配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備腐蝕加速試驗(yàn)研究

史訓(xùn)濤，柯清派，黎智，陳川，揭敢新，王俊

（1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣州 510080；2.中國(guó)電器科學(xué)研究院股份有限公司—工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510663）

引言

隨著數(shù)字南網(wǎng)建設(shè)加快推進(jìn)，如何保證電力系統(tǒng)末端的配電設(shè)備的可靠性尤其重要。配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)對(duì)配網(wǎng)設(shè)備的監(jiān)控、保護(hù)、測(cè)量、控制及相關(guān)信號(hào)的遠(yuǎn)傳，是配電網(wǎng)的大腦，因此配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備是影響供電可靠性的關(guān)鍵點(diǎn)，并且配網(wǎng)自動(dòng)化是智能電網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)水平的重要構(gòu)成部分。

根據(jù)南方某省電力公司自動(dòng)化裝置維修統(tǒng)計(jì)（如圖1），可知電源、控制、采集、通訊、信號(hào)開(kāi)入開(kāi)出還是極易損壞。

主網(wǎng)的自動(dòng)化設(shè)備一般壽命為10～12年，由于受成本和重要度的影響，配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備壽命及可靠性較主網(wǎng)有一定差距，南方沿海某供電局2008～2017年（2018年統(tǒng)計(jì)）配電終端故障統(tǒng)計(jì)如表1所示。

由于配電自動(dòng)化終端相對(duì)一次本體壽命較低，實(shí)際2011年前配電自動(dòng)化終端大約50 %以上退出運(yùn)行，因此故障率相對(duì)2012～2014年較低。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和電網(wǎng)規(guī)范要求，配網(wǎng)設(shè)備應(yīng)滿足5～8年的穩(wěn)定運(yùn)行，但實(shí)際上2012～2014年的故障率較高，這從另外一方面驗(yàn)證當(dāng)前產(chǎn)品的試驗(yàn)體系不滿足南方沿?！叭摺睔夂蛞螅ǜ邷?、高濕、高鹽），尤其是配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備中大量電子元件，在防護(hù)能力較弱的情況下極易在高溫、高濕、高鹽霧下出現(xiàn)的故障[1,2]。高溫極易導(dǎo)致電子元件宕機(jī)，高溫、高濕、高鹽霧還容易導(dǎo)致裝置密封失效，失效后極易導(dǎo)致內(nèi)部電子元件腐蝕、短路等故障。

如何保證配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備在嚴(yán)酷的環(huán)境下的溫度運(yùn)行，是當(dāng)前需要解決的核心問(wèn)題。筆者總結(jié)多年配網(wǎng)故障分析處理經(jīng)驗(yàn)，主要問(wèn)題是當(dāng)前配網(wǎng)自動(dòng)化產(chǎn)品的驗(yàn)證試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)不滿足高溫、高濕、高鹽沿海氣候情況，這導(dǎo)致廣東大部分地區(qū)的配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備使用壽命大幅度低于產(chǎn)品設(shè)計(jì)壽命，因此有必要對(duì)這部分進(jìn)行改進(jìn)分析[3-5]。

1 配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備加速腐蝕試驗(yàn)

隨著供電可靠性的提升，大部分一次設(shè)備壽命要求提升至20～40年，為實(shí)現(xiàn)一二次壽命匹配，可以按照20年使用壽命為配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備老化目標(biāo)。依據(jù)Bellcore可靠性計(jì)算公式可知：

式中：

Tlife—運(yùn)行時(shí)間；

N—失效臺(tái)數(shù)；

r—置信度系數(shù)；

F—老化加速因子；

t—樣機(jī)的老化時(shí)間。

本處采用2臺(tái)不同形式的配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行老化加速試驗(yàn)，把N調(diào)整為產(chǎn)品出現(xiàn)的失效故障數(shù)。由Bellcore公式可知，核心是確定等效時(shí)間后的老化加速因子。本文預(yù)設(shè)平均壽命為20年，則：

本文結(jié)合常規(guī)試驗(yàn)與實(shí)際運(yùn)行情況，確定老化加速相關(guān)的因子，并研究“三高”環(huán)境下配網(wǎng)自動(dòng)化老化試驗(yàn)研究方向。

