GIS設(shè)備操動機構(gòu)鹽霧老化試驗及分析

閆亞剛 李忠富 陳亮 王艷芳

摘 要：ZF11C-252型GIS是為了適應(yīng)城市發(fā)展新開發(fā)的一種占地面積小、輕型化、模塊化的252 kV小型GIS。操動機構(gòu)作為GIS的重要組成部分，在設(shè)計前期已經(jīng)考慮了沿海鹽霧極端環(huán)境因素，本文根據(jù)GIS的使用條件設(shè)計出一種針對GIS操動機構(gòu)的鹽霧老化試驗，旨在驗證GIS操動機構(gòu)能否保證設(shè)計壽命內(nèi)的可靠性，同時控制金屬材料相關(guān)制品質(zhì)量，根據(jù)試驗結(jié)果及時改進設(shè)計方案，并為高壓開關(guān)設(shè)備的全壽命周期成本研究提供數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：GIS;操動機構(gòu);鹽霧試驗

中圖分類號：TM595文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）01-0032-04

Abstract： ZF11C-252 GIS is a 252 kV GIS with small footprint， light weight and modularity， which is newly developed to adapt to urban development. Operating mechanism is an important part of GIS. The extreme environmental factors of coastal salt fog were considered in the early stage of design. According to the use conditions of GIS， a salt spray aging test for GIS operating mechanism was designed in this paper to verify the operation of GIS. Whether the dynamic mechanism can guarantee the reliability within the design life， at the same time control the quality of metal material-related products， and improve the design plan in time based on the test results. On the other hand， it can provide data support for the study of the full life cycle cost of high-voltage switchgear.

Keywords： GIS;operating mechanism;salt spray test

高壓開關(guān)GIS（Gas Insulated Switchgear，氣體絕緣組合電器）設(shè)備的全壽命周期成本分析中，MTBF（Mean Time Between Failure，平均故障間隔時間）是一個可靠性指標(biāo)，可直接影響全壽命周期成本估算準(zhǔn)確性。GIS設(shè)備一般理論壽命為30年，維修周期超過10年以上，若在正常環(huán)境條件下驗證需要花費大量時間和精力，常規(guī)試驗驗證不具有可操作性。目前，可行的做法是利用高應(yīng)力下的試驗值去外推正常應(yīng)力水平下的試驗值，即利用加速老化試驗驗證。

鹽霧試驗是一種通過鹽霧試驗設(shè)備來模擬的環(huán)境試驗，常用于對產(chǎn)品耐腐蝕能力的質(zhì)量評估與失效驗證[1]。與天然環(huán)境相比，鹽霧試驗?zāi)M出的鹽霧環(huán)境的氯化物的鹽濃度很高，是一般天然環(huán)境鹽霧含量的幾倍或幾十倍，能大大提高腐蝕速度。在該環(huán)境下對產(chǎn)品進行鹽霧試驗，得出結(jié)果的時間大大縮短[2]。本文以ZF11C-252型GIS為研究對象，主要針對GIS設(shè)備中故障率最高、質(zhì)量最薄弱的操動機構(gòu)進行鹽霧加速老化試驗及分析，以評定操動機構(gòu)對鹽霧環(huán)境的耐受能力及其在煙霧環(huán)境中的功能可靠性，最終得到GIS設(shè)備整體可靠性指標(biāo)MTBF值。操動機構(gòu)內(nèi)部主要包括傳動部件、控制部件、緩沖部件、緊固部件、儲能部件、分合閘線圈、輔助開關(guān)、行程開關(guān)和電機、外殼等，具有大量的金屬部件、電子元件、環(huán)氧樹脂、工程塑料等材料。各材料特性及表面處理工藝不同，在鹽霧（包括溫度和濕度的影響）、機械、溫度交變和濕熱等應(yīng)力下的失效機理就不同，在使用條件下的腐蝕反應(yīng)也不大相同，目前尚無現(xiàn)成的鹽霧腐蝕加速試驗?zāi)Ｐ汀?/p>

1 試驗環(huán)境及方案確定

目前常用的鹽霧試驗方法有中性鹽霧試驗（NSS試驗）、乙酸鹽霧試驗（AASS試驗）、銅加速乙酸鹽霧試驗（CASS試驗）。其中，中性鹽霧試驗適用于金屬及其合金、金屬覆蓋層（陽極性或陰極性）、轉(zhuǎn)化膜、陽極氧化膜、金屬基體上的有機涂層[3];乙酸鹽霧試驗、銅加速乙酸鹽霧試驗條件下，材料的腐蝕機理和腐蝕產(chǎn)物可能出現(xiàn)較大差異變化，導(dǎo)致高應(yīng)力條件外推正常應(yīng)力水平試驗結(jié)果失真?？紤]到操動機構(gòu)的構(gòu)成部件所用材料的特征，根據(jù)實際使用環(huán)境選取人工加速鹽霧實驗中的中性鹽霧試驗方法（NSS試驗）進行測試，并按《可靠性鑒定和驗收試驗》（GJB 899A—2009）規(guī)定的定時截尾統(tǒng)計試驗方案[4]，具體參數(shù)如表1所示。

按上述參數(shù)，操動機構(gòu)整體要求達到可靠性指標(biāo)MTBF≥12年，總試驗或承受試驗應(yīng)力的累積時間為T≥1.61×12=19.4（臺年）。根據(jù)中性鹽霧加速試驗經(jīng)驗值，中性鹽霧試驗24 h相當(dāng)于產(chǎn)品在正常使用環(huán)境條件下1年的時間，即24×19.4=466（臺時），若以1臺操動機構(gòu)整體進行466 h中性鹽霧加速試驗，按定時截尾統(tǒng)計試驗方案，試驗過程中無任何故障，可認為機構(gòu)整體可靠性指標(biāo)MTBF達到12年。

