GIS設(shè)備操動(dòng)機(jī)構(gòu)鹽霧老化試驗(yàn)及分析

閆亞剛 李忠富 陳亮 王艷芳

摘 要：ZF11C-252型GIS是為了適應(yīng)城市發(fā)展新開發(fā)的一種占地面積小、輕型化、模塊化的252 kV小型GIS。操動(dòng)機(jī)構(gòu)作為GIS的重要組成部分，在設(shè)計(jì)前期已經(jīng)考慮了沿海鹽霧極端環(huán)境因素，本文根據(jù)GIS的使用條件設(shè)計(jì)出一種針對(duì)GIS操動(dòng)機(jī)構(gòu)的鹽霧老化試驗(yàn)，旨在驗(yàn)證GIS操動(dòng)機(jī)構(gòu)能否保證設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的可靠性，同時(shí)控制金屬材料相關(guān)制品質(zhì)量，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及時(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，并為高壓開關(guān)設(shè)備的全壽命周期成本研究提供數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：GIS;操動(dòng)機(jī)構(gòu);鹽霧試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TM595文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）01-0032-04

Abstract： ZF11C-252 GIS is a 252 kV GIS with small footprint， light weight and modularity， which is newly developed to adapt to urban development. Operating mechanism is an important part of GIS. The extreme environmental factors of coastal salt fog were considered in the early stage of design. According to the use conditions of GIS， a salt spray aging test for GIS operating mechanism was designed in this paper to verify the operation of GIS. Whether the dynamic mechanism can guarantee the reliability within the design life， at the same time control the quality of metal material-related products， and improve the design plan in time based on the test results. On the other hand， it can provide data support for the study of the full life cycle cost of high-voltage switchgear.

Keywords： GIS;operating mechanism;salt spray test

高壓開關(guān)GIS（Gas Insulated Switchgear，氣體絕緣組合電器）設(shè)備的全壽命周期成本分析中，MTBF（Mean Time Between Failure，平均故障間隔時(shí)間）是一個(gè)可靠性指標(biāo)，可直接影響全壽命周期成本估算準(zhǔn)確性。GIS設(shè)備一般理論壽命為30年，維修周期超過10年以上，若在正常環(huán)境條件下驗(yàn)證需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力，常規(guī)試驗(yàn)驗(yàn)證不具有可操作性。目前，可行的做法是利用高應(yīng)力下的試驗(yàn)值去外推正常應(yīng)力水平下的試驗(yàn)值，即利用加速老化試驗(yàn)驗(yàn)證。

鹽霧試驗(yàn)是一種通過鹽霧試驗(yàn)設(shè)備來(lái)模擬的環(huán)境試驗(yàn)，常用于對(duì)產(chǎn)品耐腐蝕能力的質(zhì)量評(píng)估與失效驗(yàn)證[1]。與天然環(huán)境相比，鹽霧試驗(yàn)?zāi)M出的鹽霧環(huán)境的氯化物的鹽濃度很高，是一般天然環(huán)境鹽霧含量的幾倍或幾十倍，能大大提高腐蝕速度。在該環(huán)境下對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，得出結(jié)果的時(shí)間大大縮短[2]。本文以ZF11C-252型GIS為研究對(duì)象，主要針對(duì)GIS設(shè)備中故障率最高、質(zhì)量最薄弱的操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行鹽霧加速老化試驗(yàn)及分析，以評(píng)定操動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)鹽霧環(huán)境的耐受能力及其在煙霧環(huán)境中的功能可靠性，最終得到GIS設(shè)備整體可靠性指標(biāo)MTBF值。操動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部主要包括傳動(dòng)部件、控制部件、緩沖部件、緊固部件、儲(chǔ)能部件、分合閘線圈、輔助開關(guān)、行程開關(guān)和電機(jī)、外殼等，具有大量的金屬部件、電子元件、環(huán)氧樹脂、工程塑料等材料。各材料特性及表面處理工藝不同，在鹽霧（包括溫度和濕度的影響）、機(jī)械、溫度交變和濕熱等應(yīng)力下的失效機(jī)理就不同，在使用條件下的腐蝕反應(yīng)也不大相同，目前尚無(wú)現(xiàn)成的鹽霧腐蝕加速試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

