高湿环境下电气接点动作缺陷消除途径研究

蔡之文，洪元瑞，罗 莎，陈俊杰，张金丽，刘云磊，许 行

(1.杭州科宏仪器仪表有限公司，杭州 311122；2.国家电网公司华东分部，上海 200120；3.国网上海电力科学研究院，上海 200437)

2012年至2016年期间，华东某地9个500 kV变电站的主变压器配套温度计累计发生了25次保护接点缺陷。据相应历史气象数据显示，这25例缺陷故障中有16例(占64%)是发生在雨天高湿环境条件下(见表1)，为了分析验证环境条件对电接点误动的影响机理，从根本上解决电气接点缺陷导致的保护误动及拒动，制定相应方案并开展了针对性分析试验工作。

1 故障分析及解决方法

首先从运行现场环境条件、微动开关防护等级、温度计外壳结构等方面对电气接点动作影响进行分析，从而提出解决方法。

1.1 环境条件引发电气接点动作缺陷的主要影响因子

(1)凝露影响。凝露是一种当试验样品表面温度低于周围空气的露点温度时，水蒸汽在该表面上析出(即由气态转变为聚集液态)的自然现象。产生凝露的条件主要取决于空气相对湿度和环境温度与试验样品之间的温差；相对湿度越高，凝露所需的温差越小，如表2所示，当相对湿度为90%时，温差超过1.6℃即会产生凝露。在达到凝露环境条件时，现场微动开关触点间受凝结水滴影响，导致绝缘性能下降，从而引发电气接点误动缺陷。

表1 主变压器配套温度计历史缺陷清单

表2 凝露产生所需温差与相对湿度的关系1)

注：1)此数据是空气温度为0～35℃所获得值的平均值

(2)雾天影响。雾天是在大气稳定条件下空气相对湿度达到100%时，温度下降后空气中水气凝结成细微水滴悬浮于半空中的天气现象。长时间在100%相对湿度条件下工作，更易在温度计内部产生凝露，影响微动开关触点间的绝缘性能，从而引发电气接点误动缺陷。

(3)雾霾影响。雾霾是在雾天条件下空气中遭遇大量微小粉尘的天气现象，雾霾条件下更容易产生凝露，考虑到很多粉尘具有良好的电导率，雾霾环境条件下工作的微动开关金属触点间绝缘受导电粉尘影响，绝缘性能下从而引发电气接点误动缺陷。

(4)盐雾影响。图1地理数据显示，表1中25例故障温度计运行现场平均距离海洋不足40 km，属于典型近海气候，空气中含盐量较高。近海气候环境(如图1所示)尤其在东北风或东南风条件下极易形成盐雾天气。盐雾中存在呈湿润性颗粒盐核，直径小于2μm的盐核很容易进入温度计及微动开关内部，盐雾环境条件下工作的微动开关金属部件被盐雾腐蚀破坏，引发电气接点拒动、误动缺陷。

图1 故障温度计变电站距离海洋位置

1.2 温度计接点动作缺陷风险源

从温度计本体分析，其电气接点动作缺陷风险源主要来自以下两个方面。

(1)设备外壳防护不足。设备外壳防护等级关系到环境条件对仪表内部运行工况的影响。大多数变压器使用压力式温度计进行温度测量保护，为保证压力式温度计测量准确，温度计内部需始终维系在一个大气压条件下，温度计表壳需要与大气贯通，目前温度计外壳防护等级均为IP55。当环境条件比较恶劣时，潮湿空汽(包括粉尘、盐核)充满整个表壳内腔，当温度计内部元件温度下降至露点温度以下时，内部将产生凝露，凝露导致温度计内部负压将持续吸入周围高湿空气并在温度计内部产生更多凝露，从而导致接点动作缺陷。

(2)微动开关外壳防护不足。微动开关的本身防护直接关系着接点动作的可靠。微动开关按外壳按保护型式分类分开启式(图2a)和防护式(半封闭式图2b，密封式图2c), 其中开启式和半封闭式的外壳防护等级均为IP00，国内行业标准推荐使用条件为相对湿度≤90%(5～35℃无凝露条件下)，目前电网运行中的进口或国产温度计绝大多数均使用IP00微动开关，因此凝露水滴、霾、盐雾等环境造成的外界影响可以直接导致开关电气接点动作缺陷。

图2 常用微动开关外壳防护型式

1.3 接点动作缺陷消除方法

为了消除接点动作缺陷，可以将温度计安装在相对独立的仪表柜内，便于采取进一步措施消除或降低动作缺陷。具体方法如下：

(1)通过加热使得柜内温度保持恒温，排除因温度差而产生的凝露风险。

(2)通过排风抽湿使得柜内保持湿度，排除因湿度较大而产生的凝露风险。

表3 开关动作状态实时监测记录

(3)用防护等级高的微动开关，直接排除外部环境影响。

(4)采取组合开关的防错设计，降低动作缺陷发生概率。对于跳闸电接点可采取三选二防错逻辑结构来降低电接点误动缺陷(假设单个开关误动概率为0.1%，三选二防错逻辑结果构的误动概率仅为0.000 298%，风险下降300多倍)。

2 试验及验证

本文针对以上缺陷因素及消除途径，选取不同外壳防护水平微动开关的温度计开展试验验证，具体方法如下：

(1)将3台四开关型温度计(分别使用开启式、密封式和防水型开关)按固定在湿热试验箱内(见图3)，将所有温度开关均设置在试验温度范围之外；

(2) 将3台温度计的4个开关通过电缆线引出到恒温试验箱外，为在试验过程中能及时捕获误动现象，将开关引线接入开关误动监测装置(图4)，开关动作后装置将锁定状态；

(3)按GB/T 2423—2006(等同IEC 60068-2001)《电工电子产品环境恒定湿热试验：》要求，进行温度为(40±2)℃，相对湿度为(93±3)%，为期4天的湿热试验，试验中以3 h/次的间隔观察开关误动指示灯是否报警。

从验证试验结果来看(见表3)，开启式微动开关在试验中有3个接点均发生误动，而采用密封式和防水型微动开关的温度计均保持正常，所以说明环境条件、微动开关的选型直接影响电气接点动作缺陷的发生。

图3 开关动作监测装置

3 结语

为了避免开关动作缺陷，变压器压力式温度计及其他户外测控装置电气接点在选取时应充分考虑高湿环境因素。建议：(1)在变压器招投标环节应明确要求变压器温度计使用IP67防水型开关，杜绝高湿水汽或凝露水滴进入开关内部引发保护误动、拒动事故；(2)温度计应安装在具有加温和除湿功能的控制柜内，通过破坏温度计内产生凝露的必要条件来杜绝温度保护接点误动事故；(3)推荐选用三选二防错逻辑来降低保护接点误动风险，确保电气保护安全可靠。