熱帶海島環境下電力設備的實證試驗方案研究

龐松嶺，趙海龍，黎智，王俊，黃廷城

（1.海南電網有限責任公司電力科學研究院，海口 570311；2.熱帶智能電網實驗室，海口 570311；3.中國電器科學研究院股份有限公司，廣州 510663）

引言

熱帶海島地理位置特殊，在“高溫、高濕、高輻照、高鹽霧”特殊氣候環境下電力設備容易發生腐蝕、老化，直接或間接導致了設備銹蝕、滲漏、異常發熱、機構卡澀等故障。為了保障特殊環境地區電力能源的穩定供應，提高電力設備的環境耐久性和服役壽命，有必要對當前電力設備服役環境進行研究分析。以環境綜合性和主導因素相結合原則，區域氣候特征相對一致性為準，對典型電力設備進行區劃在線監測，評估熱帶海島服役環境下電力設備和材料的性能狀態。

海南島被劃分為中熱帶、邊緣熱帶兩個溫度帶和濕潤區、半濕潤區、半干旱區3個干濕區。全島中東部大部分地區處于濕潤區，西部昌江、東方、樂東和南部三亞大部分地區處于半濕潤區，東方西部沿海地區屬于半干旱區[1]。其中邊緣熱帶濕潤氣候區占海南島一半多區域，年平均氣溫為22.8～24.8 ℃，受地形焚風作用或副高脊線控制，春夏季經常出現高溫配合高濕天氣，年平均日照時數達1845～2113 h，沿海地區長期維持高鹽霧環境條件，對電力設備的穩定服役造成惡劣影響。根據海南氣候區劃特點，在海南北部邊緣熱帶濕潤區的海口、西部內陸中熱帶濕潤區的儋州、東北部沿海熱帶濕潤區的文昌、中部山地邊緣熱帶濕潤區的五指山、南部沿海中熱帶半濕潤區的三亞和南海島礁等典型氣候區域對斷路器、變壓器、桿塔金具、密封材料等電網關鍵設備和材料開展服役環境和運行狀態數據的監測研究，同時對極易失效的電力設備基準材料開展現場實證試驗，對熱帶海島不同氣候區劃條件下電力設備的服役情況開展持續性研究，制定差異化標準，探索切實可行的環境適應性改進方案。

1 監測方案

根據海南島氣候區劃分原則，在全島典型環境區域開展實證試驗，主要可劃分為3類：服役環境數據監測、設備運行狀態數據監測、電力設備基準材料現場靜態試驗。

1.1 服役環境數據監測

服役環境數據監測包括大氣環境、設備服役微環境，在海南島典型站點監測電力設備所處大氣環境的太陽總輻射、紫外輻射、空氣溫濕度、降雨量、鹽霧、灰塵、腐蝕性氣體、腐蝕速率等環境因素并實時傳輸。同時對設備內部微環境腐蝕老化狀態的監測，與氣象環境監測系統相結合，實現對設備腐蝕、發熱異常、密封失效的監測與預警。

1.2 設備運行狀態數據監測

根據海南電網資產系統缺陷定級統計結果，受溫度、濕度、太陽輻照、鹽霧、腐蝕氣氛等服役環境影響，斷路器、變壓器、桿塔金具和密封件的腐蝕、老化現象嚴重，多表現為機構卡澀、異常發熱、外殼銹蝕、凝露和密封件老化龜裂等。實證點面對典型的4類設備材料開展狀態數據監測，如表1所示。

表1 典型電力設備及監測內容

1.3 電力設備基準材料現場靜態試驗

搭建小型戶外靜態試驗場地，包括試樣架、污染物采集平臺和環境基準材料。污染物采集平臺可采集鹽霧沉降量、硫化氫、氨氣、氮氧化物、硫酸鹽共5種污染物，表征大氣環境基準材料選擇常用電網金屬材料（Fe、Cu、Al、Zn）和高分子材料（硅橡膠、聚苯乙烯等）進行大氣自然暴露試驗，對基準材料進行腐蝕形貌觀察、腐蝕、老化速率分析和評級。

2 實證試驗方案

2.1 服役環境數據

1）大氣環境

海南島具有全年暖熱，雨量充沛，干濕季節明顯，日照時間長，紫外線強度高等氣候特點，容易造成電力設備發生缺陷，進而影響設備絕緣性能、機械性能、電氣性能和防護性能，如表2所示。

表2 熱帶海島環境對電力設備性能的影響

氣象環境在線監測系統針對試驗點的科研及試驗需求進行設計，對典型電氣設備服役環境條件包括溫濕度、輻照度、腐蝕環境等級、鹽霧濃度、降雨量等環境條件開展在線監測，用于實時監測試驗點試驗對象所處的實際氣象環境條件，為后續試驗分析提供數據支撐。氣象環境在線監測系統根據實際情況可選擇安裝于變電站地面區域或主控樓樓頂露天處，避免其它物體遮擋。

