興安直流輸電工程繼電器絕緣失效機(jī)理及整治措施

王振，楊育豐，劉坤，國(guó)建寶，鞠偉，王有亮，吳健穎

(1.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 510663；2.中國(guó)賽寶實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610)

興安直流輸電工程自2007年投運(yùn)以來(lái)一直運(yùn)行平穩(wěn)，但是2017年7月10日后，累計(jì)發(fā)現(xiàn)32只同一型號(hào)繼電器出現(xiàn)塑料表面析出油質(zhì)導(dǎo)電液體的現(xiàn)象，其常開(kāi)輔助觸點(diǎn)間絕緣電阻大幅降低，并導(dǎo)致了多起交流濾波器跳閘事件，嚴(yán)重威脅直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司為此特別成立繼電器失效原因分析及運(yùn)維措施研究的技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，對(duì)繼電器絕緣失效導(dǎo)致交流濾波器跳閘事件進(jìn)行深入研究，分析繼電器絕緣失效機(jī)理并提出相應(yīng)解決方案。

本文以興安直流控制保護(hù)所用的同型號(hào)繼電器為對(duì)象開(kāi)展研究：首先分析繼電器的物理和電氣結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)該型號(hào)繼電器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在缺陷[1]；然后解析繼電器塑料表面出現(xiàn)油質(zhì)導(dǎo)電液體的故障表象，根據(jù)液體和塑料的成分檢測(cè)分析結(jié)果，推斷出油質(zhì)液體來(lái)源于塑料生產(chǎn)過(guò)程中添加的助劑；根據(jù)時(shí)溫等效原理設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)繼電器塑料樣品開(kāi)展加速油質(zhì)液體析出實(shí)驗(yàn)，對(duì)理論分析結(jié)果的正確性進(jìn)行驗(yàn)證；最后，分析繼電器絕緣失效機(jī)理，并提出相應(yīng)的反事故措施，以防止繼電器失效導(dǎo)致交流濾波器跳閘或直流閉鎖事件的發(fā)生。

1 繼電器絕緣失效機(jī)理分析

1.1 繼電器解剖分析

為了研究繼電器絕緣失效是否與繼電器的物理電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)，首先對(duì)繼電器進(jìn)行解剖分析。絕緣失效繼電器為插拔式繼電器，整體為塑料結(jié)構(gòu)，一面分布輸入端電源節(jié)點(diǎn)接線柱和輸出端輔助觸點(diǎn)接線柱，其他表面為透明塑料殼包裹，塑料殼內(nèi)包含勵(lì)磁線圈、印制電路板(printed circuit board，PCB)、彈簧等部件。繼電器負(fù)極金屬接線一端與負(fù)極輔助觸點(diǎn)(輔助觸點(diǎn)3)相連接，另一端與繼電器動(dòng)觸頭相連接。動(dòng)觸頭與正極輔助觸點(diǎn)(輔助觸點(diǎn)7)保持常開(kāi)，繼電器勵(lì)磁時(shí)閉合[2-7]。如圖1所示，負(fù)極金屬接線的一部分從正極接線柱繞過(guò)，正極接線柱和負(fù)極金屬接線之間無(wú)塑料隔離，為鏤空結(jié)構(gòu)，兩者相距1.8 mm，若鏤空處出現(xiàn)導(dǎo)電性的異物，可能導(dǎo)致絕緣失效。

圖1 繼電器負(fù)極金屬接線與正極接線柱之間的隔離

2017年7月10日及9月19日連續(xù)發(fā)生的兩起濾波器開(kāi)關(guān)跳閘事件，均出現(xiàn)了繼電器輔助觸點(diǎn)3、7接線柱之間絕緣降低的情況。事件發(fā)生當(dāng)天用絕緣搖表測(cè)量繼電器輔助觸點(diǎn)3、7接線柱之間絕緣均為0，其他輔助觸點(diǎn)接線柱之間的絕緣電阻也存在不同程度的降低。對(duì)跳閘事件更換下來(lái)的繼電器進(jìn)行研究，在繼電器輔助觸點(diǎn)7接線柱處出現(xiàn)大量藍(lán)綠色銹蝕物，銹蝕處與接線柱平面相比略為膨脹(如圖2所示)，其他接線柱與塑料接觸的部位同樣存在少量藍(lán)綠色銹蝕物。更換下來(lái)的繼電器的塑料表面均附著有油質(zhì)液體，且有部分白色晶體物質(zhì)散布，如圖3所示。

