熱帶海島環(huán)境下電力設(shè)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(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，?？?570311；2.熱帶智能電網(wǎng)實驗室，?？?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(huán)境下電力設(shè)備容易發(fā)生腐蝕、老化，直接或間接導致了設(shè)備銹蝕、滲漏、異常發(fā)熱、機構(gòu)卡澀等故障。為了保障特殊環(huán)境地區(qū)電力能源的穩(wěn)定供應(yīng)，提高電力設(shè)備的環(huán)境耐久性和服役壽命，有必要對當前電力設(shè)備服役環(huán)境進行研究分析。以環(huán)境綜合性和主導因素相結(jié)合原則，區(qū)域氣候特征相對一致性為準，對典型電力設(shè)備進行區(qū)劃在線監(jiān)測，評估熱帶海島服役環(huán)境下電力設(shè)備和材料的性能狀態(tài)。

海南島被劃分為中熱帶、邊緣熱帶兩個溫度帶和濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)3個干濕區(qū)。全島中東部大部分地區(qū)處于濕潤區(qū)，西部昌江、東方、樂東和南部三亞大部分地區(qū)處于半濕潤區(qū)，東方西部沿海地區(qū)屬于半干旱區(qū)[1]。其中邊緣熱帶濕潤氣候區(qū)占海南島一半多區(qū)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(jīng)常出現(xiàn)高溫配合高濕天氣，年平均日照時數(shù)達1845～2113 h，沿海地區(qū)長期維持高鹽霧環(huán)境條件，對電力設(shè)備的穩(wěn)定服役造成惡劣影響。根據(jù)海南氣候區(qū)劃特點，在海南北部邊緣熱帶濕潤區(qū)的海口、西部內(nèi)陸中熱帶濕潤區(qū)的儋州、東北部沿海熱帶濕潤區(qū)的文昌、中部山地邊緣熱帶濕潤區(qū)的五指山、南部沿海中熱帶半濕潤區(qū)的三亞和南海島礁等典型氣候區(qū)域?qū)嗦菲?、變壓器、桿塔金具、密封材料等電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備和材料開展服役環(huán)境和運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)測研究，同時對極易失效的電力設(shè)備基準材料開展現(xiàn)場實證試驗，對熱帶海島不同氣候區(qū)劃條件下電力設(shè)備的服役情況開展持續(xù)性研究，制定差異化標準，探索切實可行的環(huán)境適應(yīng)性改進方案。

1 監(jiān)測方案

根據(jù)海南島氣候區(qū)劃分原則，在全島典型環(huán)境區(qū)域開展實證試驗，主要可劃分為3類：服役環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測、設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測、電力設(shè)備基準材料現(xiàn)場靜態(tài)試驗。

1.1 服役環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測

服役環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測包括大氣環(huán)境、設(shè)備服役微環(huán)境，在海南島典型站點監(jiān)測電力設(shè)備所處大氣環(huán)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(huán)境因素并實時傳輸。同時對設(shè)備內(nèi)部微環(huán)境腐蝕老化狀態(tài)的監(jiān)測，與氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)對設(shè)備腐蝕、發(fā)熱異常、密封失效的監(jiān)測與預(yù)警。

1.2 設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測

根據(jù)海南電網(wǎng)資產(chǎn)系統(tǒng)缺陷定級統(tǒng)計結(jié)果，受溫度、濕度、太陽輻照、鹽霧、腐蝕氣氛等服役環(huán)境影響，斷路器、變壓器、桿塔金具和密封件的腐蝕、老化現(xiàn)象嚴重，多表現(xiàn)為機構(gòu)卡澀、異常發(fā)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(shè)備材料開展狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測，如表1所示。

表1 典型電力設(shè)備及監(jiān)測內(nèi)容

1.3 電力設(shè)備基準材料現(xiàn)場靜態(tài)試驗

搭建小型戶外靜態(tài)試驗場地，包括試樣架、污染物采集平臺和環(huán)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(huán)境基準材料選擇常用電網(wǎng)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(huán)境數(shù)據(jù)

1）大氣環(huán)境

海南島具有全年暖熱，雨量充沛，干濕季節(jié)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(shè)備發(fā)生缺陷，進而影響設(shè)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(huán)境對電力設(shè)備性能的影響

