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）