西门子系列隔离开关机构箱元器件锈蚀机理研究及改进措施

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(1.广西电网有限责任公司南宁供电局，广西 南宁 530031;2.广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004)

1 引言

高压隔离开关是电力系统一次主要分段设备，其运行状况的好坏直接影响电能的传输、分配、系统的安全可靠运行。由于隔离开关经常进行倒闸操作，所以其机械性能的优劣至关重要，机械性能的正常与否决定着隔离开关分和位置、触头电阻、部件受力等典型故障的发生，而机械性能很大程度上取决于操动机构。隔离开关操作机构中包含有电动机、各类继电器及二次回路等，其中任何一个元器件故障都会导致机构无法运作，给电力设备运行带来很大的安全风险。在所有故障中，二次元器件锈蚀引起的设备拒动或误动尤为普遍。

近年来，南宁网区的西门子系列隔离开关因操动机构内二次元器件受潮造成铜质触点氧化锈蚀，引发的隔离开关拒分合故障达几十次。该类故障频发对设备的安全运行及人员操作安全造成了严重的影响。因此，对该系列隔离开关操动机构中元器件锈蚀原因分析，进而探求有效的解决方法，从而提高设备的运行可靠性。

2 现状调查

目前，南宁供电局在运的110kV及以上西门子户外隔离开关共有240台，这些设备的运行为南宁电网的提供了强有力的支持，为南宁电网做出了很大的贡献。该类隔离开关采用西门子(杭州)高压开关有限公司生产的MA电动操作机构，该类设备在近几年的运行过程中多次发生无法电动操作刀闸的缺陷，严重影响设备的安全稳定运行。采用的机构经对2008年后投运的西门子刀闸缺陷综合梳理，发现仅四个变电站运行的该类型机构的缺陷就达40余条，其缺陷发生率远高于其他厂家的设备，且该类故障设备均未达到定检周期或机械寿命周期。通过故障统计分析，发现这些缺陷存在许多共性，如：机构箱内蚂蚁导致接触器接触不良；电气元器件触点氧化严重导致无法正确动作等，造成设备缺陷，其中辅助开关和分(合)闸接触器故障的几率较大。经检修人员检查，该类设备机构箱内普遍存在受潮的情况，接触器表面有发霉的现象。对故障的辅助开关解体发现，铜质触点均发生不同程度的氧化，有的甚至粘连在一起，如图1所示。

图1 故障接触器解体图

3 机构箱内元器件锈蚀原因分析

当前，电力系统使用的继电器及辅助开关内部一般为银基或铜基触点，其中银基触点具有良好的导电性、耐电磨损和抗熔焊性等特点，但其价格昂贵，每年用于生产银触点的用银量占银消耗量的25%～30%[1]。为了降低生产成本，目前该类元器件中主要采用成本较低的铜金属材料作为其触点。而影响金属材料锈蚀的主要因素主要有：(1)金属材料本身的化学成分和结构；(2)金属表面光洁度(氧浓度差电池腐蚀)；(3)金属表面接触的溶液成分及PH值；(4)环境温度和湿度；(5)金属表面接触的各种环境介质。这五类影响因素中前两者为内因，而后三者属于外因。通过对隔离开关操动机构故障统计分析可知，因内因导致元器件故障的情况占很少一部分，大多都是由外因引起，而外因中引起该系列隔离开关机构箱中元器件金属触点锈蚀的主要是外部介质(蚂蚁)入侵粘连在金属触点表面以及机构箱内温度和湿度三个方面。

3.1 外部介质(蚂蚁)入侵粘连在金属触点表面

2010年在对某变电站110kV隔离开关故障处理中发现，机构箱内接触器卡涩，解体后发现其中白蚁附着在铜触点表面，造成生锈粘连。造成该类现象的原因是接触器铜质触点上的腐蚀媒(蚂蚁或蚁卵等)在高温及水分的作用下形成低级羧酸[2]，低级羧酸与铜质触点发生反应造成生锈。并且这种现象会随着温度的升高越发明显。

3.2 温度影响

温度对锈蚀的影响并不是孤立的，同时也受到相对湿度的影响。当金属材料存放环境相对湿度较低时，温度升高时金属不易锈蚀。研究证明，当空气相对湿度超过65%时，温度升高对金属锈蚀速度起到加速的作用，主要是因为热能加速了电化学反应的进行，同时温度升高能减轻阴极的极化作用。但当气温升至80℃时，由于氧在水膜中的溶解度明显下降，金属锈蚀反而收到抑制。