圖2 繼電器輔助觸點(diǎn)7接線柱表面

圖3 繼電器接線柱塑料表面的油狀液體與白色晶體

為分析輔助觸點(diǎn)接線柱之間絕緣降低是否為油質(zhì)液體導(dǎo)致，對(duì)與繼電器輔助觸點(diǎn)接線柱存在直接物理接觸的塑料表面進(jìn)行電阻測(cè)量。根據(jù)液體分布的密集程度，將塑料表面分為液體分布密集區(qū)、液體分布稀疏區(qū)和無(wú)液體分布區(qū)，采用萬(wàn)用表分別進(jìn)行測(cè)量，并分析比較液體對(duì)塑料整體導(dǎo)電性能的影響，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1(萬(wàn)用表探針相距1 mm)。

表1 繼電器塑料表面電阻測(cè)量結(jié)果

由表1可知，繼電器輔助觸點(diǎn)所在的塑料表面電阻與液體分布情況相關(guān)，液體分布越密集，塑料表面電阻越小，無(wú)液體分布的區(qū)域絕緣良好。因此判斷塑料表面的油質(zhì)液體能夠?qū)щ姡菍?dǎo)致繼電器絕緣降低的因素。

1.2 繼電器液體成分分析

為了研究塑料表面油質(zhì)液體的導(dǎo)電機(jī)理，在中國(guó)賽寶實(shí)驗(yàn)室采用紅外光譜分析[8]，根據(jù)油質(zhì)液體光譜曲線中各波段波峰分布情況檢測(cè)油質(zhì)液體的主要成分。繼電器表面油質(zhì)液體和C4H8O2·2H3PO4紅外光譜對(duì)比如圖4所示。可以看出，油質(zhì)液體在各波長(zhǎng)段下波峰分布情況與C4H8O2·2H3PO4一致，因此判斷油質(zhì)液體的主要成分為C4H8O2·2H3PO4。

圖4 繼電器表面油質(zhì)液體(曲線1)與C4H8O2·2H3PO4(曲線2)紅外光譜對(duì)比

采用電鏡能譜分析方法[9-10]檢測(cè)油質(zhì)液體樣品所含的主要元素，電鏡能譜圖如圖5所示，樣品中主要元素的含量見(jiàn)表2。

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由圖5和表2可知，油質(zhì)液體的主要元素為C、O、P、N，其中C、O、P元素與紅外光譜檢測(cè)出的C4H8O2·2H3PO4主要元素相對(duì)應(yīng)。

1.3 繼電器液體來(lái)源分析

為了進(jìn)一步分析繼電器絕緣失效的原因，對(duì)繼電器表面油質(zhì)液體的來(lái)源進(jìn)行分析。油質(zhì)液體的來(lái)源可分為繼電器外部污染和繼電器內(nèi)部生成2種途徑：

a)繼電器外部污染：與繼電器在物理上有直接接觸的外部空氣中的物質(zhì)，在一定條件下生成液體，并附著到繼電器表面。

b)繼電器內(nèi)部生成：繼電器內(nèi)部部件如塑料、勵(lì)磁線圈、PCB元器件、塑料外殼等在一定條件下滲析出液體。

繼電器外部污染生成液體的可能性分析：繼電器工作在繼電器小室的屏柜內(nèi)部，工作環(huán)境中的溫度和濕度都在可控狀態(tài)。油質(zhì)液體中除C、O之外含量最高的元素為P，而正常情況下空氣中主要成分為氮?dú)?、氧氣、二氧化碳、水蒸氣等物質(zhì)，均不含P元素，因此排除空氣中的物質(zhì)直接生成油質(zhì)液體的可能性。根據(jù)繼電器歷史故障情況，出現(xiàn)絕緣故障的繼電器集中出現(xiàn)在特定型號(hào)繼電器，而與失效繼電器處于同一小室甚至同一屏柜內(nèi)的其他型號(hào)繼電器并未大量出現(xiàn)絕緣故障，因此判斷通過(guò)外部污染產(chǎn)生油質(zhì)液體的可能性較低。

