引言

隨著全球配電網(wǎng)的日趨完善，用戶對(duì)線路配套開(kāi)關(guān)設(shè)備的可靠性運(yùn)行要求也越來(lái)越高。其中，戶外柱上負(fù)荷開(kāi)關(guān)作為一種12~24 KV柱上開(kāi)關(guān)設(shè)備，具備一定的可開(kāi)斷負(fù)荷電流及關(guān)合故障電流能力，適用于傳統(tǒng)架空線路和帶絕緣導(dǎo)線的架空線路，并可配置電流互感器（傳感器）、電壓互感器（傳感器）及遠(yuǎn)程控制箱，易實(shí)現(xiàn)多種配網(wǎng)自動(dòng)化方案，兼具應(yīng)用靈活性和經(jīng)濟(jì)性，在全球被廣泛使用。

不同于戶內(nèi)開(kāi)關(guān)柜產(chǎn)品，戶外柱上負(fù)荷開(kāi)關(guān)應(yīng)用于戶外環(huán)境，面臨各種苛刻的環(huán)境條件，例如鹽霧、沙塵、冰雪、潮濕等，同時(shí)全球各地區(qū)氣候存在明顯差異，例如新西蘭（靠海岸線）地區(qū)的高鹽高濕、非洲赤道地區(qū)的高溫高紫外線輻射等，這對(duì)戶外負(fù)荷開(kāi)關(guān)的長(zhǎng)期可靠性運(yùn)行提出了較高的要求。

通過(guò)對(duì)全球各地區(qū)柱上開(kāi)關(guān)運(yùn)行的調(diào)查了解得知，諸多用戶遇到了負(fù)荷開(kāi)關(guān)在運(yùn)行若干年后性能下降、功能老化等問(wèn)題。在進(jìn)一步對(duì)戶外負(fù)荷開(kāi)關(guān)大量實(shí)際應(yīng)用案例的研究基礎(chǔ)上，本文通過(guò)采用系統(tǒng)的六西格瑪（DMAIC）分析模式，提出了貼合實(shí)際應(yīng)用的應(yīng)對(duì)老化問(wèn)題的方案和建議，同時(shí)介紹了創(chuàng)新性的密封檢測(cè)方法，能在保證每臺(tái)戶外負(fù)荷開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)密封性能的同時(shí)，具備優(yōu)異的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行能力。

1戶外柱上負(fù)荷開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)[1]

戶外柱上負(fù)荷開(kāi)關(guān)主要由操作機(jī)構(gòu)、氣室和支撐絕緣子組成，按操作機(jī)構(gòu)操作方式分為手動(dòng)和電動(dòng)；按氣室滅弧介質(zhì)分為真空式、有機(jī)材料產(chǎn)氣式、六氣化硫（SF6）式等多種類型。對(duì)于所有類型的戶外負(fù)荷開(kāi)關(guān)，為保證長(zhǎng)期正常運(yùn)行和使用，其操作機(jī)構(gòu)被視為重要的核心部件，不僅需要保證操作次數(shù)達(dá)到額定壽命要求，同時(shí)機(jī)構(gòu)整體密封性能和外殼的耐腐蝕性也需要能承受嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

2柱上負(fù)荷開(kāi)關(guān)可靠性現(xiàn)狀

對(duì)于全球各家負(fù)荷開(kāi)關(guān)廠商旗下的產(chǎn)品，在正式投入生產(chǎn)之前，均已通過(guò)型式試驗(yàn)方式完成了電氣技術(shù)要求和機(jī)械壽命次數(shù)的完整驗(yàn)證。

ABB公司是電力和自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域廠商，其生產(chǎn)的戶外柱上SF6負(fù)荷開(kāi)關(guān)NXB為免維護(hù)型負(fù)荷開(kāi)關(guān)，具備主流的電氣技術(shù)參數(shù)，主要為：（1）電壓等級(jí)12~24KV；（2）額定電流630A；（3）有功負(fù)載開(kāi)斷電流630 A；（4）額定壽命次數(shù)5 000次；（5）防護(hù)等級(jí)IPX7水下1 m可以浸泡30 min[2]。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，公司已有數(shù)萬(wàn)臺(tái)負(fù)荷開(kāi)關(guān)應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外中壓電力系統(tǒng)中。

“質(zhì)量至上”是ABB公司的經(jīng)營(yíng)理念，公司會(huì)不定期對(duì)生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行可靠性和全生命周期調(diào)研。在此前一次針對(duì)戶外柱上SF6負(fù)荷開(kāi)關(guān)的運(yùn)行可靠性調(diào)研和評(píng)估中，了解到產(chǎn)品運(yùn)行存在異常表現(xiàn)，通過(guò)進(jìn)一步收集產(chǎn)品的售后服務(wù)記錄和客戶的反績(jī)信息并系統(tǒng)分析，了解到負(fù)荷開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)出現(xiàn)批量老化異常，甚至影響產(chǎn)品正常功能。