2 試驗項目及過程

2.1 試驗樣機

參試樣機選擇ZF11C-252型GIS所用操動機構(gòu)1臺，由支架、機構(gòu)本體、外殼組成。其中支架非本試驗考核對象，僅起著支撐、運輸、吊裝操動機構(gòu)的作用。樣機外觀示意圖如圖1所示。

2.2 試驗時間

采用定時截尾試驗，試驗件經(jīng)設(shè)定小時數(shù)試驗后，不允許出現(xiàn)失效的樣本，否則判定試驗不通過。操動機構(gòu)預(yù)定年限為30年，滿12年（466 h）后取出樣機進行第一次功能性試驗，滿足要求后繼續(xù)進行老化試驗，此后每隔6年（233 h）打開進行檢測，直至30年的年限或發(fā)生失效，試驗時間設(shè)定見表2。

2.3 動作預(yù)估

鹽霧加速老化試驗過程中，需要根據(jù)機構(gòu)整體壽命年限內(nèi)總的動作次數(shù)以及具體使用情況，合理分配各小時內(nèi)的分合閘動作次數(shù)和停留時間，模擬正常條件下MTBF值內(nèi)操動機構(gòu)的動作情況。假設(shè)機構(gòu)每年分合閘動作10次，MTBF=12年的分合閘動作次數(shù)為120次，結(jié)合鹽霧加速老化試驗時間466 h，則機構(gòu)每233 min動作1次，其中約1/10的時間為斷開狀態(tài)，9/10的時間為接通狀態(tài)，則單次斷開狀態(tài)時間為23.3 min，單次接通狀態(tài)時間為209.7 min。鹽霧試驗狀態(tài)如圖2所示。

2.4 試驗要求

2.4.1 試驗前檢查。試驗前檢查嚴格按照工廠出廠試驗標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。對于操動機構(gòu)而言，主要包括機械特性試驗、高低壓操作試驗、二次回路1 min耐壓試驗、分合閘線圈電阻測試以及外觀完好性檢查。

2.4.2 試驗期間檢查。試驗期間檢查主要包含狀態(tài)檢查和性能測試。狀態(tài)檢查為每隔一段時間檢查樣機各部件表面狀態(tài)變化（如粉化、掉漆、生銹、變形、起皮等變化），記錄時間、位置、范圍、數(shù)量等信息。性能測試為在特定機械預(yù)估動作的時間節(jié)點對機構(gòu)分合閘線圈進行通電操作，測試其動作電流曲線和電阻值。

2.4.3 試驗結(jié)束檢查。試驗結(jié)束檢查主要包括狀態(tài)檢查、性能測試和淋雨試驗。狀態(tài)檢查為檢查樣機各部件表面狀態(tài)情況，記錄位置、范圍、數(shù)量等信息。性能測試是在加速老化試驗后按工廠出廠試驗標(biāo)準(zhǔn)進行各項技術(shù)指標(biāo)復(fù)測，進而判定樣機是否通過加速老化試驗驗證。淋雨試驗則是驗證機構(gòu)外殼歷經(jīng)加速老化試驗后的防護有效性（見圖3）。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

在試驗前、試驗過程中和試驗后均需要對試驗情況進行記錄，主要包括以下內(nèi)容：樣品形貌變化;力學(xué)性能和電學(xué)性能的變化;第一個腐蝕跡象出現(xiàn)所經(jīng)歷的時間;必要時通過顯微照相檢測揭示的變化過程;試驗結(jié)束后，應(yīng)進行機構(gòu)的機械性能試驗、輔助和控制回路的功能性試驗。

3.2 結(jié)果分析

試驗前的環(huán)境情況為：環(huán)境溫度為29 ℃;相對濕度為46%;氣壓為101 kPa。通過進行外觀完好性檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。試驗前進行的相關(guān)試驗結(jié)果如表3所示。

試驗后的環(huán)境情況為：環(huán)境溫度為28 ℃;相對濕度為50%;氣壓為101 kPa。通過進行外觀完好性檢查，發(fā)現(xiàn)局部存在稍微銹蝕現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。試驗后進行的相關(guān)試驗結(jié)果如表4所示。

對比試驗前后數(shù)據(jù)可知，樣品外觀無明顯缺陷，僅在局部出現(xiàn)輕微銹蝕現(xiàn)象，并且其電學(xué)性能、力學(xué)性能測量值均在出廠試驗標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，同時最為關(guān)鍵的輔助和控制回路的功能性試驗測量值也在出廠試驗標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。因此，可認為操動機構(gòu)整體可靠性指標(biāo)MTBF值達到12年。

4 結(jié)語

ZF11C-252型GIS設(shè)備操動機構(gòu)經(jīng)鹽霧加速老化試驗，其可靠性指標(biāo)MTBF合格，取得鹽霧老化初步試驗數(shù)據(jù)，為下一階段老化試驗分析趨勢提供可靠數(shù)據(jù)，同時為全壽命周期成本研究中的壽命周期提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]劉付洋，楊德虎，胡奕.中性鹽霧試驗的分析與研究[J].環(huán)境技術(shù)，2018（4）：7-9.

[2]申丹華，劉向.中性鹽霧試驗淺析[C]//河南省汽車工程學(xué)會.第十一屆河南省汽車工程科技學(xué)術(shù)研討會論文集.河南省汽車工程學(xué)會，2014：253-255.

[3]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗：GB/T 10125—2012[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.