通過對典型實證點多種大氣環境因素的在線監測，將熱帶海島環境條件的歷史統計數據和監測數據進行整理分析，得出海南省典型熱帶海島的大氣腐蝕環境類型，構建出熱帶海島電力設備典型運行維護環境。

2）設備服役微環境

對電力設備服役微環境進行長期監測，分析各環境條件因素的變化規律，評價不同局部區域的環境腐蝕性。腐蝕監測根據ISA-71.04標準方法，使用高精度Cu測試片監測開關柜設備內部的微腐蝕環境。該方法通過在受測量電力設備服役環境中放置銅測試片，通過陰極還原法還原銅測試片表面的腐蝕產物膜，從而計算出Cu2O、CuO和Cu2S等腐蝕產物平均厚度，最后通過計算出作為最終測量結果的表面腐蝕產物膜總厚度平均值[2]，來獲得受測開關柜關鍵元器件內部服役環境的腐蝕性。微環境腐蝕標準分級如表3所示。

表3 微環境腐蝕標準分級

服役微環境監測可與氣象環境監測數據相結合實現對局部微環境（設備內）腐蝕老化狀態、密封失效、散熱異常、凝露、污穢等的監測與預警，針對電力設備服役微環境條件特征，研究適用于熱帶海島專用的腐蝕凈化技術，一定程度上消除腐蝕介質對設備內部的侵蝕。

2.2 設備運行狀態數據

1）斷路器狀態在線監測

斷路器的可靠性很大程度上取決于其機械操動系統的可靠性，熱帶海島環境下服役的斷路器大部分缺陷問題發生在機械故障上，包括操作機構卡澀、無法操作、拒分、拒合等現象。很大程度上熱帶海島高鹽霧環境所含氯離子活性強，Cl-不但可以增加液膜的電導率，還可以促進金屬表面鈍化膜破裂[3]，造成設備結構部件的機械卡澀，是電力設備金屬結構腐蝕的重要因素。

斷路器的分、合閘操作過程中，線圈電流的任何變化都是鐵芯運動細節的真實寫照。根據線圈電流的波形可以了解鐵芯的運動行程，依據電流波形以及電流信號的特征可以判斷鐵芯運動是否存在機械故障[4]。通過線圈電流和儲能電機電流的時間波形可獲取斷路器操動機構 （觸發）與線圈、脫扣器、輔助開關部件有關的特征值和啟動及工作狀態下的特征值，進而評估操動機構的健康度。

在對斷路器的進行機械特性監測過程中，提取內部服役微環境特征，依據環境影響作用機理、數理統計分析，對斷路器進行故障預警和健康狀況評估。根據腐蝕總量與斷路器狀態（如行程、時間）的算法模型，預測斷路器的失效時間。當斷路器機構材料受到腐蝕影響，將導致斷路器的分、合閘時間增長，當金屬腐蝕總量達到一定程度會直接導致斷路器分、合閘時間等重要參量超標。斷路器狀態診斷如圖1所示。

圖1 斷路器狀態診斷

在海南電力設備實際運行對比分析中發現，受外部環境影響，斷路器的金屬觸頭從化學腐蝕轉為電化學腐蝕，鹽成分和大氣中的腐蝕性氣體溶解于接觸表面的水膜中形成電解液，從而使接觸表面發生腐蝕，接觸電阻增大，導致發熱異常的情況。因此，還要重點考慮熱帶海島環境對開關設備連接處發熱異常的影響，提高設備觸頭的抗蝕能力。

在邊緣熱帶濕潤區選擇典型實證點，在開關柜內部安裝斷路器機械特性和溫度傳感器，對斷路器分合閘線圈電流、儲能電機電流和溫度進行在線監測，實時顯示監測點的參數變化曲線，結合服役微環境數據分析，完成開關設備健康狀況的綜合評價。

2）變壓器涂層老化在線監測

受熱帶海島特殊氣候環境影響，變壓器金屬材料腐蝕現象嚴重，多表現為外殼銹蝕、構架斷裂等表象。變壓器發生腐蝕的主要部件有殼體、油枕、放油閥、散熱片及法蘭，變壓器殼體、放油閥、油枕和散熱片的主要材質為碳鋼，目前主要防腐措施是外覆涂層，針對涂層失效，部件銹蝕的問題，進行涂層阻抗性能在線監測，了解變壓器涂層的壽命，并形成相應維護方案。