2.1典型可靠性問(wèn)題

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，分布在新西蘭、阿根廷、澳洲、巴西、智利的柱上SF6負(fù)荷開(kāi)關(guān)，集中性出現(xiàn)操作機(jī)構(gòu)銹蝕、進(jìn)水問(wèn)題，如圖1所示。

經(jīng)過(guò)調(diào)查了解，這些區(qū)域多數(shù)產(chǎn)品具有如下共同特征：（1）自產(chǎn)品開(kāi)始投入使用，在戶外運(yùn)行超過(guò)四年；（2）操作機(jī)構(gòu)部位出現(xiàn)不同程度老化，甚至外殼漆層掉落，部分機(jī)構(gòu)操作桿被腐化漆層粘滯卡住無(wú)法合分操作；(3)部分操作機(jī)構(gòu)密封失效，內(nèi)部進(jìn)水潮濕，機(jī)構(gòu)部件銹蝕無(wú)法操作。

以上問(wèn)題嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的運(yùn)行可靠性，因此緊急成立了以技術(shù)和質(zhì)量為主導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，目的在于針對(duì)柱上負(fù)荷開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)外殼腐蝕及機(jī)構(gòu)進(jìn)水問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)性調(diào)查分析，提出改進(jìn)措施和驗(yàn)證，消除質(zhì)量隱患。

2.2問(wèn)題原因分析

對(duì)于腐蝕和進(jìn)水問(wèn)題，基于頭腦風(fēng)暴方法，如圖2所示，在人、機(jī)、料、法、環(huán)五個(gè)維度進(jìn)行完整分析，識(shí)別出如下可能原因，并做要因確認(rèn)和針對(duì)性改進(jìn)，同時(shí)進(jìn)行方案的可靠性驗(yàn)證。

2.2.1環(huán)境方面問(wèn)題(環(huán)境）

通過(guò)對(duì)集中性問(wèn)題爆發(fā)地區(qū)的環(huán)境進(jìn)行調(diào)查了解，發(fā)現(xiàn)它們存在共同特點(diǎn)，即不僅常年雨水充沛，也擁有狹長(zhǎng)的海岸線，環(huán)境具有高濕、高鹽特點(diǎn)。參照環(huán)境等級(jí)（ISO 12944—2）劃分方法[3]，這些地區(qū)環(huán)境等級(jí)接近或?qū)儆贑X—極其苛刻，而戶外負(fù)荷開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)漆層防腐等級(jí)設(shè)計(jì)一般僅為C3，不適用于特殊區(qū)域，例如CX環(huán)境等級(jí)。

2.2.2機(jī)構(gòu)密封圈類型不適用(物料）

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題負(fù)荷開(kāi)關(guān)所有密封部位進(jìn)行詳細(xì)檢查，了解到某些部位密封圈開(kāi)裂，密封失效。通過(guò)核對(duì)操作機(jī)構(gòu)所有部位密封圈類型，有兩種物料類型被使用：丁睛橡膠(NBR）和三元乙丙橡膠（EPDM），開(kāi)裂的密封圈類型為丁睛橡膠（NBR）。查閱相關(guān)資料了解到：（1）丁睛橡膠（NBR）耐油性極好，摩擦力與摩擦阻力力矩小，耐磨性較高，耐熱性較好，粘接力強(qiáng)；（2）三元乙丙橡膠（EPDM）耐氧化、抗硫化、抗臭氧和抗侵蝕能力優(yōu)越。相比兩種類型材料，顯然三元乙丙橡膠（EPDM）因其有良好的耐候性而更適用于戶外嚴(yán)苛的環(huán)境。

2.2.3密封功能檢測(cè)不完整（方法）

戶外SF6負(fù)荷開(kāi)關(guān)防水等級(jí)為IPX7，然而該防水等級(jí)的驗(yàn)證測(cè)試僅在產(chǎn)品型式試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行。由于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)未做強(qiáng)制性要求，同時(shí)考慮到測(cè)試成本和實(shí)施難度，大部分廠家在日常生產(chǎn)中無(wú)法把負(fù)荷開(kāi)關(guān)逐臺(tái)投入水中進(jìn)行IPX7檢測(cè)。當(dāng)生產(chǎn)裝配制程或密封材料出現(xiàn)異常，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)密封不合格時(shí)，無(wú)法在產(chǎn)品出廠前及時(shí)發(fā)現(xiàn)，因而產(chǎn)品投入現(xiàn)場(chǎng)使用一段時(shí)間后即出現(xiàn)操作機(jī)構(gòu)進(jìn)水、內(nèi)部部件腐蝕等問(wèn)題。

