楊陽(yáng)，陳川，王俊，揭敢新，趙鉞，向利

（中國(guó)電器科學(xué)研究院股份有限公司工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510663）

引言

電氣設(shè)備是構(gòu)成電力系統(tǒng)的基本單元，在選用電氣設(shè)備時(shí)，不僅要考慮電氣設(shè)備的電性能參數(shù)要求，而且要考慮其質(zhì)量水平和使用可靠性等級(jí)[1]。電氣設(shè)備及元器件在預(yù)期壽命期間的性能取決于許多因素，如設(shè)計(jì)型式、選材以及機(jī)械性能等，另一些性能則由環(huán)境因素對(duì)其影響決定，如溫度、濕度以及氣體成分等，尤其是環(huán)境中存在腐蝕性的污染物如H2S，即使是含量較少，也足以導(dǎo)致電氣設(shè)備在使用過(guò)程中出現(xiàn)接觸不良或功能失效等不良現(xiàn)象[2,3]。

室內(nèi)環(huán)境加速模擬試驗(yàn)具有能在短時(shí)間內(nèi)得出材料、產(chǎn)品或設(shè)備等在使用條件下若干年后的性能變化傾向的優(yōu)勢(shì)[4-6]。絕緣電阻和接觸電阻兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)是電氣設(shè)備的重要性能和質(zhì)量指標(biāo)[7-9]。在正常環(huán)境下，電氣設(shè)備的電氣性能均能滿足正常使用要求，但在含腐蝕介質(zhì)存在的環(huán)境中，電氣設(shè)備的電氣性能會(huì)受到嚴(yán)重干擾，如絕緣電阻值下降或接觸電阻增加，這些變化會(huì)導(dǎo)致電氣設(shè)備在帶電運(yùn)行工況下出現(xiàn)漏電或接觸不良等失效現(xiàn)象[10]。

研究表明[11,12]電氣設(shè)備在使用環(huán)境中還處于電場(chǎng)作用下的復(fù)雜環(huán)境中，外界電場(chǎng)對(duì)帶電離子在液膜中遷移、運(yùn)動(dòng)以及沉積的影響十分顯著。目前大多數(shù)研究?jī)H限于電氣設(shè)備產(chǎn)品靜態(tài)時(shí)的加速腐蝕行為研究，鮮少有將帶電運(yùn)行工況條件對(duì)其在腐蝕環(huán)境中的影響考慮在內(nèi)。因此，本文通過(guò)在加速試驗(yàn)過(guò)程中施加電流模擬電氣設(shè)備帶電運(yùn)行工況狀態(tài)，能更準(zhǔn)確反應(yīng)電氣設(shè)備在帶電運(yùn)行工況下的腐蝕行為及規(guī)律，同時(shí)試驗(yàn)前后對(duì)各樣品電氣性能進(jìn)行測(cè)試，能夠反映樣品在腐蝕環(huán)境對(duì)其絕緣電阻、接觸電阻等電氣性能的影響。從電氣金屬材料的角度，對(duì)電氣設(shè)備和元器件材料腐蝕現(xiàn)象、腐蝕原理及規(guī)律進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，為電氣設(shè)備的選材設(shè)計(jì)、維護(hù)和更換提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)樣品和方法

試驗(yàn)樣品選用主流品牌限位開(kāi)關(guān)、繼電器和空氣開(kāi)關(guān)如圖1所示，樣品數(shù)量和試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。采用GH-180腐蝕氣體試驗(yàn)箱進(jìn)行不同濃度硫化氫氣體腐蝕加速試驗(yàn)，選IT6513D直流電源作為施加電源裝置，試驗(yàn)條件為硫化氫體積分?jǐn)?shù)分別設(shè)為0.15 ppm、1.50 ppm和15 ppm，試驗(yàn)箱內(nèi)溫度設(shè)定為（25±2）℃；相對(duì)濕度設(shè)置為（75±3）%RH，試驗(yàn)周期為10 d，試驗(yàn)施加電流大小2 A。