氣象環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)針對試驗點的科研及試驗需求進行設(shè)計，對典型電氣設(shè)備服役環(huán)境條件包括溫濕度、輻照度、腐蝕環(huán)境等級、鹽霧濃度、降雨量等環(huán)境條件開展在線監(jiān)測，用于實時監(jiān)測試驗點試驗對象所處的實際氣象環(huán)境條件，為后續(xù)試驗分析提供數(shù)據(jù)支撐。氣象環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)實際情況可選擇安裝于變電站地面區(qū)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(huán)境因素的在線監(jiān)測，將熱帶海島環(huán)境條件的歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理分析，得出海南省典型熱帶海島的大氣腐蝕環(huán)境類型，構(gòu)建出熱帶海島電力設(shè)備典型運行維護環(huán)境。

2）設(shè)備服役微環(huán)境

對電力設(shè)備服役微環(huán)境進行長期監(jiān)測，分析各環(huán)境條件因素的變化規(guī)律，評價不同局部區(qū)域的環(huán)境腐蝕性。腐蝕監(jiān)測根據(jù)ISA-71.04標準方法，使用高精度Cu測試片監(jiān)測開關(guān)柜設(shè)備內(nèi)部的微腐蝕環(huán)境。該方法通過在受測量電力設(shè)備服役環(huán)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(chǎn)物膜，從而計算出Cu2O、CuO和Cu2S等腐蝕產(chǎn)物平均厚度，最后通過計算出作為最終測量結(jié)果的表面腐蝕產(chǎn)物膜總厚度平均值[2]，來獲得受測開關(guān)柜關(guān)鍵元器件內(nèi)部服役環(huán)境的腐蝕性。微環(huán)境腐蝕標準分級如表3所示。

表3 微環(huán)境腐蝕標準分級

服役微環(huán)境監(jiān)測可與氣象環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合實現(xiàn)對局部微環(huán)境（設(shè)備內(nèi)）腐蝕老化狀態(tài)、密封失效、散熱異常、凝露、污穢等的監(jiān)測與預(yù)警，針對電力設(shè)備服役微環(huán)境條件特征，研究適用于熱帶海島專用的腐蝕凈化技術(shù)，一定程度上消除腐蝕介質(zhì)對設(shè)備內(nèi)部的侵蝕。

2.2 設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)

1）斷路器狀態(tài)在線監(jiān)測

斷路器的可靠性很大程度上取決于其機械操動系統(tǒng)的可靠性，熱帶海島環(huán)境下服役的斷路器大部分缺陷問題發(fā)生在機械故障上，包括操作機構(gòu)卡澀、無法操作、拒分、拒合等現(xiàn)象。很大程度上熱帶海島高鹽霧環(huán)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(shè)備結(jié)構(gòu)部件的機械卡澀，是電力設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)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(jié)的真實寫照。根據(jù)線圈電流的波形可以了解鐵芯的運動行程，依據(jù)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(gòu) （觸發(fā)）與線圈、脫扣器、輔助開關(guān)部件有關(guān)的特征值和啟動及工作狀態(tài)下的特征值，進而評估操動機構(gòu)的健康度。

在對斷路器的進行機械特性監(jiān)測過程中，提取內(nèi)部服役微環(huán)境特征，依據(jù)環(huán)境影響作用機理、數(shù)理統(tǒng)計分析，對斷路器進行故障預(yù)警和健康狀況評估。根據(jù)腐蝕總量與斷路器狀態(tài)（如行程、時間）的算法模型，預(yù)測斷路器的失效時間。當斷路器機構(gòu)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(tài)診斷如圖1所示。

圖1 斷路器狀態(tài)診斷

在海南電力設(shè)備實際運行對比分析中發(fā)現(xiàn)，受外部環(huán)境影響，斷路器的金屬觸頭從化學腐蝕轉(zhuǎn)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(fā)生腐蝕，接觸電阻增大，導致發(fā)熱異常的情況。因此，還要重點考慮熱帶海島環(huán)境對開關(guān)設(shè)備連接處發(fā)熱異常的影響，提高設(shè)備觸頭的抗蝕能力。

在邊緣熱帶濕潤區(qū)選擇典型實證點，在開關(guān)柜內(nèi)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(jiān)測，實時顯示監(jiān)測點的參數(shù)變化曲線，結(jié)合服役微環(huán)境數(shù)據(jù)分析，完成開關(guān)設(shè)備健康狀況的綜合評價。

