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        中壓斷路器與環(huán)境分析

        2016-08-24 03:04:28
        關(guān)鍵詞:表面電阻聚酯樹脂斷路器

        馬 勇

        (天水長城開關(guān)廠有限公司)

        中壓斷路器與環(huán)境分析

        馬 勇

        (天水長城開關(guān)廠有限公司)

        本文在分析運(yùn)行環(huán)境對(duì)斷路器設(shè)計(jì)影響和斷路器對(duì)運(yùn)行環(huán)境影響的基礎(chǔ)上,提出了斷路器框架等的老化因素,并總結(jié)了斷路器的環(huán)保設(shè)計(jì)動(dòng)向。

        老化;診斷;環(huán)保

        0 引言

        斷路器與環(huán)境的關(guān)系大致分為從設(shè)備運(yùn)行層面提出的“環(huán)境適應(yīng)性”和斷路器本身對(duì)外部環(huán)境的“環(huán)保性”。

        從環(huán)境適應(yīng)性看,斷路器的運(yùn)行環(huán)境多種多樣,包括從適當(dāng)控制的環(huán)境到自然無控制環(huán)境。另一方面,從環(huán)保性看,斷路器從制造、運(yùn)行一直到壽終處理,給自然環(huán)境帶來了不可忽視的影響。

        1 運(yùn)行環(huán)境

        運(yùn)行環(huán)境條件的定量化指標(biāo)是環(huán)境參數(shù)。GB/T 4796—2001 《電工電子產(chǎn)品環(huán)境參數(shù)分類及其嚴(yán)酷程度分級(jí)》中規(guī)定了環(huán)境條件的參數(shù)和因素,如圖1所示分為氣象條件、生物條件、化學(xué)活性物質(zhì)、機(jī)械活性物質(zhì)、流動(dòng)性污染物質(zhì)、機(jī)械條件、電磁干擾,并確定了每種類型的環(huán)境因素。

        1.1運(yùn)行環(huán)境的影響

        (1)鹽霧、潮濕、塵埃、腐蝕性氣體等

        雖然存在鹽霧、潮濕、腐蝕性氣體等各種特殊運(yùn)行條件,但無論哪一種條件,經(jīng)水分凝結(jié)后擴(kuò)大了其影響程度。由于濕度與污穢的疊加,使絕緣件表面的絕緣電阻降低,漏電加劇,進(jìn)而引發(fā)局部放電。這種情況下需要采用間隔加熱器等防凝露對(duì)策。其次,腐蝕性氣體環(huán)境下,金屬材料的防腐成為重要課題。

        (2)抗震

        與斷路器密切相關(guān)的開關(guān)柜標(biāo)準(zhǔn)GB 3906規(guī)定,雖然一般地區(qū)地震的影響可以忽略,但在地震頻發(fā)地區(qū)需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)目拐鹪O(shè)計(jì)。

        (3)電磁干擾

        圖1 環(huán)境參數(shù)(環(huán)境因素)

        各種電磁環(huán)境中使用的電子器件的電磁干擾對(duì)策越來越重要,因此綜合考慮電磁干擾(EMI:Electromagnetic Interference,即不釋放不需要的帶磁波)與電磁抗擾度(EMS:ElectroMagnetic Susceptibility,即使有電磁波影響也不發(fā)生誤動(dòng)作)兩方面的電磁兼容性(EMC:Electro Magnetic Compatibility)備受重視。關(guān)于EMC管理的IEC標(biāo)準(zhǔn)有IEC61000系列標(biāo)準(zhǔn),日本也發(fā)布了JIS C 61000系列21個(gè)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)和通用標(biāo)準(zhǔn)。

        1.2運(yùn)行環(huán)境引起的老化機(jī)理討論

        雖然絕緣框架(聚酯樹脂)具有表面絕緣性能,但也有因運(yùn)行環(huán)境影響導(dǎo)致絕緣性能降低,進(jìn)而引發(fā)故障的事例。傳統(tǒng)的絕緣框架老化機(jī)理如圖2所示,由于海鹽粒子(NaCl)等造成表面污穢,引發(fā)表面凝露,并與絕緣件的添加材料碳酸鈣(CaCO3)反應(yīng),生成潮解性硝酸鈣,最終導(dǎo)致絕緣擊穿。但由于聚酯樹脂本身的疏水性,具有表面很難凝露的特性。

        圖2 絕緣框架的老化機(jī)理

        以前曾將生成硝酸的增加作為絕緣擊穿主要因素,但據(jù)報(bào)道,聚酯樹脂本身通過水解,表面親水基增加,變得易于凝露,導(dǎo)致表面電阻降低,最終引發(fā)絕緣擊穿。

