配網自動化設備腐蝕加速試驗研究

史訓濤，柯清派，黎智，陳川，揭敢新，王俊

（1.南方電網科學研究院有限責任公司，廣州 510080；2.中國電器科學研究院股份有限公司—工業(yè)產品環(huán)境適應性國家重點實驗室，廣州 510663）

引言

隨著數字南網建設加快推進，如何保證電力系統(tǒng)末端的配電設備的可靠性尤其重要。配網自動化設備主要實現對配網設備的監(jiān)控、保護、測量、控制及相關信號的遠傳，是配電網的大腦，因此配網自動化設備是影響供電可靠性的關鍵點，并且配網自動化是智能電網自動化建設水平的重要構成部分。

根據南方某省電力公司自動化裝置維修統(tǒng)計（如圖1），可知電源、控制、采集、通訊、信號開入開出還是極易損壞。

主網的自動化設備一般壽命為10～12年，由于受成本和重要度的影響，配網自動化設備壽命及可靠性較主網有一定差距，南方沿海某供電局2008～2017年（2018年統(tǒng)計）配電終端故障統(tǒng)計如表1所示。

由于配電自動化終端相對一次本體壽命較低，實際2011年前配電自動化終端大約50 %以上退出運行，因此故障率相對2012～2014年較低。相關標準和電網規(guī)范要求，配網設備應滿足5～8年的穩(wěn)定運行，但實際上2012～2014年的故障率較高，這從另外一方面驗證當前產品的試驗體系不滿足南方沿海“三高”氣候要求（高溫、高濕、高鹽），尤其是配網自動化設備中大量電子元件，在防護能力較弱的情況下極易在高溫、高濕、高鹽霧下出現的故障[1,2]。高溫極易導致電子元件宕機，高溫、高濕、高鹽霧還容易導致裝置密封失效，失效后極易導致內部電子元件腐蝕、短路等故障。

如何保證配網自動化設備在嚴酷的環(huán)境下的溫度運行，是當前需要解決的核心問題。筆者總結多年配網故障分析處理經驗，主要問題是當前配網自動化產品的驗證試驗標準不滿足高溫、高濕、高鹽沿海氣候情況，這導致廣東大部分地區(qū)的配網自動化設備使用壽命大幅度低于產品設計壽命，因此有必要對這部分進行改進分析[3-5]。

1 配網自動化設備加速腐蝕試驗

隨著供電可靠性的提升，大部分一次設備壽命要求提升至20～40年，為實現一二次壽命匹配，可以按照20年使用壽命為配網自動化設備老化目標。依據Bellcore可靠性計算公式可知：

式中：

Tlife—運行時間；

N—失效臺數；

r—置信度系數；

F—老化加速因子；

t—樣機的老化時間。

本處采用2臺不同形式的配網自動化設備進行老化加速試驗，把N調整為產品出現的失效故障數。由Bellcore公式可知，核心是確定等效時間后的老化加速因子。本文預設平均壽命為20年，則：

本文結合常規(guī)試驗與實際運行情況，確定老化加速相關的因子，并研究“三高”環(huán)境下配網自動化老化試驗研究方向。

1.1 試驗情況簡述

筆者按照GB/T 2423.18-2012環(huán)境試驗，對配網自動化設備進行了整機加速腐蝕試驗，試驗按交變（氯化鈉溶液）中嚴酷等級（5）進行四個試驗循環(huán)，照嚴酷等級（5）進行了4個試驗循環(huán)，其中一個循環(huán)包含4個鹽霧噴霧周期，每個噴霧周期2 h（溫度35 ℃），每個噴霧周期后為20 h的高濕熱保持周期（溫度40 ℃、相對濕度（93±3）%），然后在相對濕度80 %、溫度30 ℃環(huán)境下保持3 d。FTU加速腐蝕試驗如圖2，一個試驗周期示意圖如圖3所示。

試驗前按照DL/T 721-2013標準對樣機進行檢驗，確保樣機滿足要求。每個試驗周期后對樣機的三遙、開入、開出、外觀、指示燈等進行驗測，如圖4所示。

圖1 南方某省電力公司自動化裝置維修統(tǒng)計

表1 南方沿海某供電局2008-2017年配電終端故障統(tǒng)計

1.2 試驗結果簡述

經過4個周期試驗后，除本體金屬部分有顯著腐蝕外（本體腐蝕情況見圖5），二次元件狀態(tài)較為良好，PCB板表面狀態(tài)良好，無明顯凝露、銹蝕現象，其余量測試（包含絕緣）都滿足標準要求，與試驗前無明顯偏差。

在FTU靜置24 h后，接上配網開關試驗臺后，其指示燈、信號開入開出、三遙等功能工作正常，未出現失靈、短路現象。

圖2 FTU加速腐蝕試驗

1.3 試驗結果分析

通過28天的試驗循環(huán)，及測試結果發(fā)現，對配網自動化設備按常規(guī)進行加速腐蝕試驗后，其試驗結果與實際運行數據無法匹配，主要表現為只有金屬有一定程度腐蝕，內部二次元件狀態(tài)完好。

