柱上SF6负荷开关可靠性应用探究

引言

随着全球配电网的日趋完善，用户对线路配套开关设备的可靠性运行要求也越来越高。其中，户外柱上负荷开关作为一种12~24 KV柱上开关设备，具备一定的可开断负荷电流及关合故障电流能力，适用于传统架空线路和带绝缘导线的架空线路，并可配置电流互感器（传感器）、电压互感器（传感器）及远程控制箱，易实现多种配网自动化方案，兼具应用灵活性和经济性，在全球被广泛使用。

不同于户内开关柜产品，户外柱上负荷开关应用于户外环境，面临各种苛刻的环境条件，例如盐雾、沙尘、冰雪、潮湿等，同时全球各地区气候存在明显差异，例如新西兰（靠海岸线）地区的高盐高湿、非洲赤道地区的高温高紫外线辐射等，这对户外负荷开关的长期可靠性运行提出了较高的要求。

通过对全球各地区柱上开关运行的调查了解得知，诸多用户遇到了负荷开关在运行若干年后性能下降、功能老化等问题。在进一步对户外负荷开关大量实际应用案例的研究基础上，本文通过采用系统的六西格玛（DMAIC）分析模式，提出了贴合实际应用的应对老化问题的方案和建议，同时介绍了创新性的密封检测方法，能在保证每台户外负荷开关机构密封性能的同时，具备优异的长期可靠运行能力。

1户外柱上负荷开关结构和特点[1]

户外柱上负荷开关主要由操作机构、气室和支撑绝缘子组成，按操作机构操作方式分为手动和电动；按气室灭弧介质分为真空式、有机材料产气式、六氣化硫（SF6）式等多种类型。对于所有类型的户外负荷开关，为保证长期正常运行和使用，其操作机构被视为重要的核心部件，不仅需要保证操作次数达到额定寿命要求，同时机构整体密封性能和外壳的耐腐蚀性也需要能承受严峻的考验。

2柱上负荷开关可靠性现状

对于全球各家负荷开关厂商旗下的产品，在正式投入生产之前，均已通过型式试验方式完成了电气技术要求和机械寿命次数的完整验证。

ABB公司是电力和自动化技术领域厂商，其生产的户外柱上SF6负荷开关NXB为免维护型负荷开关，具备主流的电气技术参数，主要为：（1）电压等级12~24KV；（2）额定电流630A；（3）有功负载开断电流630 A；（4）额定寿命次数5 000次；（5）防护等级IPX7水下1 m可以浸泡30 min[2]。经过多年的发展，公司已有数万台负荷开关应用在国内外中压电力系统中。

“质量至上”是ABB公司的经营理念，公司会不定期对生产的产品进行可靠性和全生命周期调研。在此前一次针对户外柱上SF6负荷开关的运行可靠性调研和评估中，了解到产品运行存在异常表现，通过进一步收集产品的售后服务记录和客户的反绩信息并系统分析，了解到负荷开关操作机构出现批量老化异常，甚至影响产品正常功能。

2.1典型可靠性问题

从统计数据中发现，分布在新西兰、阿根廷、澳洲、巴西、智利的柱上SF6负荷开关，集中性出现操作机构锈蚀、进水问题，如图1所示。

经过调查了解，这些区域多数产品具有如下共同特征：（1）自产品开始投入使用，在户外运行超过四年；（2）操作机构部位出现不同程度老化，甚至外壳漆层掉落，部分机构操作杆被腐化漆层粘滞卡住无法合分操作；(3)部分操作机构密封失效，内部进水潮湿，机构部件锈蚀无法操作。

以上问题严重影响了产品的运行可靠性，因此紧急成立了以技术和质量为主导的团队，目的在于针对柱上负荷开关操作机构外壳腐蚀及机构进水问题进行系统性调查分析，提出改进措施和验证，消除质量隐患。

2.2问题原因分析

对于腐蚀和进水问题，基于头脑风暴方法，如图2所示，在人、机、料、法、环五个维度进行完整分析，识别出如下可能原因，并做要因确认和针对性改进，同时进行方案的可靠性验证。

2.2.1环境方面问题(环境）

通过对集中性问题爆发地区的环境进行调查了解，发现它们存在共同特点，即不仅常年雨水充沛，也拥有狭长的海岸线，环境具有高湿、高盐特点。参照环境等级（ISO 12944—2）划分方法[3]，这些地区环境等级接近或属于CX—极其苛刻，而户外负荷开关机构漆层防腐等级设计一般仅为C3，不适用于特殊区域，例如CX环境等级。

