工況下電氣設備在硫化氫環境中的腐蝕行為研究

楊陽，陳川，王俊，揭敢新，趙鉞，向利

（中國電器科學研究院股份有限公司工業產品環境適應性國家重點實驗室，廣州 510663）

引言

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

室內環境加速模擬試驗具有能在短時間內得出材料、產品或設備等在使用條件下若干年后的性能變化傾向的優勢[4-6]。絕緣電阻和接觸電阻兩個技術指標是電氣設備的重要性能和質量指標[7-9]。在正常環境下，電氣設備的電氣性能均能滿足正常使用要求，但在含腐蝕介質存在的環境中，電氣設備的電氣性能會受到嚴重干擾，如絕緣電阻值下降或接觸電阻增加，這些變化會導致電氣設備在帶電運行工況下出現漏電或接觸不良等失效現象[10]。

研究表明[11,12]電氣設備在使用環境中還處于電場作用下的復雜環境中，外界電場對帶電離子在液膜中遷移、運動以及沉積的影響十分顯著。目前大多數研究僅限于電氣設備產品靜態時的加速腐蝕行為研究，鮮少有將帶電運行工況條件對其在腐蝕環境中的影響考慮在內。因此，本文通過在加速試驗過程中施加電流模擬電氣設備帶電運行工況狀態，能更準確反應電氣設備在帶電運行工況下的腐蝕行為及規律，同時試驗前后對各樣品電氣性能進行測試，能夠反映樣品在腐蝕環境對其絕緣電阻、接觸電阻等電氣性能的影響。從電氣金屬材料的角度，對電氣設備和元器件材料腐蝕現象、腐蝕原理及規律進行分析和評價，為電氣設備的選材設計、維護和更換提供科學依據。

1 試驗樣品和方法

試驗樣品選用主流品牌限位開關、繼電器和空氣開關如圖1所示，樣品數量和試驗條件見表1。采用GH-180腐蝕氣體試驗箱進行不同濃度硫化氫氣體腐蝕加速試驗，選IT6513D直流電源作為施加電源裝置，試驗條件為硫化氫體積分數分別設為0.15 ppm、1.50 ppm和15 ppm，試驗箱內溫度設定為（25±2）℃；相對濕度設置為（75±3）%RH，試驗周期為10 d，試驗施加電流大小2 A。

圖1 試驗樣品

待試驗結束后，采用U2516電阻測試儀測試電氣設備前后的接觸電阻，測試環境溫度為（25±2）℃，相對濕度為（55±10）%，測試時長為1 min。采用Fluke 1550C絕緣電阻測試儀測試電氣元器件的絕緣電阻，測試電壓為500 V，穩定時間為30 s。

表1 試驗樣品列表

2 試驗結果

2.1 限位開關

從表2和圖2(a)中可知，限位開關在經過不同濃度硫化氫環境試驗后，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)可知限位開關在不帶電狀態下絕緣電阻的下降幅度值隨著硫化氫濃度為0.15 ppm時最大，隨著濃度的增加，下降幅度值減小，而當濃度為15 ppm時，絕緣電阻下降幅度值又有所增加；在帶電狀態下，限位開關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，限位開關在此狀態下絕緣電阻值下降較大，在硫化氫濃度較高時，絕緣電阻值下降較小，說明限位開關在較高濃度15 ppm時，絕緣電阻下降幅度較低，可更好地維持限位開關的絕緣保護性能。

圖2 (b)中可見限位開關試驗前后接觸電阻總體上普遍增大，但在0.15 ppm不帶電狀態下接觸電阻有所下降，在1.5 ppm帶電狀態下接觸電阻增大幅度值最大，說明在該條件下，限位開關可能會出現各觸點接觸不良的現象，通過圖2(d)對比，在較高濃度15 ppm時，限位開關處于通電狀態可減少限位開關觸點接觸電阻增大的幅度。

2.2 繼電器

從表3和圖3(a)中可知，繼電器在經過不同濃度硫化氫環境試驗后，絕緣電阻值均出現不同幅度的下降，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，兩種狀態的繼電器絕緣電阻下降幅度在低濃度0.15 ppm時較大，尤其在帶電狀況下，繼電器絕緣電阻下降幅度最大，說明在該狀況下，繼電器容易發生漏電現象；在濃度為1.5 ppm時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，說明電流在低濃度時可促進絕緣外殼性能下降，從而導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限位開關不同硫化氫濃度下帶電和不帶電試驗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，接觸電阻有略微下降；對比相同濃度硫化氫條件的兩種狀況的結果見圖3(d)，發現在帶電狀況下，接觸電阻增大幅度較小，說明電流對繼電器接觸電阻的增大有抑制作用，隨著硫化氫濃度增加，電流對接觸電阻增大的抑制作用越強。