分別對溫度、濕度及鹽霧兩個方面進行分析。

1）溫度

圖3 一個試驗循環(huán)周期示意圖

圖4 試驗后檢測示意圖

圖5 本體腐蝕情況

電子器件腐蝕失效主要為其金屬腐蝕，導致電子元件間短路、接觸不良、短路等失效現象。電子器件材料主要為金、銅、鋁及合金等。通常溫度每升高10 ℃，化學反應加速2～3倍，在低于40 ℃時，電子元器件腐蝕速度較慢，這也說明本次試驗溫度較低，導致電子器件腐蝕不明顯[6]。

根據阿倫尼烏斯老化機理可知，在設備運行的最大運行溫度時，電子器件每增高10 ℃，其壽命減半。

結合腐蝕和電子元器件老化可知，正常鹽霧試驗的加速不明顯，應提高試驗溫度及裝置元器件的溫度。

2）濕度及鹽霧

在三高環(huán)境下，配網測控保護裝置金屬外殼在溫度驟變時極易凝露，電纜口等處密封不良時，內部也極易凝露，凝露后在焊縫、表面處理件表面處理不良時極易發(fā)生腐蝕，并且在電子元器件表面容易發(fā)生短路事故[7,8]。

如果設備所處環(huán)境氣體中含有較高濃度的鹽霧時，該鹽霧極易融入凝露中，形成鹽溶液，此時金屬極易發(fā)生腐蝕，主要是焊縫、金屬過渡處（焊縫）等處腐蝕，焊縫處雜質較多、金屬過渡處一般為多種金屬，其腐蝕為不同金屬在高濃度的鹽溶液中發(fā)生電化學腐蝕，腐蝕原理如下：

陽極金屬溶解：M+n·ne→M+n+ne

陰極氫離子還原反應：H++e→H H+H→H2

其中腐蝕后產物主要為氧化鐵：

對國內海島、典型工業(yè)城市氣候進行研究，可以發(fā)現廣州地區(qū)的NO2（0.036）、硫酸鹽（0.033）、氨（0.029）濃度遠大于鹽（0.005 5）濃度，濃度單位為mg·100 cm-2d-1；只有在島嶼處鹽濃度才會上升至0.556（萬山島）。NO2、硫酸鹽、氨等酸性物質溶于水時，其腐蝕大大加速，這導致腐蝕加速老化試驗與實際有較大差距。本次鹽溶液酸堿度接近中性，導致其腐蝕相對較為緩慢。

配網自動化裝置的實際運維統(tǒng)計數據顯示，“三高”環(huán)境下帶電運行的配網自動化裝置的壽命遠低于設計壽命。通過試驗分析顯示，主要由腐蝕、高溫導致老化加速，其中腐蝕為微電池腐蝕及酸腐蝕。實際運行過程中，配網自動化裝置自身通電，并且離高電壓部分距離較近，這導致外殼有一定的感應電壓，電子元器件表面也存在一定的電勢差[9]，在融溶的鹽溶液、酸溶液中，金屬及雜質在電勢差下形成電解池，快速腐蝕，并且腐蝕達到一定時，容易在內部及電子元器件上發(fā)生短路事故。

當前配網自動化設備基本為全密封設備，在“三高”環(huán)境下，其外殼溫度極易超過50 ℃，此時極大地加速了電子元器件的老化和電化學反應速度。

2 配網自動化設備加速腐蝕試驗改進建議

通過本次腐蝕老化試驗及機理分析可知，針對配網自動化設備的加速腐蝕試驗應做一下優(yōu)化調整。

1）在配置鹽霧溶液時，應充分考慮設備使用地的大氣環(huán)境條件，考慮實際情況下NO2、硫酸鹽、氨的影響，采用醋酸鹽霧試驗，提高試驗的嚴酷程度，盡可能反應真實情況，可以統(tǒng)計沿海5 km及化工1 km內的數據；

2）提高試驗溫度，加快腐蝕速度，提高對設備的考核的嚴酷度，可以按實際采集的三高環(huán)境下實際運行最高溫度進行老化腐蝕試驗；

3）改進腐蝕試驗裝置，配網自動化設備試驗時，接入正常工作電壓，模擬配網自動化裝置的真實工作工況；

4）考慮到靜電感應，試驗時在配網自動化設備一定距離處，增加帶電感應線圈，感應線圈電壓可調；

5）研究不同酸性物質、鹽粒等對腐蝕貢獻度，制定不同污穢等級下，腐蝕加速試驗溶液配比及濃度。

3 總結

當前“三高”環(huán)境下，配網自動化設備可靠性較低，主要因防護不足及表面處理工藝不良導致其快速失效，但目前腐蝕加速試驗方法不能真實的驗證設備的防護及抗腐蝕能力，這導致產品滿足相關標準、規(guī)范要求，但實際壽命遠低于設計壽命的現狀，尤其在“三高”環(huán)境中。為響應數字南網建設并提升配電供電可靠性，迫切需要對現有耐候性加速試驗方法及裝置進行改進。因此本文對用現有試驗標準對配網自動化設備進行試驗，結合實際運行情況，對當前存在的試驗結果與實際不匹配現狀進行分析，并提出了后續(xù)改進方向和建議。