3可靠性方案

針對(duì)以上三個(gè)主要原因，尋找對(duì)應(yīng)的解決方案。3.1操作機(jī)構(gòu)耐腐蝕方案

首先正確識(shí)別產(chǎn)品所使用的地區(qū)環(huán)境等級(jí)，參考國(guó)際環(huán)境等級(jí)（ISO 12944—2），應(yīng)用在高鹽、高濕的CX地區(qū)時(shí)，負(fù)荷開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)外殼的防腐蝕等級(jí)需由原來(lái)的C3提升至CX，使產(chǎn)品能夠適用于CX環(huán)境，特別是海岸線周邊的應(yīng)用場(chǎng)合。

在提升負(fù)荷開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)外殼防腐等級(jí)至CX的過(guò)程中，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，可特別關(guān)注如下過(guò)程工藝，便于一次性通過(guò)嚴(yán)苛的環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，即老化循環(huán)驗(yàn)證。

3.1.1操作機(jī)構(gòu)材料

殼體可采用鋁合金鑄件，根據(jù)ENAC-44300[4]壓鑄鋁合金的化學(xué)成分表，建議銅含量小于0.1%，以確保金屬基件具有較好的抗銹蝕能力。

3.1.2鑄造工藝

在鑄件鑄造過(guò)程中，其孔隙率控制在小于或等于等級(jí)3，同時(shí)鑄件表面無(wú)裂紋、流痕、欠鑄等缺陷，及時(shí)清理鑄件飛邊、渣包、頂針印痕、分型線；鑄件表面無(wú)撓曲、變形現(xiàn)象。

3.1.3漆噴涂

粉末或油漆噴涂厚度控制在大于等于200μm，漆層附著力測(cè)試應(yīng)滿足GB/T 9286—1998《色漆和清漆漆膜的劃格試驗(yàn)》常規(guī)要求。

3.1.4驗(yàn)證測(cè)試

噴涂外殼應(yīng)進(jìn)行一次環(huán)境老化循環(huán)測(cè)試并通過(guò)，即IS9 12944-9—2018《防護(hù)漆對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的防腐第9部分防護(hù)漆體系和實(shí)驗(yàn)室性能試驗(yàn)方法》[5]規(guī)定的4 200 h老化循環(huán)驗(yàn)證測(cè)試，其中一個(gè)循環(huán)包含72 h紫外線輻射、72 h中性鹽霧及24 h低溫環(huán)境暴露測(cè)試，共計(jì)25個(gè)循環(huán)，如圖3所示。

3.2操作機(jī)構(gòu)密封圈材料

根據(jù)對(duì)丁睛橡膠（NBR）和三元乙丙橡膠（EPDM）優(yōu)缺點(diǎn)的比對(duì)，對(duì)于暴露在外部環(huán)境中的密封圈，材料應(yīng)選擇三元乙丙橡膠（EPDM）。密封圈的壓縮率一般控制在15%~25%。

3.3操作機(jī)構(gòu)密封功能測(cè)試

戶外產(chǎn)品的密封性能為產(chǎn)品關(guān)鍵性能之一，需要進(jìn)行嚴(yán)格的把控。

基于國(guó)標(biāo)GB/T 4208—2017《外殼防護(hù)等級(jí)（IP代碼）》要求，操作機(jī)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行IPX7防水等級(jí)測(cè)試以驗(yàn)證密封性能。從應(yīng)用層面考慮，試驗(yàn)方法可以采用創(chuàng)新性的負(fù)壓檢測(cè)替代較為復(fù)雜的1 m水深1 min的沉水測(cè)試。負(fù)壓檢測(cè)具備成本低、易操作等特點(diǎn)，具體方式為用抽氣泵從操作機(jī)構(gòu)箱抽取空氣產(chǎn)生一定的負(fù)壓值后，切斷負(fù)壓泵，保持1 min，過(guò)程中通過(guò)空氣壓力傳感器監(jiān)視操作機(jī)構(gòu)中的空氣壓差值浮動(dòng)情況（一般浮動(dòng)值<1%）來(lái)判斷密封性能是否合格。

負(fù)壓值的設(shè)定依據(jù)：根據(jù)GB/T 4208—2017《外殼防護(hù)等級(jí)（IP代碼）》1 m水深壓強(qiáng)計(jì)算公式p=pgh（p為密度，p=1 000 kg/m3；g為重力加速度，g=9.8 N/kg；h為水深，單位m），得到等效的空氣負(fù)壓值為0.01 MPa。

4結(jié)束語(yǔ)

隨著配網(wǎng)自動(dòng)化的進(jìn)一步實(shí)施推廣，戶外柱上開(kāi)關(guān)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用數(shù)量將越來(lái)越龐大，其體現(xiàn)的作用也會(huì)越來(lái)越明顯。而可靠性防腐方案的應(yīng)用及密封性的有效檢測(cè)，為產(chǎn)品在嚴(yán)苛環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)，為用戶使用的安全性、經(jīng)濟(jì)性提供了保證，對(duì)外也確保了公司的優(yōu)質(zhì)服務(wù)水平和品牌形象，使產(chǎn)品有了更廣闊的發(fā)展前景。