圖1 試驗(yàn)樣品

待試驗(yàn)結(jié)束后，采用U2516電阻測(cè)試儀測(cè)試電氣設(shè)備前后的接觸電阻，測(cè)試環(huán)境溫度為（25±2）℃，相對(duì)濕度為（55±10）%，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為1 min。采用Fluke 1550C絕緣電阻測(cè)試儀測(cè)試電氣元器件的絕緣電阻，測(cè)試電壓為500 V，穩(wěn)定時(shí)間為30 s。

表1 試驗(yàn)樣品列表

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 限位開(kāi)關(guān)

從表2和圖2(a)中可知，限位開(kāi)關(guān)在經(jīng)過(guò)不同濃度硫化氫環(huán)境試驗(yàn)后，絕緣電阻均有所下降，其中A-0-1和A-1-1絕緣電阻值下降幅度較大，圖2(c)可知限位開(kāi)關(guān)在不帶電狀態(tài)下絕緣電阻的下降幅度值隨著硫化氫濃度為0.15 ppm時(shí)最大，隨著濃度的增加，下降幅度值減小，而當(dāng)濃度為15 ppm時(shí)，絕緣電阻下降幅度值又有所增加；在帶電狀態(tài)下，限位開(kāi)關(guān)絕緣電阻的下降幅度值隨著硫化氫濃度的增加而減小，在硫化氫濃度較低時(shí)，限位開(kāi)關(guān)在此狀態(tài)下絕緣電阻值下降較大，在硫化氫濃度較高時(shí)，絕緣電阻值下降較小，說(shuō)明限位開(kāi)關(guān)在較高濃度15 ppm時(shí)，絕緣電阻下降幅度較低，可更好地維持限位開(kāi)關(guān)的絕緣保護(hù)性能。

圖2 (b)中可見(jiàn)限位開(kāi)關(guān)試驗(yàn)前后接觸電阻總體上普遍增大，但在0.15 ppm不帶電狀態(tài)下接觸電阻有所下降，在1.5 ppm帶電狀態(tài)下接觸電阻增大幅度值最大，說(shuō)明在該條件下，限位開(kāi)關(guān)可能會(huì)出現(xiàn)各觸點(diǎn)接觸不良的現(xiàn)象，通過(guò)圖2(d)對(duì)比，在較高濃度15 ppm時(shí)，限位開(kāi)關(guān)處于通電狀態(tài)可減少限位開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)接觸電阻增大的幅度。

2.2 繼電器

從表3和圖3(a)中可知，繼電器在經(jīng)過(guò)不同濃度硫化氫環(huán)境試驗(yàn)后，絕緣電阻值均出現(xiàn)不同幅度的下降，其中B-0-1和B-1-1絕緣電阻值下降幅度較大，圖3(c)可知，兩種狀態(tài)的繼電器絕緣電阻下降幅度在低濃度0.15 ppm時(shí)較大，尤其在帶電狀況下，繼電器絕緣電阻下降幅度最大，說(shuō)明在該狀況下，繼電器容易發(fā)生漏電現(xiàn)象；在濃度為1.5 ppm時(shí)絕緣電阻下降幅度較低，從表3中可知在低濃度條件下，帶電狀況下絕緣電阻下降幅度較大，說(shuō)明電流在低濃度時(shí)可促進(jìn)絕緣外殼性能下降，從而導(dǎo)致絕緣電阻下降幅度值較大；而在高濃度條件下，帶電狀況下的絕緣電阻下降幅度值最低，說(shuō)明在此條件下電流可減小絕緣外殼性能變化，繼電器絕緣電阻值下降幅度值較小。

表2 D4A-4501N限位開(kāi)關(guān)不同硫化氫濃度下帶電和不帶電試驗(yàn)前后的接觸電阻和絕緣電阻

從表3和圖3(b)中可知，在不同濃度硫化氫條件下，繼電器接觸電阻均有不同程度的增大，僅在濃度為1.5 ppm不帶電時(shí)，接觸電阻有略微下降；對(duì)比相同濃度硫化氫條件的兩種狀況的結(jié)果見(jiàn)圖3(d)，發(fā)現(xiàn)在帶電狀況下，接觸電阻增大幅度較小，說(shuō)明電流對(duì)繼電器接觸電阻的增大有抑制作用，隨著硫化氫濃度增加，電流對(duì)接觸電阻增大的抑制作用越強(qiáng)。

