柱上SF₆負荷開關可靠性應用探究

摘要：從戶外柱上SF6負荷開關的應用環境和結構特點出發，介紹了戶外柱上開關的運行現狀、遇到的典型問題，分析并指出了其長期可靠運行的對策。

關鍵詞：戶外負荷開關；可靠性；環境等級；腐蝕

中圖分類號：TM564.2? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）17-0056-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.17.015

0? ? 引言

隨著全球配電網的日趨完善，用戶對線路配套開關設備的可靠性運行要求也越來越高。其中，戶外柱上負荷開關作為一種12～24 kV柱上開關設備，具備一定的可開斷負荷電流及關合故障電流能力，適用于傳統架空線路和帶絕緣導線的架空線路，并可配置電流互感器（傳感器）、電壓互感器（傳感器）及遠程控制箱，易實現多種配網自動化方案，兼具應用靈活性和經濟性，在全球被廣泛使用。

不同于戶內開關柜產品，戶外柱上負荷開關應用于戶外環境，面臨各種苛刻的環境條件，例如鹽霧、沙塵、冰雪、潮濕等，同時全球各地區氣候存在明顯差異，例如新西蘭（靠海岸線）地區的高鹽高濕、非洲赤道地區的高溫高紫外線輻射等，這對戶外負荷開關的長期可靠性運行提出了較高的要求。

通過對全球各地區柱上開關運行的調查了解得知，諸多用戶遇到了負荷開關在運行若干年后性能下降、功能老化等問題。在進一步對戶外負荷開關大量實際應用案例的研究基礎上，本文通過采用系統的六西格瑪（DMAIC）分析模式，提出了貼合實際應用的應對老化問題的方案和建議，同時介紹了創新性的密封檢測方法，能在保證每臺戶外負荷開關機構密封性能的同時，具備優異的長期可靠運行能力。

1? ? 戶外柱上負荷開關結構和特點[1]

戶外柱上負荷開關主要由操作機構、氣室和支撐絕緣子組成，按操作機構操作方式分為手動和電動；按氣室滅弧介質分為真空式、有機材料產氣式、六氟化硫（SF6）式等多種類型。對于所有類型的戶外負荷開關，為保證長期正常運行和使用，其操作機構被視為重要的核心部件，不僅需要保證操作次數達到額定壽命要求，同時機構整體密封性能和外殼的耐腐蝕性也需要能承受嚴峻的考驗。

2? ? 柱上負荷開關可靠性現狀

對于全球各家負荷開關廠商旗下的產品，在正式投入生產之前，均已通過型式試驗方式完成了電氣技術要求和機械壽命次數的完整驗證。

ABB公司是電力和自動化技術領域廠商，其生產的戶外柱上SF6負荷開關NXB為免維護型負荷開關，具備主流的電氣技術參數，主要為：（1）電壓等級12～24 kV；（2）額定電流630 A；（3）有功負載開斷電流630 A；（4）額定壽命次數5 000次；（5）防護等級IPX7水下1 m可以浸泡30 min[2]。經過多年的發展，公司已有數萬臺負荷開關應用在國內外中壓電力系統中。

“質量至上”是ABB公司的經營理念，公司會不定期對生產的產品進行可靠性和全生命周期調研。在此前一次針對戶外柱上SF6負荷開關的運行可靠性調研和評估中，了解到產品運行存在異常表現，通過進一步收集產品的售后服務記錄和客戶的反饋信息并系統分析，了解到負荷開關操作機構出現批量老化異常，甚至影響產品正常功能。

2.1? ? 典型可靠性問題

從統計數據中發現，分布在新西蘭、阿根廷、澳洲、巴西、智利的柱上SF6負荷開關，集中性出現操作機構銹蝕、進水問題，如圖1所示。

經過調查了解，這些區域多數產品具有如下共同特征：（1）自產品開始投入使用，在戶外運行超過四年；（2）操作機構部位出現不同程度老化，甚至外殼漆層掉落，部分機構操作桿被腐化漆層粘滯卡住無法合分操作；（3）部分操作機構密封失效，內部進水潮濕，機構部件銹蝕無法操作。

以上問題嚴重影響了產品的運行可靠性，因此緊急成立了以技術和質量為主導的團隊，目的在于針對柱上負荷開關操作機構外殼腐蝕及機構進水問題進行系統性調查分析，提出改進措施和驗證，消除質量隱患。

2.2? ? 問題原因分析

對于腐蝕和進水問題，基于頭腦風暴方法，如圖2所示，在人、機、料、法、環五個維度進行完整分析，識別出如下可能原因，并做要因確認和針對性改進，同時進行方案的可靠性驗證。

2.2.1? ? 環境方面問題（環境）

通過對集中性問題爆發地區的環境進行調查了解，發現它們存在共同特點，即不僅常年雨水充沛，也擁有狹長的海岸線，環境具有高濕、高鹽特點。參照環境等級（ISO 12944-2）劃分方法[3]，這些地區環境等級接近或屬于CX——極其苛刻，而戶外負荷開關機構漆層防腐等級設計一般僅為C3，不適用于特殊區域，例如CX環境等級。

