濕熱環(huán)境下配電自動化終端的腐蝕失效分析

史訓(xùn)濤，黎智，陳川，向利，張文強

（1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責任公司，廣州 510080；2.中國電器科學(xué)研究院有限公司 工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點實驗室，廣州 510663）

配電自動化終端可對配電線路及設(shè)備進行電氣參數(shù)監(jiān)測和故障識別處理，具備遙信、遙測、遙控接點及遠傳功能，可將配電網(wǎng)設(shè)備的重要電氣參數(shù)監(jiān)測點和開關(guān)狀態(tài)信號進行采集，并實時在線監(jiān)控，用于智能電網(wǎng)自動化的建設(shè)與升級。由此可見，配電自動化終端的質(zhì)量管理直接影響到配電自動化系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。

配電自動化終端不僅是智能電網(wǎng)自動化建設(shè)水平的重要組成部分，也是《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中推廣配電網(wǎng)智能調(diào)度控制系統(tǒng)的積極體現(xiàn)。為了使配電自動化終端在嚴酷的環(huán)境條件下能夠穩(wěn)定運行，其環(huán)境適應(yīng)性問題應(yīng)引起重視。

1 運行缺陷

南方電網(wǎng)五省大部分處于濕熱、亞濕熱氣候區(qū)域，伴有“高溫、高濕、高輻照、高鹽霧”現(xiàn)象。廣州供電局2008—2017 年間終端缺陷次數(shù)如圖1 所示，其中配電自動化終端缺陷次數(shù)分析包含未投運、已投運、退出投運三種狀態(tài)的數(shù)據(jù)。

圖1 廣州供電局2008—2017 年間終端缺陷次數(shù)

分析得出，近三年出廠的終端設(shè)備運行較為穩(wěn)定，故障率較低，主要的原因有逐步規(guī)范的入網(wǎng)檢測及終端設(shè)備均處于生命周期初期。在2008—2011 年間出廠的終端設(shè)備處于全生命周期的后段，理論上來說故障率應(yīng)該是最高的，但故障率相對2012—2014年較低的原因是在此時間段出廠的終端近50%已退出投運，已處于不運行的狀態(tài)。2012—2014 年間出廠的終端設(shè)備運行年限在3~5 年之間，本該運行情況比較穩(wěn)定，但卻是缺陷率最高的。

在表2 缺陷分析中，電源管理模塊、主控板和蓄電池的缺陷類型是受到了濕熱環(huán)境的影響。因為該類部件均為精密電子元件，容易受到高溫、高濕等因素影響，且這些部件的故障處理費用高、周期長。

表2 配電自動化終端主要缺陷分類統(tǒng)計

2 影響分析

2.1 高溫、高輻照環(huán)境

在南方電網(wǎng)轄區(qū)的濕熱環(huán)境區(qū)域，每當夏季到來時，氣溫會急劇升高，部分地表溫度達到40 ℃以上。架空終端在戶外會受到太陽直射，導(dǎo)致表面長時間處于高溫狀態(tài)，甚至突破允許限值。因內(nèi)部零部件運轉(zhuǎn)散熱等原因，配電自動化終端的內(nèi)部溫度會更高。由于配電自動化終端是一種密封性裝置，不利散熱，一旦溫度持續(xù)過高，設(shè)備材料及導(dǎo)線絕緣層會加速老化，發(fā)生硬化及脆化裂紋的情況，如圖2 和圖3 所示。

圖2 高溫環(huán)境下FTU 外箱的腐蝕形貌

圖3 高溫環(huán)境下FTU 航空插座的腐蝕形貌

2.2 高濕環(huán)境

相對濕度大于80%稱之為高濕，小于40%則稱之為低濕或干燥。南方電網(wǎng)五省的大部分地區(qū)均為高濕環(huán)境。濕熱地區(qū)長期降雨，濕度較大，在沿海地區(qū)還伴隨著高鹽霧的情況，這類氣候容易導(dǎo)致配電自動化終端周邊的濕度急劇上升。高濕環(huán)境對設(shè)備的影響絕對不低于高溫環(huán)境下的影響，設(shè)備表面會因受到濕氣的影響而造成絕緣材料介電強度減弱，發(fā)生表面擊穿或漏電的情況，嚴重時終端設(shè)備會發(fā)生癱瘓的情況。

