王振，楊育豐，劉坤，國建寶，鞠偉，王有亮，吳健穎

(1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司檢修試驗中心，廣東 廣州 510663；2.中國賽寶實驗室，廣東 廣州 510610)

興安直流輸電工程自2007年投運以來一直運行平穩(wěn)，但是2017年7月10日后，累計發(fā)現(xiàn)32只同一型號繼電器出現(xiàn)塑料表面析出油質(zhì)導(dǎo)電液體的現(xiàn)象，其常開輔助觸點間絕緣電阻大幅降低，并導(dǎo)致了多起交流濾波器跳閘事件，嚴(yán)重威脅直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司為此特別成立繼電器失效原因分析及運維措施研究的技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊，對繼電器絕緣失效導(dǎo)致交流濾波器跳閘事件進(jìn)行深入研究，分析繼電器絕緣失效機(jī)理并提出相應(yīng)解決方案。

本文以興安直流控制保護(hù)所用的同型號繼電器為對象開展研究：首先分析繼電器的物理和電氣結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)該型號繼電器在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面存在缺陷[1]；然后解析繼電器塑料表面出現(xiàn)油質(zhì)導(dǎo)電液體的故障表象，根據(jù)液體和塑料的成分檢測分析結(jié)果，推斷出油質(zhì)液體來源于塑料生產(chǎn)過程中添加的助劑；根據(jù)時溫等效原理設(shè)置實驗條件，對繼電器塑料樣品開展加速油質(zhì)液體析出實驗，對理論分析結(jié)果的正確性進(jìn)行驗證；最后，分析繼電器絕緣失效機(jī)理，并提出相應(yīng)的反事故措施，以防止繼電器失效導(dǎo)致交流濾波器跳閘或直流閉鎖事件的發(fā)生。

1 繼電器絕緣失效機(jī)理分析

1.1 繼電器解剖分析

為了研究繼電器絕緣失效是否與繼電器的物理電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)，首先對繼電器進(jìn)行解剖分析。絕緣失效繼電器為插拔式繼電器，整體為塑料結(jié)構(gòu)，一面分布輸入端電源節(jié)點接線柱和輸出端輔助觸點接線柱，其他表面為透明塑料殼包裹，塑料殼內(nèi)包含勵磁線圈、印制電路板(printed circuit board，PCB)、彈簧等部件。繼電器負(fù)極金屬接線一端與負(fù)極輔助觸點(輔助觸點3)相連接，另一端與繼電器動觸頭相連接。動觸頭與正極輔助觸點(輔助觸點7)保持常開，繼電器勵磁時閉合[2-7]。如圖1所示，負(fù)極金屬接線的一部分從正極接線柱繞過，正極接線柱和負(fù)極金屬接線之間無塑料隔離，為鏤空結(jié)構(gòu)，兩者相距1.8 mm，若鏤空處出現(xiàn)導(dǎo)電性的異物，可能導(dǎo)致絕緣失效。

圖1 繼電器負(fù)極金屬接線與正極接線柱之間的隔離

2017年7月10日及9月19日連續(xù)發(fā)生的兩起濾波器開關(guān)跳閘事件，均出現(xiàn)了繼電器輔助觸點3、7接線柱之間絕緣降低的情況。事件發(fā)生當(dāng)天用絕緣搖表測量繼電器輔助觸點3、7接線柱之間絕緣均為0，其他輔助觸點接線柱之間的絕緣電阻也存在不同程度的降低。對跳閘事件更換下來的繼電器進(jìn)行研究，在繼電器輔助觸點7接線柱處出現(xiàn)大量藍(lán)綠色銹蝕物，銹蝕處與接線柱平面相比略為膨脹(如圖2所示)，其他接線柱與塑料接觸的部位同樣存在少量藍(lán)綠色銹蝕物。更換下來的繼電器的塑料表面均附著有油質(zhì)液體，且有部分白色晶體物質(zhì)散布，如圖3所示。

圖2 繼電器輔助觸點7接線柱表面

圖3 繼電器接線柱塑料表面的油狀液體與白色晶體

為分析輔助觸點接線柱之間絕緣降低是否為油質(zhì)液體導(dǎo)致，對與繼電器輔助觸點接線柱存在直接物理接觸的塑料表面進(jìn)行電阻測量。根據(jù)液體分布的密集程度，將塑料表面分為液體分布密集區(qū)、液體分布稀疏區(qū)和無液體分布區(qū)，采用萬用表分別進(jìn)行測量，并分析比較液體對塑料整體導(dǎo)電性能的影響，測量結(jié)果見表1(萬用表探針相距1 mm)。

表1 繼電器塑料表面電阻測量結(jié)果

由表1可知，繼電器輔助觸點所在的塑料表面電阻與液體分布情況相關(guān)，液體分布越密集，塑料表面電阻越小，無液體分布的區(qū)域絕緣良好。因此判斷塑料表面的油質(zhì)液體能夠?qū)щ?，是?dǎo)致繼電器絕緣降低的因素。

