GIS设备操动机构盐雾老化试验及分析

闫亚刚 李忠富 陈亮 王艳芳

摘 要：ZF11C-252型GIS是为了适应城市发展新开发的一种占地面积小、轻型化、模块化的252 kV小型GIS。操动机构作为GIS的重要组成部分，在设计前期已经考虑了沿海盐雾极端环境因素，本文根据GIS的使用条件设计出一种针对GIS操动机构的盐雾老化试验，旨在验证GIS操动机构能否保证设计寿命内的可靠性，同时控制金属材料相关制品质量，根据试验结果及时改进设计方案，并为高压开关设备的全寿命周期成本研究提供数据支撑。

关键词：GIS;操动机构;盐雾试验

中图分类号：TM595文献标识码：A文章编号：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

高壓开关GIS（Gas Insulated Switchgear，气体绝缘组合电器）设备的全寿命周期成本分析中，MTBF（Mean Time Between Failure，平均故障间隔时间）是一个可靠性指标，可直接影响全寿命周期成本估算准确性。GIS设备一般理论寿命为30年，维修周期超过10年以上，若在正常环境条件下验证需要花费大量时间和精力，常规试验验证不具有可操作性。目前，可行的做法是利用高应力下的试验值去外推正常应力水平下的试验值，即利用加速老化试验验证。

盐雾试验是一种通过盐雾试验设备来模拟的环境试验，常用于对产品耐腐蚀能力的质量评估与失效验证[1]。与天然环境相比，盐雾试验模拟出的盐雾环境的氯化物的盐浓度很高，是一般天然环境盐雾含量的几倍或几十倍，能大大提高腐蚀速度。在该环境下对产品进行盐雾试验，得出结果的时间大大缩短[2]。本文以ZF11C-252型GIS为研究对象，主要针对GIS设备中故障率最高、质量最薄弱的操动机构进行盐雾加速老化试验及分析，以评定操动机构对盐雾环境的耐受能力及其在烟雾环境中的功能可靠性，最终得到GIS设备整体可靠性指标MTBF值。操动机构内部主要包括传动部件、控制部件、缓冲部件、紧固部件、储能部件、分合闸线圈、辅助开关、行程开关和电机、外壳等，具有大量的金属部件、电子元件、环氧树脂、工程塑料等材料。各材料特性及表面处理工艺不同，在盐雾（包括温度和湿度的影响）、机械、温度交变和湿热等应力下的失效机理就不同，在使用条件下的腐蚀反应也不大相同，目前尚无现成的盐雾腐蚀加速试验模型。

1 试验环境及方案确定

目前常用的盐雾试验方法有中性盐雾试验（NSS试验）、乙酸盐雾试验（AASS试验）、铜加速乙酸盐雾试验（CASS试验）。其中，中性盐雾试验适用于金属及其合金、金属覆盖层（阳极性或阴极性）、转化膜、阳极氧化膜、金属基体上的有机涂层[3];乙酸盐雾试验、铜加速乙酸盐雾试验条件下，材料的腐蚀机理和腐蚀产物可能出现较大差异变化，导致高应力条件外推正常应力水平试验结果失真。考虑到操动机构的构成部件所用材料的特征，根据实际使用环境选取人工加速盐雾实验中的中性盐雾试验方法（NSS试验）进行测试，并按《可靠性鉴定和验收试验》（GJB 899A—2009）规定的定时截尾统计试验方案[4]，具体参数如表1所示。

按上述参数，操动机构整体要求达到可靠性指标MTBF≥12年，总试验或承受试验应力的累积时间为T≥1.61×12=19.4（台年）。根据中性盐雾加速试验经验值，中性盐雾试验24 h相当于产品在正常使用环境条件下1年的时间，即24×19.4=466（台时），若以1台操动机构整体进行466 h中性盐雾加速试验，按定时截尾统计试验方案，试验过程中无任何故障，可认为机构整体可靠性指标MTBF达到12年。

2 试验项目及过程

2.1 试验样机

参试样机选择ZF11C-252型GIS所用操动机构1台，由支架、机构本体、外壳组成。其中支架非本试验考核对象，仅起着支撑、运输、吊装操动机构的作用。样机外观示意图如图1所示。