1 試驗(yàn)環(huán)境及方案確定

目前常用的鹽霧試驗(yàn)方法有中性鹽霧試驗(yàn)（NSS試驗(yàn)）、乙酸鹽霧試驗(yàn)（AASS試驗(yàn)）、銅加速乙酸鹽霧試驗(yàn)（CASS試驗(yàn)）。其中，中性鹽霧試驗(yàn)適用于金屬及其合金、金屬覆蓋層（陽(yáng)極性或陰極性）、轉(zhuǎn)化膜、陽(yáng)極氧化膜、金屬基體上的有機(jī)涂層[3];乙酸鹽霧試驗(yàn)、銅加速乙酸鹽霧試驗(yàn)條件下，材料的腐蝕機(jī)理和腐蝕產(chǎn)物可能出現(xiàn)較大差異變化，導(dǎo)致高應(yīng)力條件外推正常應(yīng)力水平試驗(yàn)結(jié)果失真。考慮到操動(dòng)機(jī)構(gòu)的構(gòu)成部件所用材料的特征，根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境選取人工加速鹽霧實(shí)驗(yàn)中的中性鹽霧試驗(yàn)方法（NSS試驗(yàn)）進(jìn)行測(cè)試，并按《可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》（GJB 899A—2009）規(guī)定的定時(shí)截尾統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案[4]，具體參數(shù)如表1所示。

按上述參數(shù)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)整體要求達(dá)到可靠性指標(biāo)MTBF≥12年，總試驗(yàn)或承受試驗(yàn)應(yīng)力的累積時(shí)間為T≥1.61×12=19.4（臺(tái)年）。根據(jù)中性鹽霧加速試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)值，中性鹽霧試驗(yàn)24 h相當(dāng)于產(chǎn)品在正常使用環(huán)境條件下1年的時(shí)間，即24×19.4=466（臺(tái)時(shí)），若以1臺(tái)操動(dòng)機(jī)構(gòu)整體進(jìn)行466 h中性鹽霧加速試驗(yàn)，按定時(shí)截尾統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案，試驗(yàn)過程中無(wú)任何故障，可認(rèn)為機(jī)構(gòu)整體可靠性指標(biāo)MTBF達(dá)到12年。

2 試驗(yàn)項(xiàng)目及過程

2.1 試驗(yàn)樣機(jī)

參試樣機(jī)選擇ZF11C-252型GIS所用操動(dòng)機(jī)構(gòu)1臺(tái)，由支架、機(jī)構(gòu)本體、外殼組成。其中支架非本試驗(yàn)考核對(duì)象，僅起著支撐、運(yùn)輸、吊裝操動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用。樣機(jī)外觀示意圖如圖1所示。

2.2 試驗(yàn)時(shí)間

采用定時(shí)截尾試驗(yàn)，試驗(yàn)件經(jīng)設(shè)定小時(shí)數(shù)試驗(yàn)后，不允許出現(xiàn)失效的樣本，否則判定試驗(yàn)不通過。操動(dòng)機(jī)構(gòu)預(yù)定年限為30年，滿12年（466 h）后取出樣機(jī)進(jìn)行第一次功能性試驗(yàn)，滿足要求后繼續(xù)進(jìn)行老化試驗(yàn)，此后每隔6年（233 h）打開進(jìn)行檢測(cè)，直至30年的年限或發(fā)生失效，試驗(yàn)時(shí)間設(shè)定見表2。

2.3 動(dòng)作預(yù)估

鹽霧加速老化試驗(yàn)過程中，需要根據(jù)機(jī)構(gòu)整體壽命年限內(nèi)總的動(dòng)作次數(shù)以及具體使用情況，合理分配各小時(shí)內(nèi)的分合閘動(dòng)作次數(shù)和停留時(shí)間，模擬正常條件下MTBF值內(nèi)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作情況。假設(shè)機(jī)構(gòu)每年分合閘動(dòng)作10次，MTBF=12年的分合閘動(dòng)作次數(shù)為120次，結(jié)合鹽霧加速老化試驗(yàn)時(shí)間466 h，則機(jī)構(gòu)每233 min動(dòng)作1次，其中約1/10的時(shí)間為斷開狀態(tài)，9/10的時(shí)間為接通狀態(tài)，則單次斷開狀態(tài)時(shí)間為23.3 min，單次接通狀態(tài)時(shí)間為209.7 min。鹽霧試驗(yàn)狀態(tài)如圖2所示。