1.2 繼電器液體成分分析

為了研究塑料表面油質(zhì)液體的導(dǎo)電機(jī)理，在中國賽寶實驗室采用紅外光譜分析[8]，根據(jù)油質(zhì)液體光譜曲線中各波段波峰分布情況檢測油質(zhì)液體的主要成分。繼電器表面油質(zhì)液體和C4H8O2·2H3PO4紅外光譜對比如圖4所示?？梢钥闯觯唾|(zhì)液體在各波長段下波峰分布情況與C4H8O2·2H3PO4一致，因此判斷油質(zhì)液體的主要成分為C4H8O2·2H3PO4。

圖4 繼電器表面油質(zhì)液體(曲線1)與C4H8O2·2H3PO4(曲線2)紅外光譜對比

采用電鏡能譜分析方法[9-10]檢測油質(zhì)液體樣品所含的主要元素，電鏡能譜圖如圖5所示，樣品中主要元素的含量見表2。

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由圖5和表2可知，油質(zhì)液體的主要元素為C、O、P、N，其中C、O、P元素與紅外光譜檢測出的C4H8O2·2H3PO4主要元素相對應(yīng)。

1.3 繼電器液體來源分析

為了進(jìn)一步分析繼電器絕緣失效的原因，對繼電器表面油質(zhì)液體的來源進(jìn)行分析。油質(zhì)液體的來源可分為繼電器外部污染和繼電器內(nèi)部生成2種途徑：

a)繼電器外部污染：與繼電器在物理上有直接接觸的外部空氣中的物質(zhì)，在一定條件下生成液體，并附著到繼電器表面。

b)繼電器內(nèi)部生成：繼電器內(nèi)部部件如塑料、勵磁線圈、PCB元器件、塑料外殼等在一定條件下滲析出液體。

繼電器外部污染生成液體的可能性分析：繼電器工作在繼電器小室的屏柜內(nèi)部，工作環(huán)境中的溫度和濕度都在可控狀態(tài)。油質(zhì)液體中除C、O之外含量最高的元素為P，而正常情況下空氣中主要成分為氮氣、氧氣、二氧化碳、水蒸氣等物質(zhì)，均不含P元素，因此排除空氣中的物質(zhì)直接生成油質(zhì)液體的可能性。根據(jù)繼電器歷史故障情況，出現(xiàn)絕緣故障的繼電器集中出現(xiàn)在特定型號繼電器，而與失效繼電器處于同一小室甚至同一屏柜內(nèi)的其他型號繼電器并未大量出現(xiàn)絕緣故障，因此判斷通過外部污染產(chǎn)生油質(zhì)液體的可能性較低。

繼電器內(nèi)部生成液體的可能性分析：觀察發(fā)現(xiàn)油質(zhì)液體在繼電器塑料表面散布，在勵磁線圈、PCB元器件、塑料外殼等其他部位沒有液體，因此可以推斷油質(zhì)液體由塑料內(nèi)部析出。

采用電鏡能譜分析方法檢測得到該型號繼電器塑料樣品所含的主要元素為C、P、O、N，與液體樣品的主元素相同，兩者均含有P，只是所占比重不同，因此推斷油質(zhì)液體來源于塑料。

繼電器塑料成分可分為塑料基材和塑料助劑。塑料基材成分為聚對苯二甲酸丁二醇酯(polybutylene terephthalate，PBT)和尼龍，由于PBT和尼龍本身均不含P元素，而塑料的電鏡能譜分析結(jié)果顯示塑料樣品中的P元素含量僅次于C元素和O元素，因此油質(zhì)液體只可能從塑料生產(chǎn)過程中添加的助劑里產(chǎn)生。

液體從助劑中析出的可能原因包括：塑料助劑與塑料基材因不兼容而逐漸分解析出；塑料在外界條件下(如光、熱等)老化的過程[11-14]中析出。采用熱重分析方法，排除了塑料老化引起液體析出的可能性。因此，液體析出的原因應(yīng)是助劑與塑料基材不兼容。

目前，含有P元素的塑料助劑主要有磷酸酯增塑劑、磷系阻燃劑、磷氮系阻燃劑等，其中部分磷系阻燃劑存在與高分子材料兼容性差、易分解的缺點。

由以上分析可以推斷，繼電器油質(zhì)導(dǎo)電液體來源于繼電器內(nèi)部塑料，塑料助劑與塑料基材因不兼容而逐漸分解析出，形成油質(zhì)導(dǎo)電液體。

2 加速液體析出實驗

根據(jù)時溫等效原理[15-16]，升高溫度與延長觀察時間對分子運動是等效的，對高聚物的粘彈行為也是等效的。先取繼電器樣品，提高溫度以加速助劑的析出過程，觀察塑料表面是否析出油質(zhì)液體。

從繼電器中選取一只未有液體析出的樣品在中國賽寶實驗室進(jìn)行實驗。樣品置于正?？諝猸h(huán)境中，空氣相對濕度在40%～50%，逐步對樣品進(jìn)行加溫，各時間段溫度如圖6所示。