        根據(jù)框架部分聚酯樹脂水解老化的機(jī)理,認(rèn)為環(huán)境中存在某種老化加速因素的催化媒。因此對(duì)退出運(yùn)行產(chǎn)品的絕緣框架進(jìn)行了表面電阻測量和紅外分光分析,并對(duì)曾經(jīng)運(yùn)行的變電站環(huán)境中腐蝕性氣體(NOx、SO2、H2S)的濃度和污穢程度進(jìn)行了測量。

        圖3所示為利用雙環(huán)電極表面電阻測量法進(jìn)行表面電阻測量的示例。該示例對(duì)運(yùn)行30年的絕緣框架在高溫高濕環(huán)境下的局部放電區(qū)域進(jìn)行了確認(rèn)。圖4給出了運(yùn)行30年的絕緣件的表面電阻—溫濕度特性。另外,圖5給出了退出運(yùn)行產(chǎn)品的表面和截面的IR分析結(jié)果。

        圖3 運(yùn)行30年絕緣框架的表面電阻測量(濕度為95%)

        圖4 運(yùn)行30年絕緣框架的表面電阻—溫濕度特性

        圖5 不同運(yùn)行年數(shù)絕緣框架的IR分析結(jié)果

        研究人員對(duì)曾經(jīng)設(shè)置這些退出運(yùn)行產(chǎn)品的變電站進(jìn)行了環(huán)境條件調(diào)查,其污穢度離子與腐蝕性氣體分析結(jié)果見表1。

        表1 退出運(yùn)行產(chǎn)品的原運(yùn)行環(huán)境調(diào)查結(jié)果

        一般運(yùn)行環(huán)境中存在氯(Cl)等鹵族成分,但本次調(diào)查對(duì)象是戶內(nèi)變電站的污穢物,檢測出的鹽酸根離子(Cl離子)較少,而硫酸根離子(SO42-)和亞硫酸根離子(SO2)較多。亞硫酸根離子作為污穢物質(zhì),是水解引起老化加速的因素之一。

        根據(jù)對(duì)撤出運(yùn)行產(chǎn)品的調(diào)查可知:

        1)絕緣框架的局部放電重現(xiàn)試驗(yàn)與利用IR發(fā)現(xiàn)的親水基密切相關(guān),因此獲得聚酯樹脂的親水基數(shù)據(jù),可以定量掌握絕緣老化情況。

        2)檢測出變電站室內(nèi)硫酸根離子較多,是加速水解老化的環(huán)境因素。

        3)真空斷路器絕緣框架因聚酯樹脂本身水解引起老化,發(fā)生局部放電最終導(dǎo)致絕緣擊穿。在戶外柜體連續(xù)強(qiáng)制通風(fēng)導(dǎo)致濕潤,或易受戶外環(huán)境影響的情況下可能發(fā)生這類老化。

        4)真空斷路器的絕緣框架老化機(jī)理可判定為聚酯樹脂本身水解引起老化,發(fā)生局部放電最終導(dǎo)致絕緣擊穿。

        3 對(duì)環(huán)境的影響

        BCB、石棉等本身一直存在公害問題,但根據(jù)社會(huì)需求在斷路器生產(chǎn)中仍在使用,近年來隨著環(huán)保對(duì)策的加強(qiáng),工業(yè)領(lǐng)域從民用品到工業(yè)用品都認(rèn)識(shí)到了環(huán)保的必要性,采取了各種環(huán)保對(duì)策。

        3.1RoHS指令與斷路器

        (1) RoSH指令與WEEE指令

        第四天,我公布了增設(shè)的一些班主任助理崗位,其中小藝是語文助理,主要負(fù)責(zé)檢查同學(xué)們的語文預(yù)習(xí)和作業(yè)訂正情況。從此,教室里經(jīng)常能看到小藝認(rèn)真檢查的身影,哪個(gè)同學(xué)沒有訂正,誰的作業(yè)有錯(cuò)別字,甚至哪些地方書寫不規(guī)范都逃不過她的火眼金睛。我及時(shí)在班上公開表揚(yáng)了小藝等班主任助理,號(hào)召全體成員向他們學(xué)習(xí),人人來當(dāng)小助理,協(xié)助老師一起管理好班級(jí)。慢慢地,學(xué)生作業(yè)做得更加認(rèn)真了,拖欠作業(yè)的情況也好轉(zhuǎn)了。一次,小藝媽媽QQ給我留言:老師,謝謝您的理解和鼓勵(lì),小藝現(xiàn)在又愛上語文課了!