2.4 試驗(yàn)要求

2.4.1 試驗(yàn)前檢查。試驗(yàn)前檢查嚴(yán)格按照工廠出廠試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。對(duì)于操動(dòng)機(jī)構(gòu)而言，主要包括機(jī)械特性試驗(yàn)、高低壓操作試驗(yàn)、二次回路1 min耐壓試驗(yàn)、分合閘線圈電阻測(cè)試以及外觀完好性檢查。

2.4.2 試驗(yàn)期間檢查。試驗(yàn)期間檢查主要包含狀態(tài)檢查和性能測(cè)試。狀態(tài)檢查為每隔一段時(shí)間檢查樣機(jī)各部件表面狀態(tài)變化（如粉化、掉漆、生銹、變形、起皮等變化），記錄時(shí)間、位置、范圍、數(shù)量等信息。性能測(cè)試為在特定機(jī)械預(yù)估動(dòng)作的時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)機(jī)構(gòu)分合閘線圈進(jìn)行通電操作，測(cè)試其動(dòng)作電流曲線和電阻值。

2.4.3 試驗(yàn)結(jié)束檢查。試驗(yàn)結(jié)束檢查主要包括狀態(tài)檢查、性能測(cè)試和淋雨試驗(yàn)。狀態(tài)檢查為檢查樣機(jī)各部件表面狀態(tài)情況，記錄位置、范圍、數(shù)量等信息。性能測(cè)試是在加速老化試驗(yàn)后按工廠出廠試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)復(fù)測(cè)，進(jìn)而判定樣機(jī)是否通過加速老化試驗(yàn)驗(yàn)證。淋雨試驗(yàn)則是驗(yàn)證機(jī)構(gòu)外殼歷經(jīng)加速老化試驗(yàn)后的防護(hù)有效性（見圖3）。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

在試驗(yàn)前、試驗(yàn)過程中和試驗(yàn)后均需要對(duì)試驗(yàn)情況進(jìn)行記錄，主要包括以下內(nèi)容：樣品形貌變化;力學(xué)性能和電學(xué)性能的變化;第一個(gè)腐蝕跡象出現(xiàn)所經(jīng)歷的時(shí)間;必要時(shí)通過顯微照相檢測(cè)揭示的變化過程;試驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)進(jìn)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械性能試驗(yàn)、輔助和控制回路的功能性試驗(yàn)。

3.2 結(jié)果分析

試驗(yàn)前的環(huán)境情況為：環(huán)境溫度為29 ℃;相對(duì)濕度為46%;氣壓為101 kPa。通過進(jìn)行外觀完好性檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。試驗(yàn)前進(jìn)行的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

試驗(yàn)后的環(huán)境情況為：環(huán)境溫度為28 ℃;相對(duì)濕度為50%;氣壓為101 kPa。通過進(jìn)行外觀完好性檢查，發(fā)現(xiàn)局部存在稍微銹蝕現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。試驗(yàn)后進(jìn)行的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

對(duì)比試驗(yàn)前后數(shù)據(jù)可知，樣品外觀無(wú)明顯缺陷，僅在局部出現(xiàn)輕微銹蝕現(xiàn)象，并且其電學(xué)性能、力學(xué)性能測(cè)量值均在出廠試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，同時(shí)最為關(guān)鍵的輔助和控制回路的功能性試驗(yàn)測(cè)量值也在出廠試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。因此，可認(rèn)為操動(dòng)機(jī)構(gòu)整體可靠性指標(biāo)MTBF值達(dá)到12年。

4 結(jié)語(yǔ)

ZF11C-252型GIS設(shè)備操動(dòng)機(jī)構(gòu)經(jīng)鹽霧加速老化試驗(yàn)，其可靠性指標(biāo)MTBF合格，取得鹽霧老化初步試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為下一階段老化試驗(yàn)分析趨勢(shì)提供可靠數(shù)據(jù)，同時(shí)為全壽命周期成本研究中的壽命周期提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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