圖6 加速實驗過程中的升溫情況

實驗從2017年11月8日開始，初始溫度為60 ℃，逐步升溫至135 ℃，至11月16日，塑料表面已有明顯的液體析出現(xiàn)象，如圖7所示。

對本次高溫實驗繼電器塑料表面樣品析出的液體進(jìn)行紅外光譜檢測，得到高溫析出液體和原繼電器塑料表面液體的紅外光譜對比如圖8所示。由圖8可知，高溫析出的液體與原繼電器塑料表面液體主成分一致。

用萬用表測量析出液體后的塑料表面電阻，在探針相距1 mm的情況下測得圖7中液體分布密集區(qū)域的表面電阻為91.71 kΩ，液體分布稀疏區(qū)域的表面電阻為8.95 MΩ，同時測得無液體分布的其他部分塑料表面電阻為80.14 MΩ。

圖7 加速實驗前后繼電器樣品內(nèi)部塑料表面變化情況

圖8 高溫析出液體(曲線1)和原塑料表面液體(曲線2)的紅外光譜對比

由實驗前后的對比及電阻測量結(jié)果可知，繼電器內(nèi)部塑料在空氣環(huán)境中能夠析出油質(zhì)液體，繼電器其余部位無液體出現(xiàn)。用萬用表測量析出液體后的塑料表面電阻，析出的液體越密集，塑料表面電阻越小，進(jìn)一步明確了油質(zhì)液體的導(dǎo)電性能。該加速實驗驗證了油質(zhì)導(dǎo)電液體來源于繼電器內(nèi)部塑料的分析結(jié)論。

3 繼電器失效過程分析

對接線柱金屬片表面銹蝕物進(jìn)行電鏡能譜分析，結(jié)果見圖9、表3?？梢钥闯觯P蝕物樣品的主要元素為P、Zn、O、C、Cu，說明銹蝕物主要為Cu、Zn的氧化物及含磷化合物。除金屬元素Zn和Cu之外，其他3種元素P、O、C與液體樣品的主元素一致。結(jié)合接線柱銹蝕物表面油質(zhì)液體越密集，其與接線柱間的絕緣電阻越小的現(xiàn)象，推斷銹蝕物為油質(zhì)液體腐蝕接線柱而成。

圖9 繼電器接線柱銹蝕物樣品的電鏡能譜圖

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圖10 繼電器接線柱銹蝕處 的電導(dǎo)曲線

4 反事故措施研究及現(xiàn)場實施

參照相關(guān)技術(shù)規(guī)程，通過廣泛市場調(diào)研，篩選得到電氣性能滿足要求的可替代繼電器[20]，對其開展塑料物質(zhì)成分分析以及加速液體析出實驗，結(jié)果見表4。

根據(jù)上述研究結(jié)果，中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司提出采用同型號改進(jìn)型繼電器替換原故障型繼電器的反事故措施。在興安直流輸電工程年度檢修期間開展繼電器替換工作，現(xiàn)場實驗表明該改進(jìn)型繼電器在電氣性能方面完全滿足直流控制保護(hù)要求。經(jīng)過一年多的運行，繼電器塑料表面沒有任何油質(zhì)液體跡象，表明本文提出的反事故措施可有效解決繼電器失效導(dǎo)致交流濾波器跳閘或直流閉鎖問題。

表4 可替代繼電器的技術(shù)參數(shù)及基材兼容性

注：PET—聚對苯二甲酸乙二醇酯，polyethylene terephthalate的縮寫。

5 結(jié)論

a)繼電器塑料中的磷系阻燃劑因與塑料基材兼容性差而析出油質(zhì)導(dǎo)電液體，油質(zhì)導(dǎo)電液體腐蝕正極接線柱，正極接線柱膨脹并與負(fù)極金屬接線在鏤空結(jié)構(gòu)處連接，使繼電器在勵磁線圈非吸合情況下導(dǎo)通，導(dǎo)致交流濾波器跳閘或直流閉鎖。

b)針對繼電器失效導(dǎo)致交流濾波器跳閘或直流閉鎖問題，采用以同型號改進(jìn)型繼電器替換原故障型繼電器的反事故措施，成功解決了興安直流輸電工程繼電器失效問題。

c)控制保護(hù)設(shè)備生產(chǎn)商在繼電器選型階段，應(yīng)開展繼電器塑料加速液體析出實驗，確保繼電器阻燃劑與塑料基材兼容性良好，不會析出油質(zhì)導(dǎo)電液體。

d)繼電器生產(chǎn)商在繼電器設(shè)計方面，應(yīng)采用與基材兼容性更好的少磷或無磷助劑，并消除物理電氣結(jié)構(gòu)方面的缺陷，正極接線柱和負(fù)極接線柱中間必須采用塑料隔離，或者觸點公共端金屬連接線外面采用絕緣包裹層，且金屬連接線不應(yīng)繞過常開觸點接線柱，以避免因塑料與助劑的兼容性差及物理電氣結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致的繼電器絕緣失效問題。