柱上SF₆負(fù)荷開關(guān)可靠性應(yīng)用探究

摘要：從戶外柱上SF6負(fù)荷開關(guān)的應(yīng)用環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，介紹了戶外柱上開關(guān)的運行現(xiàn)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(guān)鍵詞：戶外負(fù)荷開關(guān)；可靠性；環(huán)境等級；腐蝕

中圖分類號：TM564.2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(wǎng)的日趨完善，用戶對線路配套開關(guān)設(shè)備的可靠性運行要求也越來越高。其中，戶外柱上負(fù)荷開關(guān)作為一種12～24 kV柱上開關(guān)設(shè)備，具備一定的可開斷負(fù)荷電流及關(guān)合故障電流能力，適用于傳統(tǒng)架空線路和帶絕緣導(dǎo)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(yuǎn)程控制箱，易實現(xiàn)多種配網(wǎng)自動化方案，兼具應(yīng)用靈活性和經(jīng)濟(jì)性，在全球被廣泛使用。

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

通過對全球各地區(qū)柱上開關(guān)運行的調(diào)查了解得知，諸多用戶遇到了負(fù)荷開關(guān)在運行若干年后性能下降、功能老化等問題。在進(jìn)一步對戶外負(fù)荷開關(guān)大量實際應(yīng)用案例的研究基礎(chǔ)上，本文通過采用系統(tǒng)的六西格瑪（DMAIC）分析模式，提出了貼合實際應(yīng)用的應(yīng)對老化問題的方案和建議，同時介紹了創(chuàng)新性的密封檢測方法，能在保證每臺戶外負(fù)荷開關(guān)機(jī)構(gòu)密封性能的同時，具備優(yōu)異的長期可靠運行能力。

1? ? 戶外柱上負(fù)荷開關(guān)結(jié)構(gòu)和特點[1]

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

2? ? 柱上負(fù)荷開關(guān)可靠性現(xiàn)狀

對于全球各家負(fù)荷開關(guān)廠商旗下的產(chǎn)品，在正式投入生產(chǎn)之前，均已通過型式試驗方式完成了電氣技術(shù)要求和機(jī)械壽命次數(shù)的完整驗證。

ABB公司是電力和自動化技術(shù)領(lǐng)域廠商，其生產(chǎn)的戶外柱上SF6負(fù)荷開關(guān)NXB為免維護(hù)型負(fù)荷開關(guān)，具備主流的電氣技術(shù)參數(shù)，主要為：（1）電壓等級12～24 kV；（2）額定電流630 A；（3）有功負(fù)載開斷電流630 A；（4）額定壽命次數(shù)5 000次；（5）防護(hù)等級IPX7水下1 m可以浸泡30 min[2]。經(jīng)過多年的發(fā)展，公司已有數(shù)萬臺負(fù)荷開關(guān)應(yīng)用在國內(nèi)外中壓電力系統(tǒng)中。

“質(zhì)量至上”是ABB公司的經(jīng)營理念，公司會不定期對生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行可靠性和全生命周期調(diào)研。在此前一次針對戶外柱上SF6負(fù)荷開關(guān)的運行可靠性調(diào)研和評估中，了解到產(chǎn)品運行存在異常表現(xiàn)，通過進(jìn)一步收集產(chǎn)品的售后服務(wù)記錄和客戶的反饋信息并系統(tǒng)分析，了解到負(fù)荷開關(guān)操作機(jī)構(gòu)出現(xiàn)批量老化異常，甚至影響產(chǎn)品正常功能。

2.1? ? 典型可靠性問題

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，分布在新西蘭、阿根廷、澳洲、巴西、智利的柱上SF6負(fù)荷開關(guān)，集中性出現(xiàn)操作機(jī)構(gòu)銹蝕、進(jìn)水問題，如圖1所示。

經(jīng)過調(diào)查了解，這些區(qū)域多數(shù)產(chǎn)品具有如下共同特征：（1）自產(chǎn)品開始投入使用，在戶外運行超過四年；（2）操作機(jī)構(gòu)部位出現(xiàn)不同程度老化，甚至外殼漆層掉落，部分機(jī)構(gòu)操作桿被腐化漆層粘滯卡住無法合分操作；（3）部分操作機(jī)構(gòu)密封失效，內(nèi)部進(jìn)水潮濕，機(jī)構(gòu)部件銹蝕無法操作。

以上問題嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的運行可靠性，因此緊急成立了以技術(shù)和質(zhì)量為主導(dǎo)的團(tuán)隊，目的在于針對柱上負(fù)荷開關(guān)操作機(jī)構(gòu)外殼腐蝕及機(jī)構(gòu)進(jìn)水問題進(jìn)行系統(tǒng)性調(diào)查分析，提出改進(jìn)措施和驗證，消除質(zhì)量隱患。

2.2? ? 問題原因分析

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

2.2.1? ? 環(huán)境方面問題（環(huán)境）

通過對集中性問題爆發(fā)地區(qū)的環(huán)境進(jìn)行調(diào)查了解，發(fā)現(xiàn)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(huán)境具有高濕、高鹽特點。參照環(huán)境等級（ISO 12944-2）劃分方法[3]，這些地區(qū)環(huán)境等級接近或?qū)儆贑X——極其苛刻，而戶外負(fù)荷開關(guān)機(jī)構(gòu)漆層防腐等級設(shè)計一般僅為C3，不適用于特殊區(qū)域，例如CX環(huán)境等級。