1.1 試驗(yàn)情況簡(jiǎn)述

筆者按照GB/T 2423.18-2012環(huán)境試驗(yàn)，對(duì)配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行了整機(jī)加速腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)按交變（氯化鈉溶液）中嚴(yán)酷等級(jí)（5）進(jìn)行四個(gè)試驗(yàn)循環(huán)，照嚴(yán)酷等級(jí)（5）進(jìn)行了4個(gè)試驗(yàn)循環(huán)，其中一個(gè)循環(huán)包含4個(gè)鹽霧噴霧周期，每個(gè)噴霧周期2 h（溫度35 ℃），每個(gè)噴霧周期后為20 h的高濕熱保持周期（溫度40 ℃、相對(duì)濕度（93±3）%），然后在相對(duì)濕度80 %、溫度30 ℃環(huán)境下保持3 d。FTU加速腐蝕試驗(yàn)如圖2，一個(gè)試驗(yàn)周期示意圖如圖3所示。

試驗(yàn)前按照DL/T 721-2013標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行檢驗(yàn)，確保樣機(jī)滿足要求。每個(gè)試驗(yàn)周期后對(duì)樣機(jī)的三遙、開(kāi)入、開(kāi)出、外觀、指示燈等進(jìn)行驗(yàn)測(cè)，如圖4所示。

圖1 南方某省電力公司自動(dòng)化裝置維修統(tǒng)計(jì)

表1 南方沿海某供電局2008-2017年配電終端故障統(tǒng)計(jì)

1.2 試驗(yàn)結(jié)果簡(jiǎn)述

經(jīng)過(guò)4個(gè)周期試驗(yàn)后，除本體金屬部分有顯著腐蝕外（本體腐蝕情況見(jiàn)圖5），二次元件狀態(tài)較為良好，PCB板表面狀態(tài)良好，無(wú)明顯凝露、銹蝕現(xiàn)象，其余量測(cè)試（包含絕緣）都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，與試驗(yàn)前無(wú)明顯偏差。

在FTU靜置24 h后，接上配網(wǎng)開(kāi)關(guān)試驗(yàn)臺(tái)后，其指示燈、信號(hào)開(kāi)入開(kāi)出、三遙等功能工作正常，未出現(xiàn)失靈、短路現(xiàn)象。

圖2 FTU加速腐蝕試驗(yàn)

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)28天的試驗(yàn)循環(huán)，及測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備按常規(guī)進(jìn)行加速腐蝕試驗(yàn)后，其試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)無(wú)法匹配，主要表現(xiàn)為只有金屬有一定程度腐蝕，內(nèi)部二次元件狀態(tài)完好。

分別對(duì)溫度、濕度及鹽霧兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

1）溫度

圖3 一個(gè)試驗(yàn)循環(huán)周期示意圖

圖4 試驗(yàn)后檢測(cè)示意圖

圖5 本體腐蝕情況

電子器件腐蝕失效主要為其金屬腐蝕，導(dǎo)致電子元件間短路、接觸不良、短路等失效現(xiàn)象。電子器件材料主要為金、銅、鋁及合金等。通常溫度每升高10 ℃，化學(xué)反應(yīng)加速2～3倍，在低于40 ℃時(shí)，電子元器件腐蝕速度較慢，這也說(shuō)明本次試驗(yàn)溫度較低，導(dǎo)致電子器件腐蝕不明顯[6]。

根據(jù)阿倫尼烏斯老化機(jī)理可知，在設(shè)備運(yùn)行的最大運(yùn)行溫度時(shí)，電子器件每增高10 ℃，其壽命減半。

結(jié)合腐蝕和電子元器件老化可知，正常鹽霧試驗(yàn)的加速不明顯，應(yīng)提高試驗(yàn)溫度及裝置元器件的溫度。

2）濕度及鹽霧

在三高環(huán)境下，配網(wǎng)測(cè)控保護(hù)裝置金屬外殼在溫度驟變時(shí)極易凝露，電纜口等處密封不良時(shí)，內(nèi)部也極易凝露，凝露后在焊縫、表面處理件表面處理不良時(shí)極易發(fā)生腐蝕，并且在電子元器件表面容易發(fā)生短路事故[7,8]。

如果設(shè)備所處環(huán)境氣體中含有較高濃度的鹽霧時(shí)，該鹽霧極易融入凝露中，形成鹽溶液，此時(shí)金屬極易發(fā)生腐蝕，主要是焊縫、金屬過(guò)渡處（焊縫）等處腐蝕，焊縫處雜質(zhì)較多、金屬過(guò)渡處一般為多種金屬，其腐蝕為不同金屬在高濃度的鹽溶液中發(fā)生電化學(xué)腐蝕，腐蝕原理如下：