2.2.2机构密封圈类型不适用(物料）

对现场问题负荷开关所有密封部位进行详细检查，了解到某些部位密封圈开裂，密封失效。通过核对操作机构所有部位密封圈类型，有两种物料类型被使用：丁睛橡胶(NBR）和三元乙丙橡胶（EPDM），开裂的密封圈类型为丁睛橡胶（NBR）。查阅相关资料了解到：（1）丁睛橡胶（NBR）耐油性极好，摩擦力与摩擦阻力力矩小，耐磨性较高，耐热性较好，粘接力强；（2）三元乙丙橡胶（EPDM）耐氧化、抗硫化、抗臭氧和抗侵蚀能力优越。相比两种类型材料，显然三元乙丙橡胶（EPDM）因其有良好的耐候性而更适用于户外严苛的环境。

2.2.3密封功能检测不完整（方法）

户外SF6负荷开关防水等级为IPX7，然而该防水等级的验证测试仅在产品型式试验时进行。由于相关标准未做强制性要求，同时考虑到测试成本和实施难度，大部分厂家在日常生产中无法把负荷开关逐台投入水中进行IPX7检测。当生产装配制程或密封材料出现异常，导致机构密封不合格时，无法在产品出厂前及时发现，因而产品投入现场使用一段时间后即出现操作机构进水、内部部件腐蚀等问题。

3可靠性方案

针对以上三个主要原因，寻找对应的解决方案。3.1操作机构耐腐蚀方案

首先正确识别产品所使用的地区环境等级，参考国际环境等级（ISO 12944—2），应用在高盐、高湿的CX地区时，负荷开关操作机构外壳的防腐蚀等级需由原来的C3提升至CX，使产品能够适用于CX环境，特别是海岸线周边的应用场合。

在提升负荷开关操作机构外壳防腐等级至CX的过程中，根据相关经验，可特别关注如下过程工艺，便于一次性通过严苛的环境试验验证，即老化循环验证。

3.1.1操作机构材料

壳体可采用铝合金铸件，根据ENAC-44300[4]压铸铝合金的化学成分表，建议铜含量小于0.1%，以确保金属基件具有较好的抗锈蚀能力。

3.1.2铸造工艺

在铸件铸造过程中，其孔隙率控制在小于或等于等级3，同时铸件表面无裂纹、流痕、欠铸等缺陷，及时清理铸件飞边、渣包、顶针印痕、分型线；铸件表面无挠曲、变形现象。

3.1.3漆喷涂

粉末或油漆喷涂厚度控制在大于等于200μm，漆层附着力测试应满足GB/T 9286—1998《色漆和清漆漆膜的划格试验》常规要求。

3.1.4验证测试

喷涂外壳应进行一次环境老化循环测试并通过，即IS9 12944-9—2018《防护漆对金属结构的防腐第9部分防护漆体系和实验室性能试验方法》[5]规定的4 200 h老化循环验证测试，其中一个循环包含72 h紫外线辐射、72 h中性盐雾及24 h低温环境暴露测试，共计25个循环，如图3所示。

3.2操作机构密封圈材料

根据对丁睛橡胶（NBR）和三元乙丙橡胶（EPDM）优缺点的比对，对于暴露在外部环境中的密封圈，材料应选择三元乙丙橡胶（EPDM）。密封圈的压缩率一般控制在15%~25%。

3.3操作机构密封功能测试

户外产品的密封性能为产品关键性能之一，需要进行严格的把控。

基于国标GB/T 4208—2017《外壳防护等级（IP代码）》要求，操作机构应进行IPX7防水等级测试以验证密封性能。从应用层面考虑，试验方法可以采用创新性的负压检测替代较为复杂的1 m水深1 min的沉水测试。负压检测具备成本低、易操作等特点，具体方式为用抽气泵从操作机构箱抽取空气产生一定的负压值后，切断负压泵，保持1 min，过程中通过空气压力传感器监视操作机构中的空气压差值浮动情况（一般浮动值<1%）来判断密封性能是否合格。

负压值的设定依据：根据GB/T 4208—2017《外壳防护等级（IP代码）》1 m水深压强计算公式p=pgh（p为密度，p=1 000 kg/m3；g为重力加速度，g=9.8 N/kg；h为水深，单位m），得到等效的空气负压值为0.01 MPa。

4结束语

随着配网自动化的进一步实施推广，户外柱上开关在配电网中的应用数量将越来越庞大，其体现的作用也会越来越明显。而可靠性防腐方案的应用及密封性的有效检测，为产品在严苛环境下长期稳定运行奠定了基础，为用户使用的安全性、经济性提供了保证，对外也确保了公司的优质服务水平和品牌形象，使产品有了更广阔的发展前景。