高濕環境下電氣接點動作缺陷消除途徑研究

蔡之文，洪元瑞，羅 莎，陳俊杰，張金麗，劉云磊，許 行

(1.杭州科宏儀器儀表有限公司，杭州 311122；2.國家電網公司華東分部，上海 200120；3.國網上海電力科學研究院，上海 200437)

2012年至2016年期間，華東某地9個500 kV變電站的主變壓器配套溫度計累計發生了25次保護接點缺陷。據相應歷史氣象數據顯示，這25例缺陷故障中有16例(占64%)是發生在雨天高濕環境條件下(見表1)，為了分析驗證環境條件對電接點誤動的影響機理，從根本上解決電氣接點缺陷導致的保護誤動及拒動，制定相應方案并開展了針對性分析試驗工作。

1 故障分析及解決方法

首先從運行現場環境條件、微動開關防護等級、溫度計外殼結構等方面對電氣接點動作影響進行分析，從而提出解決方法。

1.1 環境條件引發電氣接點動作缺陷的主要影響因子

(1)凝露影響。凝露是一種當試驗樣品表面溫度低于周圍空氣的露點溫度時，水蒸汽在該表面上析出(即由氣態轉變為聚集液態)的自然現象。產生凝露的條件主要取決于空氣相對濕度和環境溫度與試驗樣品之間的溫差；相對濕度越高，凝露所需的溫差越小，如表2所示，當相對濕度為90%時，溫差超過1.6℃即會產生凝露。在達到凝露環境條件時，現場微動開關觸點間受凝結水滴影響，導致絕緣性能下降，從而引發電氣接點誤動缺陷。

表1 主變壓器配套溫度計歷史缺陷清單

表2 凝露產生所需溫差與相對濕度的關系1)

注：1)此數據是空氣溫度為0～35℃所獲得值的平均值

(2)霧天影響。霧天是在大氣穩定條件下空氣相對濕度達到100%時，溫度下降后空氣中水氣凝結成細微水滴懸浮于半空中的天氣現象。長時間在100%相對濕度條件下工作，更易在溫度計內部產生凝露，影響微動開關觸點間的絕緣性能，從而引發電氣接點誤動缺陷。

(3)霧霾影響。霧霾是在霧天條件下空氣中遭遇大量微小粉塵的天氣現象，霧霾條件下更容易產生凝露，考慮到很多粉塵具有良好的電導率，霧霾環境條件下工作的微動開關金屬觸點間絕緣受導電粉塵影響，絕緣性能下從而引發電氣接點誤動缺陷。

(4)鹽霧影響。圖1地理數據顯示，表1中25例故障溫度計運行現場平均距離海洋不足40 km，屬于典型近海氣候，空氣中含鹽量較高。近海氣候環境(如圖1所示)尤其在東北風或東南風條件下極易形成鹽霧天氣。鹽霧中存在呈濕潤性顆粒鹽核，直徑小于2μm的鹽核很容易進入溫度計及微動開關內部，鹽霧環境條件下工作的微動開關金屬部件被鹽霧腐蝕破壞，引發電氣接點拒動、誤動缺陷。

圖1 故障溫度計變電站距離海洋位置

1.2 溫度計接點動作缺陷風險源

從溫度計本體分析，其電氣接點動作缺陷風險源主要來自以下兩個方面。

(1)設備外殼防護不足。設備外殼防護等級關系到環境條件對儀表內部運行工況的影響。大多數變壓器使用壓力式溫度計進行溫度測量保護，為保證壓力式溫度計測量準確，溫度計內部需始終維系在一個大氣壓條件下，溫度計表殼需要與大氣貫通，目前溫度計外殼防護等級均為IP55。當環境條件比較惡劣時，潮濕空汽(包括粉塵、鹽核)充滿整個表殼內腔，當溫度計內部元件溫度下降至露點溫度以下時，內部將產生凝露，凝露導致溫度計內部負壓將持續吸入周圍高濕空氣并在溫度計內部產生更多凝露，從而導致接點動作缺陷。

(2)微動開關外殼防護不足。微動開關的本身防護直接關系著接點動作的可靠。微動開關按外殼按保護型式分類分開啟式(圖2a)和防護式(半封閉式圖2b，密封式圖2c), 其中開啟式和半封閉式的外殼防護等級均為IP00，國內行業標準推薦使用條件為相對濕度≤90%(5～35℃無凝露條件下)，目前電網運行中的進口或國產溫度計絕大多數均使用IP00微動開關，因此凝露水滴、霾、鹽霧等環境造成的外界影響可以直接導致開關電氣接點動作缺陷。

圖2 常用微動開關外殼防護型式

1.3 接點動作缺陷消除方法

為了消除接點動作缺陷，可以將溫度計安裝在相對獨立的儀表柜內，便于采取進一步措施消除或降低動作缺陷。具體方法如下：

(1)通過加熱使得柜內溫度保持恒溫，排除因溫度差而產生的凝露風險。

(2)通過排風抽濕使得柜內保持濕度，排除因濕度較大而產生的凝露風險。

表3 開關動作狀態實時監測記錄

(3)用防護等級高的微動開關，直接排除外部環境影響。

(4)采取組合開關的防錯設計，降低動作缺陷發生概率。對于跳閘電接點可采取三選二防錯邏輯結構來降低電接點誤動缺陷(假設單個開關誤動概率為0.1%，三選二防錯邏輯結果構的誤動概率僅為0.000 298%，風險下降300多倍)。

2 試驗及驗證

本文針對以上缺陷因素及消除途徑，選取不同外殼防護水平微動開關的溫度計開展試驗驗證，具體方法如下：

(1)將3臺四開關型溫度計(分別使用開啟式、密封式和防水型開關)按固定在濕熱試驗箱內(見圖3)，將所有溫度開關均設置在試驗溫度范圍之外；

(2) 將3臺溫度計的4個開關通過電纜線引出到恒溫試驗箱外，為在試驗過程中能及時捕獲誤動現象，將開關引線接入開關誤動監測裝置(圖4)，開關動作后裝置將鎖定狀態；

(3)按GB/T 2423—2006(等同IEC 60068-2001)《電工電子產品環境恒定濕熱試驗：》要求，進行溫度為(40±2)℃，相對濕度為(93±3)%，為期4天的濕熱試驗，試驗中以3 h/次的間隔觀察開關誤動指示燈是否報警。

從驗證試驗結果來看(見表3)，開啟式微動開關在試驗中有3個接點均發生誤動，而采用密封式和防水型微動開關的溫度計均保持正常，所以說明環境條件、微動開關的選型直接影響電氣接點動作缺陷的發生。

圖3 開關動作監測裝置

3 結語

為了避免開關動作缺陷，變壓器壓力式溫度計及其他戶外測控裝置電氣接點在選取時應充分考慮高濕環境因素。建議：(1)在變壓器招投標環節應明確要求變壓器溫度計使用IP67防水型開關，杜絕高濕水汽或凝露水滴進入開關內部引發保護誤動、拒動事故；(2)溫度計應安裝在具有加溫和除濕功能的控制柜內，通過破壞溫度計內產生凝露的必要條件來杜絕溫度保護接點誤動事故；(3)推薦選用三選二防錯邏輯來降低保護接點誤動風險，確保電氣保護安全可靠。