2.3 空氣開關

圖2 D4A-4501N限位開關試驗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，空氣開關在經過不同濃度硫化氫環境試驗后，絕緣電阻值均出現不同幅度的增大，僅在濃度0.15 ppm不帶電條件下，空氣開關絕緣電阻值略微增大；對于兩種狀況空氣開關均在濃度為1.5 ppm條件下絕緣電阻增大幅度值最大，說明在該濃度下，空氣開關的絕緣性能相對較好；從圖4(c)中可見，帶電開關在低濃度條件下，對絕緣電阻的增大有促進作用。

從表4和圖4(b)中可知，空氣開關在經過不同濃度硫化氫環境試驗后，接觸電阻值均出現不同幅度的增大，在不帶電狀況下，隨著硫化氫濃度的增加，空氣開關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，空氣開關接觸電阻增加幅度越小，說明電流通過對空氣開關接觸電阻增大具有抑制作用，隨著濃度的增加，開關帶電可減小接觸不良現象發生。

圖3 RXZE2S114M繼電器試驗前后的絕緣電阻和接觸電阻變化

表4 空氣開關不同硫化氫濃度下帶電和不帶電試驗前后的接觸電阻和絕緣電阻

3 分析與討論

電氣設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接觸功能和導電接地功能等，絕緣材料如高分子材料等主要用來隔離和絕緣的作用，但在具有腐蝕性的惡劣環境下，材料的某些性能因受到腐蝕而發生變化，導致元器件的接觸電阻和絕緣電阻也相應的發生變化。相同的試驗條件，不同金屬材料和絕緣材料受到的影響也不相同，具體跟相應的材料本身性能有關。

絕緣電阻主要受到溫度、濕度、電氣設備表面潔凈程度、電場強度以及絕緣材料的材質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，致使電導增加，電阻降低；當絕緣在相對濕度較大時會吸收較多的水分，絕緣因表面吸潮或表面形成水膜使電導增加，絕緣電阻降低；絕緣材料受到溫度、濕度、腐蝕性介質以及電流的綜合影響，導致材質出現老化或衰弱的現象，從而致使絕緣電阻下降。

電氣設備在服役環境中受到不同程度的腐蝕，主要是由于該環境中存在H2S氣體與電氣設備內部金屬材料發生電化學腐蝕[14]見式（1），腐蝕機理見圖5。

圖4 空氣開關試驗前后的絕緣電阻和接觸電阻變化

圖5 電氣設備觸點金屬材料在含H2S環境中的腐蝕機理示意圖

生成腐蝕產物逐漸積累到金屬表面，形成一層腐蝕產物膜。

電氣設備和元器件部件中觸點或連接點位置金屬材料在腐蝕性環境（包括溫度、濕度和腐蝕性氣體等）中受到的腐蝕程度經常比其他位置的腐蝕更嚴重，腐蝕產物層產生的高電阻往往會影響其電性能和使用功能，尤其是環境中腐蝕介質濃度越高，電氣設備與腐蝕介質充分接觸，更能加重電氣設備金屬材料的腐蝕程度。存在于接觸界面上的腐蝕產物使得接觸電鍍數目和面積減少，導致接觸電阻增加，增大了發生接觸失效的幾率，降低了電氣設備和元器件的可靠性。電氣設備和元器件在使用環境中還處于電場作用下的復雜環境中，外界電場對帶電離子在液膜中遷移、運動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物膜層，與金屬基體形成電勢差，外部電流通入，對氧化層以及腐蝕產物膜層產生還原作用，還原成金屬單質，減少了氧化層和腐蝕產物的數量，接觸電阻增加的幅度較小，外加電流對電氣元器件在腐蝕性環境中的接觸電阻增加具有抑制的作用。

4 結論與建議

1）電氣設備試驗前后絕緣電阻變化各自不同，經不同濃度硫化氫氣體腐蝕試驗后，限位開關和繼電器絕緣電阻在試驗后，均出現不同程度的下降，硫化氫濃度對絕緣電阻影響不大，帶電運行工況下電流在濃度為0.15 ppm和15 ppm條件下對絕緣電阻減少幅度影響較小，在濃度為1.5 ppm下，對絕緣電阻的減小具有抑制作用。

2）電氣設備試驗前后接觸電阻經不同濃度硫化氫氣體腐蝕試驗后均出現不同程度的增大，非帶電運行工況時在高濃度15 ppm條件下，接觸電阻增大幅度最高，說明在此狀態下，電氣設備和元器件最有可能出現接觸失效現象，而帶電工況時，電流對接觸電阻增大具有抑制作用。

3）電氣設備在環境中出現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備在腐蝕環境中接觸電阻值增大的幅度，在一定程度減弱了電氣設備接觸不良現象的發生概率，在電路中電流的流通有利于電氣設備的更加安全可靠的運行，建議在電路系統中，盡量使電氣設備處于運行工作中，盡可能使電氣設備和元器件處于電流流通狀態中。