繼電器內(nèi)部生成液體的可能性分析：觀察發(fā)現(xiàn)油質(zhì)液體在繼電器塑料表面散布，在勵(lì)磁線圈、PCB元器件、塑料外殼等其他部位沒(méi)有液體，因此可以推斷油質(zhì)液體由塑料內(nèi)部析出。

采用電鏡能譜分析方法檢測(cè)得到該型號(hào)繼電器塑料樣品所含的主要元素為C、P、O、N，與液體樣品的主元素相同，兩者均含有P，只是所占比重不同，因此推斷油質(zhì)液體來(lái)源于塑料。

繼電器塑料成分可分為塑料基材和塑料助劑。塑料基材成分為聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(polybutylene terephthalate，PBT)和尼龍，由于PBT和尼龍本身均不含P元素，而塑料的電鏡能譜分析結(jié)果顯示塑料樣品中的P元素含量?jī)H次于C元素和O元素，因此油質(zhì)液體只可能從塑料生產(chǎn)過(guò)程中添加的助劑里產(chǎn)生。

液體從助劑中析出的可能原因包括：塑料助劑與塑料基材因不兼容而逐漸分解析出；塑料在外界條件下(如光、熱等)老化的過(guò)程[11-14]中析出。采用熱重分析方法，排除了塑料老化引起液體析出的可能性。因此，液體析出的原因應(yīng)是助劑與塑料基材不兼容。

目前，含有P元素的塑料助劑主要有磷酸酯增塑劑、磷系阻燃劑、磷氮系阻燃劑等，其中部分磷系阻燃劑存在與高分子材料兼容性差、易分解的缺點(diǎn)。

由以上分析可以推斷，繼電器油質(zhì)導(dǎo)電液體來(lái)源于繼電器內(nèi)部塑料，塑料助劑與塑料基材因不兼容而逐漸分解析出，形成油質(zhì)導(dǎo)電液體。

2 加速液體析出實(shí)驗(yàn)

根據(jù)時(shí)溫等效原理[15-16]，升高溫度與延長(zhǎng)觀察時(shí)間對(duì)分子運(yùn)動(dòng)是等效的，對(duì)高聚物的粘彈行為也是等效的。先取繼電器樣品，提高溫度以加速助劑的析出過(guò)程，觀察塑料表面是否析出油質(zhì)液體。

從繼電器中選取一只未有液體析出的樣品在中國(guó)賽寶實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。樣品置于正常空氣環(huán)境中，空氣相對(duì)濕度在40%～50%，逐步對(duì)樣品進(jìn)行加溫，各時(shí)間段溫度如圖6所示。

圖6 加速實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的升溫情況

實(shí)驗(yàn)從2017年11月8日開(kāi)始，初始溫度為60 ℃，逐步升溫至135 ℃，至11月16日，塑料表面已有明顯的液體析出現(xiàn)象，如圖7所示。

對(duì)本次高溫實(shí)驗(yàn)繼電器塑料表面樣品析出的液體進(jìn)行紅外光譜檢測(cè)，得到高溫析出液體和原繼電器塑料表面液體的紅外光譜對(duì)比如圖8所示。由圖8可知，高溫析出的液體與原繼電器塑料表面液體主成分一致。

用萬(wàn)用表測(cè)量析出液體后的塑料表面電阻，在探針相距1 mm的情況下測(cè)得圖7中液體分布密集區(qū)域的表面電阻為91.71 kΩ，液體分布稀疏區(qū)域的表面電阻為8.95 MΩ，同時(shí)測(cè)得無(wú)液體分布的其他部分塑料表面電阻為80.14 MΩ。

