高濕環(huán)境下電氣接點(diǎn)動作缺陷消除途徑研究

蔡之文，洪元瑞，羅 莎，陳俊杰，張金麗，劉云磊，許 行

(1.杭州科宏儀器儀表有限公司，杭州 311122；2.國家電網(wǎng)公司華東分部，上海 200120；3.國網(wǎng)上海電力科學(xué)研究院，上海 200437)

2012年至2016年期間，華東某地9個500 kV變電站的主變壓器配套溫度計(jì)累計(jì)發(fā)生了25次保護(hù)接點(diǎn)缺陷。據(jù)相應(yīng)歷史氣象數(shù)據(jù)顯示，這25例缺陷故障中有16例(占64%)是發(fā)生在雨天高濕環(huán)境條件下(見表1)，為了分析驗(yàn)證環(huán)境條件對電接點(diǎn)誤動的影響機(jī)理，從根本上解決電氣接點(diǎn)缺陷導(dǎo)致的保護(hù)誤動及拒動，制定相應(yīng)方案并開展了針對性分析試驗(yàn)工作。

1 故障分析及解決方法

首先從運(yùn)行現(xiàn)場環(huán)境條件、微動開關(guān)防護(hù)等級、溫度計(jì)外殼結(jié)構(gòu)等方面對電氣接點(diǎn)動作影響進(jìn)行分析，從而提出解決方法。

1.1 環(huán)境條件引發(fā)電氣接點(diǎn)動作缺陷的主要影響因子

(1)凝露影響。凝露是一種當(dāng)試驗(yàn)樣品表面溫度低于周圍空氣的露點(diǎn)溫度時，水蒸汽在該表面上析出(即由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫奂簯B(tài))的自然現(xiàn)象。產(chǎn)生凝露的條件主要取決于空氣相對濕度和環(huán)境溫度與試驗(yàn)樣品之間的溫差；相對濕度越高，凝露所需的溫差越小，如表2所示，當(dāng)相對濕度為90%時，溫差超過1.6℃即會產(chǎn)生凝露。在達(dá)到凝露環(huán)境條件時，現(xiàn)場微動開關(guān)觸點(diǎn)間受凝結(jié)水滴影響，導(dǎo)致絕緣性能下降，從而引發(fā)電氣接點(diǎn)誤動缺陷。

表1 主變壓器配套溫度計(jì)歷史缺陷清單

表2 凝露產(chǎn)生所需溫差與相對濕度的關(guān)系1)

注：1)此數(shù)據(jù)是空氣溫度為0～35℃所獲得值的平均值

(2)霧天影響。霧天是在大氣穩(wěn)定條件下空氣相對濕度達(dá)到100%時，溫度下降后空氣中水氣凝結(jié)成細(xì)微水滴懸浮于半空中的天氣現(xiàn)象。長時間在100%相對濕度條件下工作，更易在溫度計(jì)內(nèi)部產(chǎn)生凝露，影響微動開關(guān)觸點(diǎn)間的絕緣性能，從而引發(fā)電氣接點(diǎn)誤動缺陷。

(3)霧霾影響。霧霾是在霧天條件下空氣中遭遇大量微小粉塵的天氣現(xiàn)象，霧霾條件下更容易產(chǎn)生凝露，考慮到很多粉塵具有良好的電導(dǎo)率，霧霾環(huán)境條件下工作的微動開關(guān)金屬觸點(diǎn)間絕緣受導(dǎo)電粉塵影響，絕緣性能下從而引發(fā)電氣接點(diǎn)誤動缺陷。

(4)鹽霧影響。圖1地理數(shù)據(jù)顯示，表1中25例故障溫度計(jì)運(yùn)行現(xiàn)場平均距離海洋不足40 km，屬于典型近海氣候，空氣中含鹽量較高。近海氣候環(huán)境(如圖1所示)尤其在東北風(fēng)或東南風(fēng)條件下極易形成鹽霧天氣。鹽霧中存在呈濕潤性顆粒鹽核，直徑小于2μm的鹽核很容易進(jìn)入溫度計(jì)及微動開關(guān)內(nèi)部，鹽霧環(huán)境條件下工作的微動開關(guān)金屬部件被鹽霧腐蝕破壞，引發(fā)電氣接點(diǎn)拒動、誤動缺陷。

圖1 故障溫度計(jì)變電站距離海洋位置

1.2 溫度計(jì)接點(diǎn)動作缺陷風(fēng)險(xiǎn)源

從溫度計(jì)本體分析，其電氣接點(diǎn)動作缺陷風(fēng)險(xiǎn)源主要來自以下兩個方面。

(1)設(shè)備外殼防護(hù)不足。設(shè)備外殼防護(hù)等級關(guān)系到環(huán)境條件對儀表內(nèi)部運(yùn)行工況的影響。大多數(shù)變壓器使用壓力式溫度計(jì)進(jìn)行溫度測量保護(hù)，為保證壓力式溫度計(jì)測量準(zhǔn)確，溫度計(jì)內(nèi)部需始終維系在一個大氣壓條件下，溫度計(jì)表殼需要與大氣貫通，目前溫度計(jì)外殼防護(hù)等級均為IP55。當(dāng)環(huán)境條件比較惡劣時，潮濕空汽(包括粉塵、鹽核)充滿整個表殼內(nèi)腔，當(dāng)溫度計(jì)內(nèi)部元件溫度下降至露點(diǎn)溫度以下時，內(nèi)部將產(chǎn)生凝露，凝露導(dǎo)致溫度計(jì)內(nèi)部負(fù)壓將持續(xù)吸入周圍高濕空氣并在溫度計(jì)內(nèi)部產(chǎn)生更多凝露，從而導(dǎo)致接點(diǎn)動作缺陷。