2.2.2? ? 機構密封圈類型不適用（物料）

對現場問題負荷開關所有密封部位進行詳細檢查，了解到某些部位密封圈開裂，密封失效。通過核對操作機構所有部位密封圈類型，有兩種物料類型被使用：丁腈橡膠（NBR）和三元乙丙橡膠（EPDM），開裂的密封圈類型為丁腈橡膠（NBR）。查閱相關資料了解到：（1）丁腈橡膠（NBR）耐油性極好，摩擦力與摩擦阻力力矩小，耐磨性較高，耐熱性較好，粘接力強；（2）三元乙丙橡膠（EPDM）耐氧化、抗硫化、抗臭氧和抗侵蝕能力優越。相比兩種類型材料，顯然三元乙丙橡膠（EPDM）因其有良好的耐候性而更適用于戶外嚴苛的環境。

2.2.3? ? 密封功能檢測不完整（方法）

戶外SF6負荷開關防水等級為IPX7，然而該防水等級的驗證測試僅在產品型式試驗時進行。由于相關標準未做強制性要求，同時考慮到測試成本和實施難度，大部分廠家在日常生產中無法把負荷開關逐臺投入水中進行IPX7檢測。當生產裝配制程或密封材料出現異常，導致機構密封不合格時，無法在產品出廠前及時發現，因而產品投入現場使用一段時間后即出現操作機構進水、內部部件腐蝕等問題。

3? ? 可靠性方案

針對以上三個主要原因，尋找對應的解決方案。

3.1? ? 操作機構耐腐蝕方案

首先正確識別產品所使用的地區環境等級，參考國際環境等級（ISO 12944-2），應用在高鹽、高濕的CX地區時，負荷開關操作機構外殼的防腐蝕等級需由原來的C3提升至CX，使產品能夠適用于CX環境，特別是海岸線周邊的應用場合。

在提升負荷開關操作機構外殼防腐等級至CX的過程中，根據相關經驗，可特別關注如下過程工藝，便于一次性通過嚴苛的環境試驗驗證，即老化循環驗證。

3.1.1? ? 操作機構材料

殼體可采用鋁合金鑄件，根據ENAC-44300[4]壓鑄鋁合金的化學成分表，建議銅含量小于0.1%，以確保金屬基件具有較好的抗銹蝕能力。

3.1.2? ? 鑄造工藝

在鑄件鑄造過程中，其孔隙率控制在小于或等于等級3，同時鑄件表面無裂紋、流痕、欠鑄等缺陷，及時清理鑄件飛邊、渣包、頂針印痕、分型線；鑄件表面無撓曲、變形現象。

3.1.3? ? 漆噴涂

粉末或油漆噴涂厚度控制在大于等于200 μm，漆層附著力測試應滿足GB/T 9286—1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗》常規要求。

3.1.4? ? 驗證測試

噴涂外殼應進行一次環境老化循環測試并通過，即ISO 12944-9—2018《防護漆對金屬結構的防腐 第9部分? 防護漆體系和實驗室性能試驗方法》[5]規定的4 200 h老化循環驗證測試，其中一個循環包含72 h紫外線輻射、72 h中性鹽霧及24 h低溫環境暴露測試，共計25個循環，如圖3所示。

3.2? ? 操作機構密封圈材料

根據對丁腈橡膠（NBR）和三元乙丙橡膠（EPDM）優缺點的比對，對于暴露在外部環境中的密封圈，材料應選擇三元乙丙橡膠（EPDM）。密封圈的壓縮率一般控制在15%～25%。

3.3? ? 操作機構密封功能測試

戶外產品的密封性能為產品關鍵性能之一，需要進行嚴格的把控。

基于國標GB/T 4208—2017《外殼防護等級（IP代碼）》要求，操作機構應進行IPX7防水等級測試以驗證密封性能。從應用層面考慮，試驗方法可以采用創新性的負壓檢測替代較為復雜的1 m水深1 min的沉水測試。負壓檢測具備成本低、易操作等特點，具體方式為用抽氣泵從操作機構箱抽取空氣產生一定的負壓值后，切斷負壓泵，保持1 min，過程中通過空氣壓力傳感器監視操作機構中的空氣壓差值浮動情況（一般浮動值<1%）來判斷密封性能是否合格。

負壓值的設定依據：根據GB/T 4208—2017《外殼防護等級（IP代碼）》1 m水深壓強計算公式P=ρgh（ρ為密度，ρ=1 000 kg/m3；g為重力加速度，g=9.8 N/kg；h為水深，單位m），得到等效的空氣負壓值為0.01 MPa。

4? ? 結束語

隨著配網自動化的進一步實施推廣，戶外柱上開關在配電網中的應用數量將越來越龐大，其體現的作用也會越來越明顯。而可靠性防腐方案的應用及密封性的有效檢測，為產品在嚴苛環境下長期穩定運行奠定了基礎，為用戶使用的安全性、經濟性提供了保證，對外也確保了公司的優質服務水平和品牌形象，使產品有了更廣闊的發展前景。

[參考文獻]

[1] 鄒鳳英.10 kV戶外配電開關運行經驗[J].江蘇電機工程，2006，25（6）：44-46.

[2] 外殼防護等級（IP代碼）：GB/T 4208—2017[S].

[3] 防護漆對金屬結構的防腐 第2部分 環境分類：ISO 12944-2—2018[S].

[4] 壓鑄鋁合金的化學成分和力學性能表：ENAC-44300[Z].

[5] 防護漆對金屬結構的防腐 第9部分 防護漆體系和實驗室性能試驗方法：ISO 12944-9—2018[S].

收稿日期：2023-05-30

作者簡介：占學民（1983—），男，福建廈門人，工程師，研究方向：電力產品可靠性應用和持續優化。