長時間處于高濕環(huán)境下，設(shè)備內(nèi)部會發(fā)生凝露現(xiàn)象，這是空氣中濕度較大時發(fā)生的一種特有現(xiàn)象。凝露對設(shè)備的危害主要是形成的小水珠造成設(shè)備腐蝕、絕緣強度降低、霉菌生長、短路，甚至導(dǎo)致泄漏電流增大，造成絕緣擊穿，最終引發(fā)事故。高濕環(huán)境下FTU 操作手柄腐蝕形貌如圖4 所示。

圖4 高濕環(huán)境下FTU 操作手柄腐蝕形貌

2.3 高鹽霧環(huán)境

在沿海地區(qū)的空氣中會有摻雜海霧的情況，里面還有大量的鹽、硫等成分，對于配電自動化終端設(shè)備而言屬于有害物質(zhì)，會直接導(dǎo)致電氣部件的損壞。同時還會造成鋼鐵部件銹變，接觸點出現(xiàn)銹跡，易氧化膨脹或收縮而造成接觸不良、斷裂、損毀。從濕熱地區(qū)自動化終端的使用情況來看，一般鍍鋅和烤漆的金屬構(gòu)件在半年左右已開始生銹。

由于自動化終端設(shè)備由低壓220 V 供電，作為操作動力，通常與電源PT 或其他低壓電源點接取電源，并與環(huán)網(wǎng)柜等電氣設(shè)備進行三遙控制接線。設(shè)備間的控制導(dǎo)線受鹽霧環(huán)境影響，導(dǎo)線產(chǎn)生被電離的過程，外層會布滿銹斑，且腐蝕物粗而疏松，如圖5 所示。

圖5 高鹽霧環(huán)境下FTU 的PCB 板腐蝕形貌

3 實驗室腐蝕試驗

3.1 試驗方法

利用掃描電鏡（SEM）、能譜儀（EDS）等測試方法分析已失效的配電自動化終端腐蝕產(chǎn)物，對腐蝕產(chǎn)生的原因進行分析。分析包括終端的殼體、航空插頭、PCB 板、操作手柄、接地端子、鍍鋅螺栓等不同材質(zhì)，并結(jié)合溫濕度交變環(huán)境模擬試驗研究材料腐蝕機理及防腐工藝，具體流程如圖6 所示。測試數(shù)據(jù)能直接反映濕熱環(huán)境下設(shè)備各個部位的腐蝕程度，它的另一個重要作用是通過測試數(shù)據(jù)分析來調(diào)整改善終端設(shè)備的工藝參數(shù)。

圖6 腐蝕試驗流程

3.2 試樣篩選

試驗件為3 臺架空終端FTU（珠海許繼電氣有限公司）。由于2008—2011 年出廠的終端設(shè)備很多已退出投運，而2015—2017 年間出廠的終端設(shè)備目前正處于生命周期初期，因此故障率較低。為了使測試數(shù)據(jù)更具代表性，以2012—2014 年間出廠、已失效的終端設(shè)備FTU 作為測試樣品，并且完成試樣上全部區(qū)域的腐蝕測試。

圖7 已失效的架空終端FTU 試樣

4 結(jié)果與分析

4.1 試驗結(jié)果

對試樣各程度腐蝕區(qū)域進行能譜分析，結(jié)果見表3。FTU 航空插頭鍍層質(zhì)量缺陷微觀形貌如圖8 所示。

4.2 數(shù)據(jù)分析

受濕熱腐蝕環(huán)境的影響，自動化終端設(shè)備不僅殼體受到腐蝕，在開關(guān)操作手柄、整定值控制主板、接端子以及所有航空插頭等關(guān)鍵部位均有不同程度的腐蝕老化現(xiàn)象覆蓋于其區(qū)域上。濕熱腐蝕環(huán)境主要是含硫和氮的潮濕環(huán)境，工業(yè)城市和沿海地區(qū)為主要代表。在典型站點用濾膜采樣法進行的半定量污染物測試結(jié)果見表4。