        所謂RoSH指令是指“在電子電氣設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)的指令”。2006年7月以來禁止制造、銷售鉛(Pb)、水銀(Hg)、鎘(Cd)、六價(jià)鉻(Cr6+)、多溴聯(lián)苯(PBB)、多溴二苯(PBDE)含量超標(biāo)的特定電氣電子設(shè)備。

        斷路器未包含在該對(duì)象之列。另外,交流10000V以上產(chǎn)品不屬于其管制對(duì)象,因此斷路器相對(duì)RoSH指令的對(duì)策,由各制造商自主實(shí)施。相關(guān)的WEEE指令是有關(guān)報(bào)廢的電氣電子設(shè)備指令,無論RoSH指令還是WEEE指令,都是為了人身健康和環(huán)境保護(hù),限制有害物質(zhì)的使用,有效管理電氣電子設(shè)備的再利用和廢棄。RoSH指令及WEEE指令的對(duì)象產(chǎn)品分為表2所示的1~10類。其中第8類和第9類正在討論修訂。

        (2)斷路器的對(duì)策

        斷路器預(yù)期壽命長,可靠性要求高,因此單純的零部件更換很難適應(yīng)RoSH指令。對(duì)于端子排等通用件可通過單獨(dú)改進(jìn)以滿足RoSH指令,但其他結(jié)構(gòu)件的電鍍處理存在差異。螺釘、螺母及內(nèi)部結(jié)構(gòu)件需要電鍍處理,鍍后的鉻酸鹽處理中含有六價(jià)鉻。最近采用三價(jià)鉻的技術(shù)取得了進(jìn)展。

        基材有時(shí)選用黃銅,對(duì)于黃銅,含鉛量為4%(重量百分比)以下銅合金中的鉛,不在上述指令適用范圍之列。

        關(guān)于表面噴涂,如表3所示,目前的涂料中含有三聚氰胺樹脂(溶劑)、聚氨酯、丙烯樹脂、粉末等,有機(jī)溶劑所含的芳香族烴溶劑對(duì)人體的影響、三聚氰胺樹脂釋放的微量甲醛、揮發(fā)性有機(jī)化合物VOC的產(chǎn)生等環(huán)保問題,沒有納入RoSH指令范圍,而依賴于制造商的自主對(duì)策。其次,紅色涂料中含有鎘,正在討論將其改為邁歇爾色。

        表2 RoSH及WEEE指令對(duì)象分類

        表3 主要制造商的涂裝情況

        斷路器由很多結(jié)構(gòu)零部件和材料構(gòu)成,所有零部件和材料都按RoSH指令對(duì)應(yīng)選擇尚有困難,但各零部件和材料逐步換用滿足RoSH指令產(chǎn)品比較符合實(shí)情。另外,輔助回路的零部件和材料,大多也用于斷路器以外RoSH指令管制對(duì)象之內(nèi)的產(chǎn)品,由于這些領(lǐng)域RoSH指令對(duì)策的快速使用,因此即使在斷路器方面,這些對(duì)策也得到快速推廣。采用滿足RoSH指令零部件和材料時(shí),尤其應(yīng)注意以下事項(xiàng)。

        (1)境適應(yīng)性

        氣體環(huán)境中三價(jià)鉻的腐蝕問題。

        (2)抗震強(qiáng)度

        采用無鉛焊料,與傳統(tǒng)焊接產(chǎn)品相比,抗震強(qiáng)度降低。

        (3)經(jīng)年老化

        對(duì)于新采用的材質(zhì),需要通過加速老化試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

        3.2環(huán)保性

        在追求經(jīng)濟(jì)型和可靠性的同時(shí),還應(yīng)重視環(huán)保性。開關(guān)設(shè)備很早就開始使用真空斷路器等真空開關(guān),我國真空開關(guān)的比例達(dá)到80%以上。為實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備的小型化,以真空滅弧室的外絕緣為課題,一般采用絕緣性能優(yōu)越的SF6氣體,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了小型化,減少了功率損耗和制造過程的能量消耗。這種情況下需要提高密封性能,并采用SF6回收裝置,即可減少漏氣量。另外,近年來開始采用干燥空氣、固體絕緣方式代替SF6氣體絕緣方式。

        4 結(jié)束語

        中壓斷路器是穩(wěn)定供電不可或缺的配電設(shè)備,斷路器性能在很大程度上受運(yùn)行環(huán)境影響,但斷路器的運(yùn)行也對(duì)環(huán)境帶來不可忽視的影響,尤其是環(huán)保備受關(guān)注的今天,環(huán)保設(shè)計(jì)成為斷路器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)方向。

        (2016-02-21)

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