2.2 试验时间

采用定时截尾试验，试验件经设定小时数试验后，不允许出现失效的样本，否则判定试验不通过。操动机构预定年限为30年，满12年（466 h）后取出样机进行第一次功能性试验，满足要求后继续进行老化试验，此后每隔6年（233 h）打开进行检测，直至30年的年限或发生失效，试验时间设定见表2。

2.3 动作预估

盐雾加速老化试验过程中，需要根据机构整体寿命年限内总的动作次数以及具体使用情况，合理分配各小时内的分合闸动作次数和停留时间，模拟正常条件下MTBF值内操动机构的动作情况。假设机构每年分合闸动作10次，MTBF=12年的分合闸动作次数为120次，结合盐雾加速老化试验时间466 h，则机构每233 min动作1次，其中约1/10的时间为断开状态，9/10的时间为接通状态，则单次断开状态时间为23.3 min，单次接通状态时间为209.7 min。盐雾试验状态如图2所示。

2.4 试验要求

2.4.1 试验前检查。试验前检查严格按照工厂出厂试验标准执行。对于操动机构而言，主要包括机械特性试验、高低压操作试验、二次回路1 min耐压试验、分合闸线圈电阻测试以及外观完好性检查。

2.4.2 试验期间检查。试验期间检查主要包含状态检查和性能测试。状态检查为每隔一段时间检查样机各部件表面状态变化（如粉化、掉漆、生锈、变形、起皮等变化），记录时间、位置、范围、数量等信息。性能测试为在特定机械预估动作的时间节点对机构分合闸线圈进行通电操作，测试其动作电流曲线和电阻值。

2.4.3 试验结束检查。试验结束检查主要包括状态检查、性能测试和淋雨试验。状态检查为检查样机各部件表面狀态情况，记录位置、范围、数量等信息。性能测试是在加速老化试验后按工厂出厂试验标准进行各项技术指标复测，进而判定样机是否通过加速老化试验验证。淋雨试验则是验证机构外壳历经加速老化试验后的防护有效性（见图3）。

3 试验结果分析

3.1 数据处理

在试验前、试验过程中和试验后均需要对试验情况进行记录，主要包括以下内容：样品形貌变化;力学性能和电学性能的变化;第一个腐蚀迹象出现所经历的时间;必要时通过显微照相检测揭示的变化过程;试验结束后，应进行机构的机械性能试验、辅助和控制回路的功能性试验。

3.2 结果分析

试验前的环境情况为：环境温度为29 ℃;相对湿度为46%;气压为101 kPa。通过进行外观完好性检查，未发现明显缺陷。试验前进行的相关试验结果如表3所示。

试验后的环境情况为：环境温度为28 ℃;相对湿度为50%;气压为101 kPa。通过进行外观完好性检查，发现局部存在稍微锈蚀现象，未发现明显缺陷。试验后进行的相关试验结果如表4所示。

对比试验前后数据可知，样品外观无明显缺陷，仅在局部出现轻微锈蚀现象，并且其电学性能、力学性能测量值均在出厂试验标准范围内，同时最为关键的辅助和控制回路的功能性试验测量值也在出厂试验标准范围内。因此，可认为操动机构整体可靠性指标MTBF值达到12年。

4 结语

ZF11C-252型GIS设备操动机构经盐雾加速老化试验，其可靠性指标MTBF合格，取得盐雾老化初步试验数据，为下一阶段老化试验分析趋势提供可靠数据，同时为全寿命周期成本研究中的寿命周期提供数据基础。

参考文献：

[1]刘付洋，杨德虎，胡奕.中性盐雾试验的分析与研究[J].环境技术，2018（4）：7-9.

[2]申丹华，刘向.中性盐雾试验浅析[C]//河南省汽车工程学会.第十一届河南省汽车工程科技学术研讨会论文集.河南省汽车工程学会，2014：253-255.

[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.人造气氛腐蚀试验 盐雾试验：GB/T 10125—2012[S].北京：中国标准出版社，2012.