2.3 空氣開(kāi)關(guān)

圖2 D4A-4501N限位開(kāi)關(guān)試驗(yàn)前后的絕緣電阻和接觸電阻變化

表3 RXZE2S114M繼電器不同硫化氫濃度下帶電和不帶電試驗(yàn)前后的接觸電阻和絕緣電阻

從表4和圖4(a)中可知，空氣開(kāi)關(guān)在經(jīng)過(guò)不同濃度硫化氫環(huán)境試驗(yàn)后，絕緣電阻值均出現(xiàn)不同幅度的增大，僅在濃度0.15 ppm不帶電條件下，空氣開(kāi)關(guān)絕緣電阻值略微增大；對(duì)于兩種狀況空氣開(kāi)關(guān)均在濃度為1.5 ppm條件下絕緣電阻增大幅度值最大，說(shuō)明在該濃度下，空氣開(kāi)關(guān)的絕緣性能相對(duì)較好；從圖4(c)中可見(jiàn)，帶電開(kāi)關(guān)在低濃度條件下，對(duì)絕緣電阻的增大有促進(jìn)作用。

從表4和圖4(b)中可知，空氣開(kāi)關(guān)在經(jīng)過(guò)不同濃度硫化氫環(huán)境試驗(yàn)后，接觸電阻值均出現(xiàn)不同幅度的增大，在不帶電狀況下，隨著硫化氫濃度的增加，空氣開(kāi)關(guān)接觸電阻增加幅度越大，在帶電狀況下，隨著硫化氫濃度的增加，空氣開(kāi)關(guān)接觸電阻增加幅度越小，說(shuō)明電流通過(guò)對(duì)空氣開(kāi)關(guān)接觸電阻增大具有抑制作用，隨著濃度的增加，開(kāi)關(guān)帶電可減小接觸不良現(xiàn)象發(fā)生。

圖3 RXZE2S114M繼電器試驗(yàn)前后的絕緣電阻和接觸電阻變化

表4 空氣開(kāi)關(guān)不同硫化氫濃度下帶電和不帶電試驗(yàn)前后的接觸電阻和絕緣電阻

3 分析與討論

電氣設(shè)備主要是由金屬材料和絕緣材料組成，金屬材料主要用于觸點(diǎn)接觸功能和導(dǎo)電接地功能等，絕緣材料如高分子材料等主要用來(lái)隔離和絕緣的作用，但在具有腐蝕性的惡劣環(huán)境下，材料的某些性能因受到腐蝕而發(fā)生變化，導(dǎo)致元器件的接觸電阻和絕緣電阻也相應(yīng)的發(fā)生變化。相同的試驗(yàn)條件，不同金屬材料和絕緣材料受到的影響也不相同，具體跟相應(yīng)的材料本身性能有關(guān)。

絕緣電阻主要受到溫度、濕度、電氣設(shè)備表面潔凈程度、電場(chǎng)強(qiáng)度以及絕緣材料的材質(zhì)等多方面因素的影響[13]。由于溫度升高使絕緣材料極化加劇，致使電導(dǎo)增加，電阻降低；當(dāng)絕緣在相對(duì)濕度較大時(shí)會(huì)吸收較多的水分，絕緣因表面吸潮或表面形成水膜使電導(dǎo)增加，絕緣電阻降低；絕緣材料受到溫度、濕度、腐蝕性介質(zhì)以及電流的綜合影響，導(dǎo)致材質(zhì)出現(xiàn)老化或衰弱的現(xiàn)象，從而致使絕緣電阻下降。

電氣設(shè)備在服役環(huán)境中受到不同程度的腐蝕，主要是由于該環(huán)境中存在H2S氣體與電氣設(shè)備內(nèi)部金屬材料發(fā)生電化學(xué)腐蝕[14]見(jiàn)式（1），腐蝕機(jī)理見(jiàn)圖5。

