水蒸氣進(jìn)入，輔助開關(guān)內(nèi)部的凹槽式設(shè)計(jì)也易造成凝露。在這種情況下，空氣濕度遠(yuǎn)大于銅的臨界濕度，機(jī)構(gòu)箱內(nèi)元器件的銅質(zhì)觸點(diǎn)加速生銹，且部分凝露又加劇了其潮濕大氣銹蝕的速度，極易造成元器件故障。

同樣，對某站機(jī)構(gòu)箱的濕度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，當(dāng)月空氣濕度平均值超過80%，機(jī)構(gòu)箱內(nèi)相對濕度超過70%，遠(yuǎn)超于銅的臨界濕度60%，造成機(jī)構(gòu)箱中銅質(zhì)觸點(diǎn)生銹。

上述三種影響因素中，濕度和溫度二者的相互作用是造成該系列隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)箱內(nèi)元器件銹蝕的主要原因，因此本文主要從箱內(nèi)濕度的抑制著手來解決。

4 機(jī)構(gòu)箱除濕裝置改造

機(jī)構(gòu)箱中加熱元件一般由溫濕度控制器來控制，當(dāng)濕度和溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制器啟動(dòng)加熱元件，從而對機(jī)構(gòu)箱內(nèi)水分進(jìn)行干式蒸發(fā)，這種加熱方式普遍出現(xiàn)溫控器工作不正常、加熱器損壞等問題。而對于西門子系列隔離開關(guān)而言，其機(jī)構(gòu)箱內(nèi)無溫濕度控制裝置，加熱器的起停僅由加熱空氣開關(guān)控制，且其結(jié)構(gòu)緊湊，在南方的濕熱天氣里，地表的水蒸汽從底部進(jìn)入機(jī)構(gòu)箱后，對流孔偏小，對流不暢，導(dǎo)致蒸發(fā)的水分附著在機(jī)構(gòu)箱箱體出現(xiàn)凝露等現(xiàn)象，凝露現(xiàn)象又加快了機(jī)構(gòu)箱內(nèi)繼電器銅質(zhì)觸點(diǎn)銹蝕。

為了改善設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境，對機(jī)構(gòu)箱內(nèi)防潮方式進(jìn)行改造，通過外加智能型除濕器的方式來改善箱內(nèi)相對濕度較高的情況，如圖4所示。由于該系列隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)內(nèi)加熱器安裝在機(jī)構(gòu)底部，采用改造方式后很好地改善了加熱器蒸發(fā)的水分上升過程中凝露的情況，且使得機(jī)構(gòu)箱內(nèi)相對濕度保持在相對較低的范圍，從而抑制了箱內(nèi)元器件銅質(zhì)觸點(diǎn)的銹蝕，2015年6月某站機(jī)構(gòu)箱濕度統(tǒng)計(jì)如圖5所示。從圖中可以看出，加裝除濕器后，機(jī)構(gòu)箱內(nèi)相對濕度降低近20%，濕度得到了有效的控制，從而也抑制箱內(nèi)銅質(zhì)觸點(diǎn)的銹蝕。自2015年6月至2016年6月間，加裝除濕器的機(jī)構(gòu)箱故障率下降60%，有效的提高了設(shè)備運(yùn)行可靠性。

圖4 機(jī)構(gòu)箱加裝除濕器效果圖

5 結(jié)論及展望

本文對西門子系列隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)箱中元器件銹蝕原因進(jìn)行了分析，結(jié)合機(jī)構(gòu)箱本身結(jié)構(gòu)進(jìn)行除濕方式改造，很好地抑制了濕度等關(guān)鍵因素的影響，通過加裝智能型除濕器的改進(jìn)方法降低了機(jī)構(gòu)箱內(nèi)濕度，保證了設(shè)備的可靠運(yùn)行。

圖5 某站隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)箱加裝除濕器后濕度統(tǒng)計(jì)

盡管加裝除濕裝置的方法可以降低機(jī)構(gòu)箱內(nèi)濕度，但在環(huán)境濕度超過80%時(shí)，箱內(nèi)濕度仍然大于60%，超過銅的臨界濕度，加之在6～9月份南寧地區(qū)環(huán)境溫度平均值超過30℃，且有些月份超過35℃，在這種環(huán)境下機(jī)構(gòu)箱內(nèi)銅質(zhì)觸點(diǎn)的銹蝕仍然嚴(yán)重，單純依靠改變外因來抑制銅質(zhì)觸點(diǎn)銹蝕有一定局限性。目前，在銅基體中引入第二相來提高其防氧化銹蝕的能力是低壓電器用銅質(zhì)觸點(diǎn)材料研究的熱點(diǎn)[3-6]，所以通過改變內(nèi)因來抑制機(jī)構(gòu)箱內(nèi)銅質(zhì)觸點(diǎn)銹蝕亦是一個(gè)方向，如在銅中添加釩、鎢等可實(shí)現(xiàn)銅合金腐蝕點(diǎn)位正移，從而使得耐腐蝕性能得到明顯提高。因此，隨著該類研究的推進(jìn)，選擇合適的導(dǎo)電第二相形成的銅基合金是抑制高溫高濕環(huán)境下元器件觸點(diǎn)銹蝕的另一種有效解決方法。