中压断路器与环境分析

2016-08-24马勇

电气技术与经济 2016年2期

关键词：表面电阻聚酯树脂断路器

马勇

（天水长城开关厂有限公司）

中压断路器与环境分析

马勇

（天水长城开关厂有限公司）

本文在分析运行环境对断路器设计影响和断路器对运行环境影响的基础上，提出了断路器框架等的老化因素，并总结了断路器的环保设计动向。

老化；诊断；环保

0　引言

断路器与环境的关系大致分为从设备运行层面提出的“环境适应性”和断路器本身对外部环境的“环保性”。

从环境适应性看，断路器的运行环境多种多样，包括从适当控制的环境到自然无控制环境。另一方面，从环保性看，断路器从制造、运行一直到寿终处理，给自然环境带来了不可忽视的影响。

1　运行环境

运行环境条件的定量化指标是环境参数。GB/T 4796—2001 《电工电子产品环境参数分类及其严酷程度分级》中规定了环境条件的参数和因素，如图1所示分为气象条件、生物条件、化学活性物质、机械活性物质、流动性污染物质、机械条件、电磁干扰，并确定了每种类型的环境因素。

1.1运行环境的影响

（1）盐雾、潮湿、尘埃、腐蚀性气体等

虽然存在盐雾、潮湿、腐蚀性气体等各种特殊运行条件，但无论哪一种条件，经水分凝结后扩大了其影响程度。由于湿度与污秽的叠加，使绝缘件表面的绝缘电阻降低，漏电加剧，进而引发局部放电。这种情况下需要采用间隔加热器等防凝露对策。其次，腐蚀性气体环境下，金属材料的防腐成为重要课题。

（2）抗震

与断路器密切相关的开关柜标准GB 3906规定，虽然一般地区地震的影响可以忽略，但在地震频发地区需要进行适当的抗震设计。

（3）电磁干扰

图1　环境参数（环境因素）

各种电磁环境中使用的电子器件的电磁干扰对策越来越重要，因此综合考虑电磁干扰（EMI：Electromagnetic Interference，即不释放不需要的带磁波）与电磁抗扰度（EMS：ElectroMagnetic Susceptibility，即使有电磁波影响也不发生误动作）两方面的电磁兼容性（EMC：Electro Magnetic Compatibility）备受重视。关于EMC管理的IEC标准有IEC61000系列标准，日本也发布了JIS C 61000系列21个基础标准和通用标准。

1.2运行环境引起的老化机理讨论

虽然绝缘框架（聚酯树脂）具有表面绝缘性能，但也有因运行环境影响导致绝缘性能降低，进而引发故障的事例。传统的绝缘框架老化机理如图2所示，由于海盐粒子（NaCl）等造成表面污秽，引发表面凝露，并与绝缘件的添加材料碳酸钙（CaCO3）反应，生成潮解性硝酸钙，最终导致绝缘击穿。但由于聚酯树脂本身的疏水性，具有表面很难凝露的特性。

图2　绝缘框架的老化机理

以前曾将生成硝酸的增加作为绝缘击穿主要因素，但据报道，聚酯树脂本身通过水解，表面亲水基增加，变得易于凝露，导致表面电阻降低，最终引发绝缘击穿。

根据框架部分聚酯树脂水解老化的机理，认为环境中存在某种老化加速因素的催化媒。因此对退出运行产品的绝缘框架进行了表面电阻测量和红外分光分析，并对曾经运行的变电站环境中腐蚀性气体（NOx、SO2、H2S）的浓度和污秽程度进行了测量。

图3所示为利用双环电极表面电阻测量法进行表面电阻测量的示例。该示例对运行30年的绝缘框架在高温高湿环境下的局部放电区域进行了确认。图4给出了运行30年的绝缘件的表面电阻—温湿度特性。另外，图5给出了退出运行产品的表面和截面的IR分析结果。

图3　运行30年绝缘框架的表面电阻测量（湿度为95%）

图4　运行30年绝缘框架的表面电阻—温湿度特性

图5　不同运行年数绝缘框架的IR分析结果

研究人员对曾经设置这些退出运行产品的变电站进行了环境条件调查，其污秽度离子与腐蚀性气体分析结果见表1。

表1　退出运行产品的原运行环境调查结果

一般运行环境中存在氯（Cl）等卤族成分，但本次调查对象是户内变电站的污秽物，检测出的盐酸根离子（Cl离子）较少，而硫酸根离子（SO42-）和亚硫酸根离子（SO2）较多。亚硫酸根离子作为污秽物质，是水解引起老化加速的因素之一。