圖4 空氣開(kāi)關(guān)試驗(yàn)前后的絕緣電阻和接觸電阻變化

圖5 電氣設(shè)備觸點(diǎn)金屬材料在含H2S環(huán)境中的腐蝕機(jī)理示意圖

生成腐蝕產(chǎn)物逐漸積累到金屬表面，形成一層腐蝕產(chǎn)物膜。

電氣設(shè)備和元器件部件中觸點(diǎn)或連接點(diǎn)位置金屬材料在腐蝕性環(huán)境（包括溫度、濕度和腐蝕性氣體等）中受到的腐蝕程度經(jīng)常比其他位置的腐蝕更嚴(yán)重，腐蝕產(chǎn)物層產(chǎn)生的高電阻往往會(huì)影響其電性能和使用功能，尤其是環(huán)境中腐蝕介質(zhì)濃度越高，電氣設(shè)備與腐蝕介質(zhì)充分接觸，更能加重電氣設(shè)備金屬材料的腐蝕程度。存在于接觸界面上的腐蝕產(chǎn)物使得接觸電鍍數(shù)目和面積減少，導(dǎo)致接觸電阻增加，增大了發(fā)生接觸失效的幾率，降低了電氣設(shè)備和元器件的可靠性。電氣設(shè)備和元器件在使用環(huán)境中還處于電場(chǎng)作用下的復(fù)雜環(huán)境中，外界電場(chǎng)對(duì)帶電離子在液膜中遷移、運(yùn)動(dòng)以及沉積的影響十分顯著，帶電狀況下，金屬材料表面生成一層氧化層或腐蝕產(chǎn)物膜層，與金屬基體形成電勢(shì)差，外部電流通入，對(duì)氧化層以及腐蝕產(chǎn)物膜層產(chǎn)生還原作用，還原成金屬單質(zhì)，減少了氧化層和腐蝕產(chǎn)物的數(shù)量，接觸電阻增加的幅度較小，外加電流對(duì)電氣元器件在腐蝕性環(huán)境中的接觸電阻增加具有抑制的作用。

4 結(jié)論與建議

1）電氣設(shè)備試驗(yàn)前后絕緣電阻變化各自不同，經(jīng)不同濃度硫化氫氣體腐蝕試驗(yàn)后，限位開(kāi)關(guān)和繼電器絕緣電阻在試驗(yàn)后，均出現(xiàn)不同程度的下降，硫化氫濃度對(duì)絕緣電阻影響不大，帶電運(yùn)行工況下電流在濃度為0.15 ppm和15 ppm條件下對(duì)絕緣電阻減少幅度影響較小，在濃度為1.5 ppm下，對(duì)絕緣電阻的減小具有抑制作用。

2）電氣設(shè)備試驗(yàn)前后接觸電阻經(jīng)不同濃度硫化氫氣體腐蝕試驗(yàn)后均出現(xiàn)不同程度的增大，非帶電運(yùn)行工況時(shí)在高濃度15 ppm條件下，接觸電阻增大幅度最高，說(shuō)明在此狀態(tài)下，電氣設(shè)備和元器件最有可能出現(xiàn)接觸失效現(xiàn)象，而帶電工況時(shí)，電流對(duì)接觸電阻增大具有抑制作用。

3）電氣設(shè)備在環(huán)境中出現(xiàn)接觸不良或回路電阻增大的主要原因是因接觸電阻增大的緣故，帶電工況下的外加電流可抑制電氣設(shè)備在腐蝕環(huán)境中接觸電阻值增大的幅度，在一定程度減弱了電氣設(shè)備接觸不良現(xiàn)象的發(fā)生概率，在電路中電流的流通有利于電氣設(shè)備的更加安全可靠的運(yùn)行，建議在電路系統(tǒng)中，盡量使電氣設(shè)備處于運(yùn)行工作中，盡可能使電氣設(shè)備和元器件處于電流流通狀態(tài)中。