圖7 加速實(shí)驗(yàn)前后繼電器樣品內(nèi)部塑料表面變化情況

圖8 高溫析出液體(曲線1)和原塑料表面液體(曲線2)的紅外光譜對(duì)比

由實(shí)驗(yàn)前后的對(duì)比及電阻測(cè)量結(jié)果可知，繼電器內(nèi)部塑料在空氣環(huán)境中能夠析出油質(zhì)液體，繼電器其余部位無(wú)液體出現(xiàn)。用萬(wàn)用表測(cè)量析出液體后的塑料表面電阻，析出的液體越密集，塑料表面電阻越小，進(jìn)一步明確了油質(zhì)液體的導(dǎo)電性能。該加速實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了油質(zhì)導(dǎo)電液體來(lái)源于繼電器內(nèi)部塑料的分析結(jié)論。

3 繼電器失效過(guò)程分析

對(duì)接線柱金屬片表面銹蝕物進(jìn)行電鏡能譜分析，結(jié)果見(jiàn)圖9、表3?？梢钥闯?，銹蝕物樣品的主要元素為P、Zn、O、C、Cu，說(shuō)明銹蝕物主要為Cu、Zn的氧化物及含磷化合物。除金屬元素Zn和Cu之外，其他3種元素P、O、C與液體樣品的主元素一致。結(jié)合接線柱銹蝕物表面油質(zhì)液體越密集，其與接線柱間的絕緣電阻越小的現(xiàn)象，推斷銹蝕物為油質(zhì)液體腐蝕接線柱而成。

圖9 繼電器接線柱銹蝕物樣品的電鏡能譜圖

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圖10 繼電器接線柱銹蝕處 的電導(dǎo)曲線

4 反事故措施研究及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

參照相關(guān)技術(shù)規(guī)程，通過(guò)廣泛市場(chǎng)調(diào)研，篩選得到電氣性能滿足要求的可替代繼電器[20]，對(duì)其開(kāi)展塑料物質(zhì)成分分析以及加速液體析出實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

根據(jù)上述研究結(jié)果，中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司提出采用同型號(hào)改進(jìn)型繼電器替換原故障型繼電器的反事故措施。在興安直流輸電工程年度檢修期間開(kāi)展繼電器替換工作，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明該改進(jìn)型繼電器在電氣性能方面完全滿足直流控制保護(hù)要求。經(jīng)過(guò)一年多的運(yùn)行，繼電器塑料表面沒(méi)有任何油質(zhì)液體跡象，表明本文提出的反事故措施可有效解決繼電器失效導(dǎo)致交流濾波器跳閘或直流閉鎖問(wèn)題。

表4 可替代繼電器的技術(shù)參數(shù)及基材兼容性

注：PET—聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，polyethylene terephthalate的縮寫(xiě)。

5 結(jié)論

a)繼電器塑料中的磷系阻燃劑因與塑料基材兼容性差而析出油質(zhì)導(dǎo)電液體，油質(zhì)導(dǎo)電液體腐蝕正極接線柱，正極接線柱膨脹并與負(fù)極金屬接線在鏤空結(jié)構(gòu)處連接，使繼電器在勵(lì)磁線圈非吸合情況下導(dǎo)通，導(dǎo)致交流濾波器跳閘或直流閉鎖。

b)針對(duì)繼電器失效導(dǎo)致交流濾波器跳閘或直流閉鎖問(wèn)題，采用以同型號(hào)改進(jìn)型繼電器替換原故障型繼電器的反事故措施，成功解決了興安直流輸電工程繼電器失效問(wèn)題。

c)控制保護(hù)設(shè)備生產(chǎn)商在繼電器選型階段，應(yīng)開(kāi)展繼電器塑料加速液體析出實(shí)驗(yàn)，確保繼電器阻燃劑與塑料基材兼容性良好，不會(huì)析出油質(zhì)導(dǎo)電液體。

d)繼電器生產(chǎn)商在繼電器設(shè)計(jì)方面，應(yīng)采用與基材兼容性更好的少磷或無(wú)磷助劑，并消除物理電氣結(jié)構(gòu)方面的缺陷，正極接線柱和負(fù)極接線柱中間必須采用塑料隔離，或者觸點(diǎn)公共端金屬連接線外面采用絕緣包裹層，且金屬連接線不應(yīng)繞過(guò)常開(kāi)觸點(diǎn)接線柱，以避免因塑料與助劑的兼容性差及物理電氣結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致的繼電器絕緣失效問(wèn)題。