根据对撤出运行产品的调查可知：

1）绝缘框架的局部放电重现试验与利用IR发现的亲水基密切相关，因此获得聚酯树脂的亲水基数据，可以定量掌握绝缘老化情况。

2）检测出变电站室内硫酸根离子较多，是加速水解老化的环境因素。

3）真空断路器绝缘框架因聚酯树脂本身水解引起老化，发生局部放电最终导致绝缘击穿。在户外柜体连续强制通风导致湿润，或易受户外环境影响的情况下可能发生这类老化。

4）真空断路器的绝缘框架老化机理可判定为聚酯树脂本身水解引起老化，发生局部放电最终导致绝缘击穿。

3　对环境的影响

BCB、石棉等本身一直存在公害问题，但根据社会需求在断路器生产中仍在使用，近年来随着环保对策的加强，工业领域从民用品到工业用品都认识到了环保的必要性，采取了各种环保对策。

3.1RoHS指令与断路器

（1） RoSH指令与WEEE指令

第四天，我公布了增设的一些班主任助理岗位，其中小艺是语文助理，主要负责检查同学们的语文预习和作业订正情况。从此，教室里经常能看到小艺认真检查的身影，哪个同学没有订正，谁的作业有错别字，甚至哪些地方书写不规范都逃不过她的火眼金睛。我及时在班上公开表扬了小艺等班主任助理，号召全体成员向他们学习，人人来当小助理，协助老师一起管理好班级。慢慢地，学生作业做得更加认真了，拖欠作业的情况也好转了。一次，小艺妈妈QQ给我留言：老师，谢谢您的理解和鼓励，小艺现在又爱上语文课了！

所谓RoSH指令是指“在电子电气设备中限制使用某些有害物质的指令”。2006年7月以来禁止制造、销售铅（Pb）、水银（Hg）、镉（Cd）、六价铬（Cr6+）、多溴联苯（PBB）、多溴二苯（PBDE）含量超标的特定电气电子设备。

断路器未包含在该对象之列。另外，交流10000V以上产品不属于其管制对象，因此断路器相对RoSH指令的对策，由各制造商自主实施。相关的WEEE指令是有关报废的电气电子设备指令，无论RoSH指令还是WEEE指令，都是为了人身健康和环境保护，限制有害物质的使用，有效管理电气电子设备的再利用和废弃。RoSH指令及WEEE指令的对象产品分为表2所示的1～10类。其中第8类和第9类正在讨论修订。

（2）断路器的对策

断路器预期寿命长，可靠性要求高，因此单纯的零部件更换很难适应RoSH指令。对于端子排等通用件可通过单独改进以满足RoSH指令，但其他结构件的电镀处理存在差异。螺钉、螺母及内部结构件需要电镀处理，镀后的铬酸盐处理中含有六价铬。最近采用三价铬的技术取得了进展。

基材有时选用黄铜，对于黄铜，含铅量为4%（重量百分比）以下铜合金中的铅，不在上述指令适用范围之列。

关于表面喷涂，如表3所示，目前的涂料中含有三聚氰胺树脂（溶剂）、聚氨酯、丙烯树脂、粉末等，有机溶剂所含的芳香族烃溶剂对人体的影响、三聚氰胺树脂释放的微量甲醛、挥发性有机化合物VOC的产生等环保问题，没有纳入RoSH指令范围，而依赖于制造商的自主对策。其次，红色涂料中含有镉，正在讨论将其改为迈歇尔色。

表2　RoSH及WEEE指令对象分类

表3　主要制造商的涂装情况

断路器由很多结构零部件和材料构成，所有零部件和材料都按RoSH指令对应选择尚有困难，但各零部件和材料逐步换用满足RoSH指令产品比较符合实情。另外，辅助回路的零部件和材料，大多也用于断路器以外RoSH指令管制对象之内的产品，由于这些领域RoSH指令对策的快速使用，因此即使在断路器方面，这些对策也得到快速推广。采用满足RoSH指令零部件和材料时，尤其应注意以下事项。

（1）境适应性

气体环境中三价铬的腐蚀问题。

（2）抗震强度

采用无铅焊料，与传统焊接产品相比，抗震强度降低。

（3）经年老化

对于新采用的材质，需要通过加速老化试验进行验证。

3.2环保性

在追求经济型和可靠性的同时，还应重视环保性。开关设备很早就开始使用真空断路器等真空开关，我国真空开关的比例达到80%以上。为实现开关设备的小型化，以真空灭弧室的外绝缘为课题，一般采用绝缘性能优越的SF6气体，进一步实现了小型化，减少了功率损耗和制造过程的能量消耗。这种情况下需要提高密封性能，并采用SF6回收装置，即可减少漏气量。另外，近年来开始采用干燥空气、固体绝缘方式代替SF6气体绝缘方式。