此外，气温的骤变对金属材料锈蚀的影响也比较大。当温度骤降时，在绝对湿度较大的情况下就极易可能在金属表面发生结露现象，从而导致锈蚀的加速。

图2为2015年4月在某站对两台110kV隔离开关机构箱内温度统计表，从图中可以看出由于加热器的缘故，机构箱内平均温度超过30℃，且高于环境最高温度平均值，机构箱内部属于高温环境。

图2 某站2015年4月份隔离开关机构箱内温度统计表

3.3 湿度影响

空气湿度引起金属材料的锈蚀主要是潮湿大气锈蚀。潮湿大气锈蚀实在金属表面形成的水膜下发生的电化学反应。电气设备中的导电金属受腐蚀后，将严重降低设备的性能和使用寿命。当相对湿度达到一定数值后，金属的腐蚀会突然加快。在工程上，把这一湿度称为临界湿度，其中铜的临界湿度为60%，铝为76%，铁为63%。

每年2月至4月期间南宁地区天气潮湿，空气湿度达到90%以上甚至湿气达到饱和，由于隔离开关机构箱电缆管或箱体密封不严，地表的水蒸汽从底部进入机构箱，且其内部空间紧凑，对流孔偏小，对流不畅，导致机构箱内水蒸气聚积。此外，该辅助开关为非真空式，易造成水蒸气进入，辅助开关内部的凹槽式设计也易造成凝露。在这种情况下，空气湿度远大于铜的临界湿度，机构箱内元器件的铜质触点加速生锈，且部分凝露又加剧了其潮湿大气锈蚀的速度，极易造成元器件故障。

同样，对某站机构箱的湿度进行统计，结果如图3所示。从图中可以看出，当月空气湿度平均值超过80%，机构箱内相对湿度超过70%，远超于铜的临界湿度60%，造成机构箱中铜质触点生锈。

上述三种影响因素中，湿度和温度二者的相互作用是造成该系列隔离开关机构箱内元器件锈蚀的主要原因，因此本文主要从箱内湿度的抑制着手来解决。

4 机构箱除湿装置改造

机构箱中加热元件一般由温湿度控制器来控制，当湿度和温度达到设定值时，控制器启动加热元件，从而对机构箱内水分进行干式蒸发，这种加热方式普遍出现温控器工作不正常、加热器损坏等问题。而对于西门子系列隔离开关而言，其机构箱内无温湿度控制装置，加热器的起停仅由加热空气开关控制，且其结构紧凑，在南方的湿热天气里，地表的水蒸汽从底部进入机构箱后，对流孔偏小，对流不畅，导致蒸发的水分附着在机构箱箱体出现凝露等现象，凝露现象又加快了机构箱内继电器铜质触点锈蚀。

为了改善设备的运行环境，对机构箱内防潮方式进行改造，通过外加智能型除湿器的方式来改善箱内相对湿度较高的情况，如图4所示。由于该系列隔离开关机构内加热器安装在机构底部，采用改造方式后很好地改善了加热器蒸发的水分上升过程中凝露的情况，且使得机构箱内相对湿度保持在相对较低的范围，从而抑制了箱内元器件铜质触点的锈蚀，2015年6月某站机构箱湿度统计如图5所示。从图中可以看出，加装除湿器后，机构箱内相对湿度降低近20%，湿度得到了有效的控制，从而也抑制箱内铜质触点的锈蚀。自2015年6月至2016年6月间，加装除湿器的机构箱故障率下降60%，有效的提高了设备运行可靠性。

图4 机构箱加装除湿器效果图

5 结论及展望

本文对西门子系列隔离开关机构箱中元器件锈蚀原因进行了分析，结合机构箱本身结构进行除湿方式改造，很好地抑制了湿度等关键因素的影响，通过加装智能型除湿器的改进方法降低了机构箱内湿度，保证了设备的可靠运行。

图5 某站隔离开关机构箱加装除湿器后湿度统计

尽管加装除湿装置的方法可以降低机构箱内湿度，但在环境湿度超过80%时，箱内湿度仍然大于60%，超过铜的临界湿度，加之在6～9月份南宁地区环境温度平均值超过30℃，且有些月份超过35℃，在这种环境下机构箱内铜质触点的锈蚀仍然严重，单纯依靠改变外因来抑制铜质触点锈蚀有一定局限性。目前，在铜基体中引入第二相来提高其防氧化锈蚀的能力是低压电器用铜质触点材料研究的热点[3-6]，所以通过改变内因来抑制机构箱内铜质触点锈蚀亦是一个方向，如在铜中添加钒、钨等可实现铜合金腐蚀点位正移，从而使得耐腐蚀性能得到明显提高。因此，随着该类研究的推进，选择合适的导电第二相形成的铜基合金是抑制高温高湿环境下元器件触点锈蚀的另一种有效解决方法。