2.2.2? ? 機(jī)構(gòu)密封圈類型不適用（物料）

對現(xiàn)場問題負(fù)荷開關(guān)所有密封部位進(jìn)行詳細(xì)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(jī)構(gòu)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(guān)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(qiáng)；（2）三元乙丙橡膠（EPDM）耐氧化、抗硫化、抗臭氧和抗侵蝕能力優(yōu)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(yán)苛的環(huán)境。

2.2.3? ? 密封功能檢測不完整（方法）

戶外SF6負(fù)荷開關(guān)防水等級為IPX7，然而該防水等級的驗證測試僅在產(chǎn)品型式試驗時進(jìn)行。由于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)未做強(qiáng)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(chǎn)中無法把負(fù)荷開關(guān)逐臺投入水中進(jìn)行IPX7檢測。當(dāng)生產(chǎn)裝配制程或密封材料出現(xiàn)異常，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)密封不合格時，無法在產(chǎn)品出廠前及時發(fā)現(xiàn)，因而產(chǎn)品投入現(xiàn)場使用一段時間后即出現(xiàn)操作機(jī)構(gòu)進(jìn)水、內(nèi)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(yīng)的解決方案。

3.1? ? 操作機(jī)構(gòu)耐腐蝕方案

首先正確識別產(chǎn)品所使用的地區(qū)環(huán)境等級，參考國際環(huán)境等級（ISO 12944-2），應(yīng)用在高鹽、高濕的CX地區(qū)時，負(fù)荷開關(guān)操作機(jī)構(gòu)外殼的防腐蝕等級需由原來的C3提升至CX，使產(chǎn)品能夠適用于CX環(huán)境，特別是海岸線周邊的應(yīng)用場合。

在提升負(fù)荷開關(guān)操作機(jī)構(gòu)外殼防腐等級至CX的過程中，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗，可特別關(guān)注如下過程工藝，便于一次性通過嚴(yán)苛的環(huán)境試驗驗證，即老化循環(huán)驗證。

3.1.1? ? 操作機(jī)構(gòu)材料

殼體可采用鋁合金鑄件，根據(jù)ENAC-44300[4]壓鑄鋁合金的化學(xué)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(xiàn)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(yīng)滿足GB/T 9286—1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗》常規(guī)要求。

3.1.4? ? 驗證測試

噴涂外殼應(yīng)進(jìn)行一次環(huán)境老化循環(huán)測試并通過，即ISO 12944-9—2018《防護(hù)漆對金屬結(jié)構(gòu)的防腐 第9部分? 防護(hù)漆體系和實驗室性能試驗方法》[5]規(guī)定的4 200 h老化循環(huán)驗證測試，其中一個循環(huán)包含72 h紫外線輻射、72 h中性鹽霧及24 h低溫環(huán)境暴露測試，共計25個循環(huán)，如圖3所示。

3.2? ? 操作機(jī)構(gòu)密封圈材料

根據(jù)對丁腈橡膠（NBR）和三元乙丙橡膠（EPDM）優(yōu)缺點的比對，對于暴露在外部環(huán)境中的密封圈，材料應(yīng)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(jī)構(gòu)密封功能測試

戶外產(chǎn)品的密封性能為產(chǎn)品關(guān)鍵性能之一，需要進(jìn)行嚴(yán)格的把控。

基于國標(biāo)GB/T 4208—2017《外殼防護(hù)等級（IP代碼）》要求，操作機(jī)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行IPX7防水等級測試以驗證密封性能。從應(yīng)用層面考慮，試驗方法可以采用創(chuàng)新性的負(fù)壓檢測替代較為復(fù)雜的1 m水深1 min的沉水測試。負(fù)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(jī)構(gòu)箱抽取空氣產(chǎn)生一定的負(fù)壓值后，切斷負(fù)壓泵，保持1 min，過程中通過空氣壓力傳感器監(jiān)視操作機(jī)構(gòu)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(fù)壓值的設(shè)定依據(jù)：根據(jù)GB/T 4208—2017《外殼防護(hù)等級（IP代碼）》1 m水深壓強(qiáng)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(fù)壓值為0.01 MPa。

4? ? 結(jié)束語

隨著配網(wǎng)自動化的進(jìn)一步實施推廣，戶外柱上開關(guān)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用數(shù)量將越來越龐大，其體現(xiàn)的作用也會越來越明顯。而可靠性防腐方案的應(yīng)用及密封性的有效檢測，為產(chǎn)品在嚴(yán)苛環(huán)境下長期穩(wěn)定運行奠定了基礎(chǔ)，為用戶使用的安全性、經(jīng)濟(jì)性提供了保證，對外也確保了公司的優(yōu)質(zhì)服務(wù)水平和品牌形象，使產(chǎn)品有了更廣闊的發(fā)展前景。

[參考文獻(xiàn)]

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

[2] 外殼防護(hù)等級（IP代碼）：GB/T 4208—2017[S].

[3] 防護(hù)漆對金屬結(jié)構(gòu)的防腐 第2部分 環(huán)境分類：ISO 12944-2—2018[S].

[4] 壓鑄鋁合金的化學(xué)成分和力學(xué)性能表：ENAC-44300[Z].

[5] 防護(hù)漆對金屬結(jié)構(gòu)的防腐 第9部分 防護(hù)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(xué)民（1983—），男，福建廈門人，工程師，研究方向：電力產(chǎn)品可靠性應(yīng)用和持續(xù)優(yōu)化。