(2)微動開關(guān)外殼防護(hù)不足。微動開關(guān)的本身防護(hù)直接關(guān)系著接點(diǎn)動作的可靠。微動開關(guān)按外殼按保護(hù)型式分類分開啟式(圖2a)和防護(hù)式(半封閉式圖2b，密封式圖2c), 其中開啟式和半封閉式的外殼防護(hù)等級均為IP00，國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦使用條件為相對濕度≤90%(5～35℃無凝露條件下)，目前電網(wǎng)運(yùn)行中的進(jìn)口或國產(chǎn)溫度計(jì)絕大多數(shù)均使用IP00微動開關(guān)，因此凝露水滴、霾、鹽霧等環(huán)境造成的外界影響可以直接導(dǎo)致開關(guān)電氣接點(diǎn)動作缺陷。

圖2 常用微動開關(guān)外殼防護(hù)型式

1.3 接點(diǎn)動作缺陷消除方法

為了消除接點(diǎn)動作缺陷，可以將溫度計(jì)安裝在相對獨(dú)立的儀表柜內(nèi)，便于采取進(jìn)一步措施消除或降低動作缺陷。具體方法如下：

(1)通過加熱使得柜內(nèi)溫度保持恒溫，排除因溫度差而產(chǎn)生的凝露風(fēng)險(xiǎn)。

(2)通過排風(fēng)抽濕使得柜內(nèi)保持濕度，排除因濕度較大而產(chǎn)生的凝露風(fēng)險(xiǎn)。

表3 開關(guān)動作狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測記錄

(3)用防護(hù)等級高的微動開關(guān)，直接排除外部環(huán)境影響。

(4)采取組合開關(guān)的防錯設(shè)計(jì)，降低動作缺陷發(fā)生概率。對于跳閘電接點(diǎn)可采取三選二防錯邏輯結(jié)構(gòu)來降低電接點(diǎn)誤動缺陷(假設(shè)單個開關(guān)誤動概率為0.1%，三選二防錯邏輯結(jié)果構(gòu)的誤動概率僅為0.000 298%，風(fēng)險(xiǎn)下降300多倍)。

2 試驗(yàn)及驗(yàn)證

本文針對以上缺陷因素及消除途徑，選取不同外殼防護(hù)水平微動開關(guān)的溫度計(jì)開展試驗(yàn)驗(yàn)證，具體方法如下：

(1)將3臺四開關(guān)型溫度計(jì)(分別使用開啟式、密封式和防水型開關(guān))按固定在濕熱試驗(yàn)箱內(nèi)(見圖3)，將所有溫度開關(guān)均設(shè)置在試驗(yàn)溫度范圍之外；

(2) 將3臺溫度計(jì)的4個開關(guān)通過電纜線引出到恒溫試驗(yàn)箱外，為在試驗(yàn)過程中能及時捕獲誤動現(xiàn)象，將開關(guān)引線接入開關(guān)誤動監(jiān)測裝置(圖4)，開關(guān)動作后裝置將鎖定狀態(tài)；

(3)按GB/T 2423—2006(等同IEC 60068-2001)《電工電子產(chǎn)品環(huán)境恒定濕熱試驗(yàn)：》要求，進(jìn)行溫度為(40±2)℃，相對濕度為(93±3)%，為期4天的濕熱試驗(yàn)，試驗(yàn)中以3 h/次的間隔觀察開關(guān)誤動指示燈是否報(bào)警。

從驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果來看(見表3)，開啟式微動開關(guān)在試驗(yàn)中有3個接點(diǎn)均發(fā)生誤動，而采用密封式和防水型微動開關(guān)的溫度計(jì)均保持正常，所以說明環(huán)境條件、微動開關(guān)的選型直接影響電氣接點(diǎn)動作缺陷的發(fā)生。

圖3 開關(guān)動作監(jiān)測裝置

3 結(jié)語

為了避免開關(guān)動作缺陷，變壓器壓力式溫度計(jì)及其他戶外測控裝置電氣接點(diǎn)在選取時應(yīng)充分考慮高濕環(huán)境因素。建議：(1)在變壓器招投標(biāo)環(huán)節(jié)應(yīng)明確要求變壓器溫度計(jì)使用IP67防水型開關(guān)，杜絕高濕水汽或凝露水滴進(jìn)入開關(guān)內(nèi)部引發(fā)保護(hù)誤動、拒動事故；(2)溫度計(jì)應(yīng)安裝在具有加溫和除濕功能的控制柜內(nèi)，通過破壞溫度計(jì)內(nèi)產(chǎn)生凝露的必要條件來杜絕溫度保護(hù)接點(diǎn)誤動事故；(3)推薦選用三選二防錯邏輯來降低保護(hù)接點(diǎn)誤動風(fēng)險(xiǎn)，確保電氣保護(hù)安全可靠。