在表4 數(shù)據(jù)中可以看到，廣州、佛山等典型工業(yè)城市的二氧化氮、硫酸鹽、氨氣污染物較高，明顯高于其他站點。海邊大氣污染物則以海鹽粒子為主，其中以萬山島的濃度最高。對比分析三種試樣EDS 數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比較于輕微腐蝕區(qū)域，腐蝕區(qū)域的氧含量均大幅增加，表明樣品表面被大量氧化。出現(xiàn)硫元素和氯元素，表明腐蝕環(huán)境是含硫和氯的環(huán)境。航空插頭表面覆蓋鍍層，數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，其輕微腐蝕區(qū)域檢測到鎳，表明腐蝕僅發(fā)生在表面。腐蝕后的試樣不僅檢測到銅，有的甚至檢測到基材鐵，說明腐蝕后鍍層已逐步失效，部分基材裸露，已開始腐蝕。結(jié)合SEM 發(fā)現(xiàn)，材料表面由于腐蝕產(chǎn)生大量顆粒粗大的腐蝕產(chǎn)物，材料腐蝕失效主要是由于鍍層被破壞或漏鍍等問題造成基材裸露，腐蝕進一步深入發(fā)展。材料腐蝕機理反應(yīng)式為：

表3 能譜（元素）分析（#1 試樣） %

圖8 FTU 航空插頭鍍層質(zhì)量缺陷

表4 典型工業(yè)城市、海邊大氣污染物的監(jiān)測數(shù)據(jù)

環(huán)境中的SO2溶于水中形成酸性介質(zhì)，腐蝕鍍層與基體，而Cl 破壞致密的氧化膜，使得腐蝕加劇。由試驗結(jié)果論證，配電自動化終端設(shè)備發(fā)生腐蝕的主要原因為：高溫、濕度、氯離子及SO2等大氣環(huán)境因子加速終端設(shè)備腐蝕，各部件腐蝕產(chǎn)物主要以氧化物、硫化物及氯化物為主；各部件鍍層質(zhì)量不良，局部存在漏鍍，基材裸露等現(xiàn)象。

鑒于以上因素，應(yīng)結(jié)合配電自動化終端的安裝環(huán)境和腐蝕情況，設(shè)計選用合理的防護方案和措施。

4.3 腐蝕防護

通過對配電自動化終端的不同腐蝕機制分析，結(jié)合腐蝕環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境試驗標準，建議對濕熱環(huán)境下的配電自動化終端采取以下防護措施。

1）通過腐蝕機理分析，需選擇更加適應(yīng)環(huán)境的材料才能達到一定的防腐效果。對不同處理工藝及不同加工方法的不同材料開展環(huán)境模擬試驗，評價篩選出最佳工藝處理的材料，并建立環(huán)境技術(shù)要求。

2）提高鍍層質(zhì)量，開展鍍層相關(guān)試驗，優(yōu)選出最佳鍍層厚度以及電鍍工藝。

3）通過氣相防銹和干燥劑組合使用，控制電氣設(shè)備運行環(huán)境中的溫度和濕度。在實驗室開展腐蝕性氣體環(huán)境模擬試驗驗證，并選擇有代表性的電氣設(shè)備進行現(xiàn)場應(yīng)用，驗證其防護效果。

4）采用化學(xué)催化過濾模塊對進風過濾，控制電氣柜內(nèi)環(huán)境，使腐蝕環(huán)境變溫和，進而達到減緩腐蝕的效果。通過微環(huán)境腐蝕測試銅片以及腐蝕在線監(jiān)測技術(shù)，表征應(yīng)用該技術(shù)后的環(huán)境腐蝕等級。

5 結(jié)論

通過配電自動化終端FTU 試樣的實驗室腐蝕試驗分析，得出以下結(jié)論。

1）通過開展腐蝕試驗，得出終端設(shè)備的腐蝕數(shù)據(jù)，真實反映了其在濕熱地區(qū)服役的腐蝕特點。

2）針對高溫、高輻照、高濕、高鹽霧環(huán)境對配電自動化終端的影響，提出腐蝕防護措施，為下一階段的失效評估工作提供可靠數(shù)據(jù)。

3）重點分析濕熱環(huán)境下配電自動化終端的腐蝕機理，可讓設(shè)備管理人員在濕熱環(huán)境下更加關(guān)注終端設(shè)備的安全性能，加強現(xiàn)場腐蝕環(huán)境的監(jiān)測能力，及時排除終端設(shè)備運行中的異常情況，保障工作人員和電力系統(tǒng)的安全，為南方電網(wǎng)的智能化發(fā)展提供有效、可行的驗證方法。