涂層阻抗傳感器可安裝于變壓器外殼表面上，在變壓器外殼涂層表面貼放涂層阻抗傳感器，在傳感器上噴涂與變壓器相同的涂層，與變壓器同時維護和噴涂，在定頻或一定頻率范圍內掃描其特征阻抗譜，結合等效電路圖分析，計算出相應特征參數，推測自然老化下變壓器涂層材料介電常數、含水率、孔隙率等參數變化情況，對涂層老化狀態做出預警。該方法用于了解變壓器涂層材料老化情況，對研究適用于熱帶海島電力設備用防腐材料、防腐工藝或方法提供數據支撐。

3）桿塔金具狀態在線監測

桿塔金具多采用鍍鋅鋼、碳鋼等金屬材料，這些設施多暴露于戶外露天環境中，海南的“高溫、高濕、高輻照、高鹽霧”加上“強風、強降雨、強雷暴、外力和積污”的侵襲，造成了桿塔金具的廣泛腐蝕與損耗。熱帶海島沿海地區大氣中的Cl-濃度較高，這使耐候鋼失去自修復能力，短時間內即發生快速腐蝕，應加大熱帶海島桿塔腐蝕的監控和防治工作，逐步開展監測研究。

在熱帶海島典型實證點的電力桿塔上預制金屬和涂層阻抗在線監測傳感器，對涂層材料阻抗在線監測，實現防腐涂層老化趨勢的在線監測。將與金具相同材質的金屬材料電阻傳感器安裝在金具旁，對該種金屬材料腐蝕速率在線監測，實現金具腐蝕狀態在線監測。實現對塔架涂層老化和金具腐蝕速率的在線監測，為相關環境試驗標準的制定提供數據依據，為該類產品的運維提供指導。

涂層阻抗傳感器固定在桿塔塔材上，安裝位置選取原則應不影響正常的輸電線路檢修維護工作，保證帶電安全距離，按無遮擋原則設計。

4）橡膠密封材料狀態在線監測

橡膠密封材料的性能對電力設備運行可靠性有重要的影響[5]。在海南電網多起電力設備滲漏缺陷中，主要原因在于受熱帶海島環境影響，尤其是高溫情況，密封件極易出現老化、塑性變形、龜裂等問題，最終喪失使用價值，導致變壓器油或SF6氣體的滲漏。針對橡膠密封材料的老化、孔隙率變大，導致涂層阻抗性能發生改變的特性，通過實時監測高分子材料老化/失效過程中阻抗特性變化情況，評估大氣環境下密封橡膠密封性能狀態。

操作方法為將實際使用的阻抗探頭設備預制在橡膠密封材料內（橡膠密封材料老化監測安裝示意圖如圖2所示），并放置在與實際應用橡膠密封材料相同位置，按GB/T 528-2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠應力應變性能的測定》方法施加應力并評估該環境下密封橡膠的性能變化過程，為橡膠密封材料因環境劣化和損傷的預防性維修提供實時數據，進一步預測高分子材料壽命和運維方案，對密封結構提出安全可靠的要求。

圖2 橡膠密封材料老化監測安裝示意圖

2.3 電力設備基準材料的現場靜態試驗

材料大氣腐蝕是最普遍存在的腐蝕類型，它是大氣環境諸多因素在材料表面的綜合作用的結果，主要是由于高溫度、高濕度、鹽分、含氯及硫等大氣環境加速材料的腐蝕，以及鍍層被破壞造成基材裸露，腐蝕進一步深入發展[6]。

在熱帶海島各個氣候區劃典型實證點搭建小型戶外靜態試驗場地（材料試驗平臺樣品架示意圖如圖3所示），采集污染物濃度，并選擇Q235、純鋅、純鋁、純銅四種金屬材料和硅橡膠等高分子材料進行自然大氣暴露試驗，取樣時間分別為1年、3年、5年和10年。金屬材料主要根據GB/T 19292.1-2003和GB/T 19292.2-2003的相關規定，利用化學方法清除金屬腐蝕產物，干燥、恒重后稱重，計算金屬材料腐蝕速率并評級。高分子材料主要根據GB/T 531.1-2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗方法第1部分：邵氏硬度計法（邵爾硬度)》進行老化速率測定分析。

圖3 材料試驗平臺樣品架示意圖

通過開展持續數年的監測研究，對不同自然條件的侵蝕和基材腐蝕情況進行統計分析，針對性采取不同的腐蝕防護措施，為失效評估工作提供可靠數據。

3 結語

為研究電力設備在熱帶海島不同氣候區域下的環境適應性和耐久性，本文研究提出了熱帶海島環境下電力設備監測方案，實現對大氣環境、服役微環境以及典型設備關鍵運行狀態的在線監測。在此基礎上，進一步研究提出了電力設備環境適應性實證試驗方案，通過對電力設備基準材料、關鍵零部件及設備的戶外實證和在線監測，能夠為電力設備環境試驗關聯性建模提供有效數據，進而可對電力設備熱帶海島環境下的防護設計提出優化建議，保障熱帶海島環境下電力設備的安全可靠運行。