2）變壓器涂層老化在線監(jiān)測

受熱帶海島特殊氣候環(huán)境影響，變壓器金屬材料腐蝕現(xiàn)象嚴重，多表現(xiàn)為外殼銹蝕、構(gòu)架斷裂等表象。變壓器發(fā)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(zhì)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(jiān)測，了解變壓器涂層的壽命，并形成相應(yīng)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(nèi)掃描其特征阻抗譜，結(jié)合等效電路圖分析，計算出相應(yīng)特征參數(shù)，推測自然老化下變壓器涂層材料介電常數(shù)、含水率、孔隙率等參數(shù)變化情況，對涂層老化狀態(tài)做出預(yù)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(shè)備用防腐材料、防腐工藝或方法提供數(shù)據(jù)支撐。

3）桿塔金具狀態(tài)在線監(jiān)測

桿塔金具多采用鍍鋅鋼、碳鋼等金屬材料，這些設(shè)施多暴露于戶外露天環(huán)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(qū)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(nèi)即發(fā)生快速腐蝕，應(yīng)加大熱帶海島桿塔腐蝕的監(jiān)控和防治工作，逐步開展監(jiān)測研究。

在熱帶海島典型實證點的電力桿塔上預(yù)制金屬和涂層阻抗在線監(jiān)測傳感器，對涂層材料阻抗在線監(jiān)測，實現(xiàn)防腐涂層老化趨勢的在線監(jiān)測。將與金具相同材質(zhì)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(jiān)測，實現(xiàn)金具腐蝕狀態(tài)在線監(jiān)測。實現(xiàn)對塔架涂層老化和金具腐蝕速率的在線監(jiān)測，為相關(guān)環(huán)境試驗標準的制定提供數(shù)據(jù)依據(jù)，為該類產(chǎn)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(yīng)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(shè)計。

4）橡膠密封材料狀態(tài)在線監(jiān)測

橡膠密封材料的性能對電力設(shè)備運行可靠性有重要的影響[5]。在海南電網(wǎng)多起電力設(shè)備滲漏缺陷中，主要原因在于受熱帶海島環(huán)境影響，尤其是高溫情況，密封件極易出現(xiàn)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(fā)生改變的特性，通過實時監(jiān)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(huán)境下密封橡膠密封性能狀態(tài)。

操作方法為將實際使用的阻抗探頭設(shè)備預(yù)制在橡膠密封材料內(nèi)（橡膠密封材料老化監(jiān)測安裝示意圖如圖2所示），并放置在與實際應(yīng)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(yīng)力應(yīng)變性能的測定》方法施加應(yīng)力并評估該環(huán)境下密封橡膠的性能變化過程，為橡膠密封材料因環(huán)境劣化和損傷的預(yù)防性維修提供實時數(shù)據(jù)，進一步預(yù)測高分子材料壽命和運維方案，對密封結(jié)構(gòu)提出安全可靠的要求。

圖2 橡膠密封材料老化監(jiān)測安裝示意圖

2.3 電力設(shè)備基準材料的現(xiàn)場靜態(tài)試驗

材料大氣腐蝕是最普遍存在的腐蝕類型，它是大氣環(huán)境諸多因素在材料表面的綜合作用的結(jié)果，主要是由于高溫度、高濕度、鹽分、含氯及硫等大氣環(huán)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(fā)展[6]。

在熱帶海島各個氣候區(qū)劃典型實證點搭建小型戶外靜態(tài)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(jù)GB/T 19292.1-2003和GB/T 19292.2-2003的相關(guān)規(guī)定，利用化學方法清除金屬腐蝕產(chǎn)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(jù)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(xù)數(shù)年的監(jiān)測研究，對不同自然條件的侵蝕和基材腐蝕情況進行統(tǒng)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(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

為研究電力設(shè)備在熱帶海島不同氣候區(qū)域下的環(huán)境適應(yīng)性和耐久性，本文研究提出了熱帶海島環(huán)境下電力設(shè)備監(jiān)測方案，實現(xiàn)對大氣環(huán)境、服役微環(huán)境以及典型設(shè)備關(guān)鍵運行狀態(tài)的在線監(jiān)測。在此基礎(chǔ)上，進一步研究提出了電力設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性實證試驗方案，通過對電力設(shè)備基準材料、關(guān)鍵零部件及設(shè)備的戶外實證和在線監(jiān)測，能夠為電力設(shè)備環(huán)境試驗關(guān)聯(lián)性建模提供有效數(shù)據(jù)，進而可對電力設(shè)備熱帶海島環(huán)境下的防護設(shè)計提出優(yōu)化建議，保障熱帶海島環(huán)境下電力設(shè)備的安全可靠運行。