陽(yáng)極金屬溶解：M+n·ne→M+n+ne

陰極氫離子還原反應(yīng)：H++e→H H+H→H2

其中腐蝕后產(chǎn)物主要為氧化鐵：

對(duì)國(guó)內(nèi)海島、典型工業(yè)城市氣候進(jìn)行研究，可以發(fā)現(xiàn)廣州地區(qū)的NO2（0.036）、硫酸鹽（0.033）、氨（0.029）濃度遠(yuǎn)大于鹽（0.005 5）濃度，濃度單位為mg·100 cm-2d-1；只有在島嶼處鹽濃度才會(huì)上升至0.556（萬(wàn)山島）。NO2、硫酸鹽、氨等酸性物質(zhì)溶于水時(shí)，其腐蝕大大加速，這導(dǎo)致腐蝕加速老化試驗(yàn)與實(shí)際有較大差距。本次鹽溶液酸堿度接近中性，導(dǎo)致其腐蝕相對(duì)較為緩慢。

配網(wǎng)自動(dòng)化裝置的實(shí)際運(yùn)維統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，“三高”環(huán)境下帶電運(yùn)行的配網(wǎng)自動(dòng)化裝置的壽命遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)壽命。通過(guò)試驗(yàn)分析顯示，主要由腐蝕、高溫導(dǎo)致老化加速，其中腐蝕為微電池腐蝕及酸腐蝕。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，配網(wǎng)自動(dòng)化裝置自身通電，并且離高電壓部分距離較近，這導(dǎo)致外殼有一定的感應(yīng)電壓，電子元器件表面也存在一定的電勢(shì)差[9]，在融溶的鹽溶液、酸溶液中，金屬及雜質(zhì)在電勢(shì)差下形成電解池，快速腐蝕，并且腐蝕達(dá)到一定時(shí)，容易在內(nèi)部及電子元器件上發(fā)生短路事故。

當(dāng)前配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備基本為全密封設(shè)備，在“三高”環(huán)境下，其外殼溫度極易超過(guò)50 ℃，此時(shí)極大地加速了電子元器件的老化和電化學(xué)反應(yīng)速度。

2 配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備加速腐蝕試驗(yàn)改進(jìn)建議

通過(guò)本次腐蝕老化試驗(yàn)及機(jī)理分析可知，針對(duì)配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備的加速腐蝕試驗(yàn)應(yīng)做一下優(yōu)化調(diào)整。

1）在配置鹽霧溶液時(shí)，應(yīng)充分考慮設(shè)備使用地的大氣環(huán)境條件，考慮實(shí)際情況下NO2、硫酸鹽、氨的影響，采用醋酸鹽霧試驗(yàn)，提高試驗(yàn)的嚴(yán)酷程度，盡可能反應(yīng)真實(shí)情況，可以統(tǒng)計(jì)沿海5 km及化工1 km內(nèi)的數(shù)據(jù)；

2）提高試驗(yàn)溫度，加快腐蝕速度，提高對(duì)設(shè)備的考核的嚴(yán)酷度，可以按實(shí)際采集的三高環(huán)境下實(shí)際運(yùn)行最高溫度進(jìn)行老化腐蝕試驗(yàn)；

3）改進(jìn)腐蝕試驗(yàn)裝置，配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備試驗(yàn)時(shí)，接入正常工作電壓，模擬配網(wǎng)自動(dòng)化裝置的真實(shí)工作工況；

4）考慮到靜電感應(yīng)，試驗(yàn)時(shí)在配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備一定距離處，增加帶電感應(yīng)線圈，感應(yīng)線圈電壓可調(diào)；

5）研究不同酸性物質(zhì)、鹽粒等對(duì)腐蝕貢獻(xiàn)度，制定不同污穢等級(jí)下，腐蝕加速試驗(yàn)溶液配比及濃度。

3 總結(jié)

當(dāng)前“三高”環(huán)境下，配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備可靠性較低，主要因防護(hù)不足及表面處理工藝不良導(dǎo)致其快速失效，但目前腐蝕加速試驗(yàn)方法不能真實(shí)的驗(yàn)證設(shè)備的防護(hù)及抗腐蝕能力，這導(dǎo)致產(chǎn)品滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求，但實(shí)際壽命遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)壽命的現(xiàn)狀，尤其在“三高”環(huán)境中。為響應(yīng)數(shù)字南網(wǎng)建設(shè)并提升配電供電可靠性，迫切需要對(duì)現(xiàn)有耐候性加速試驗(yàn)方法及裝置進(jìn)行改進(jìn)。因此本文對(duì)用現(xiàn)有試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)當(dāng)前存在的試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際不匹配現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并提出了后續(xù)改進(jìn)方向和建議。