工况下电气设备在硫化氢环境中的腐蚀行为研究

杨阳，陈川，王俊，揭敢新，赵钺，向利

（中国电器科学研究院股份有限公司工业产品环境适应性国家重点实验室，广州 510663）

引言

电气设备是构成电力系统的基本单元，在选用电气设备时，不仅要考虑电气设备的电性能参数要求，而且要考虑其质量水平和使用可靠性等级[1]。电气设备及元器件在预期寿命期间的性能取决于许多因素，如设计型式、选材以及机械性能等，另一些性能则由环境因素对其影响决定，如温度、湿度以及气体成分等，尤其是环境中存在腐蚀性的污染物如H2S，即使是含量较少，也足以导致电气设备在使用过程中出现接触不良或功能失效等不良现象[2,3]。

室内环境加速模拟试验具有能在短时间内得出材料、产品或设备等在使用条件下若干年后的性能变化倾向的优势[4-6]。绝缘电阻和接触电阻两个技术指标是电气设备的重要性能和质量指标[7-9]。在正常环境下，电气设备的电气性能均能满足正常使用要求，但在含腐蚀介质存在的环境中，电气设备的电气性能会受到严重干扰，如绝缘电阻值下降或接触电阻增加，这些变化会导致电气设备在带电运行工况下出现漏电或接触不良等失效现象[10]。

研究表明[11,12]电气设备在使用环境中还处于电场作用下的复杂环境中，外界电场对带电离子在液膜中迁移、运动以及沉积的影响十分显著。目前大多数研究仅限于电气设备产品静态时的加速腐蚀行为研究，鲜少有将带电运行工况条件对其在腐蚀环境中的影响考虑在内。因此，本文通过在加速试验过程中施加电流模拟电气设备带电运行工况状态，能更准确反应电气设备在带电运行工况下的腐蚀行为及规律，同时试验前后对各样品电气性能进行测试，能够反映样品在腐蚀环境对其绝缘电阻、接触电阻等电气性能的影响。从电气金属材料的角度，对电气设备和元器件材料腐蚀现象、腐蚀原理及规律进行分析和评价，为电气设备的选材设计、维护和更换提供科学依据。

1 试验样品和方法

试验样品选用主流品牌限位开关、继电器和空气开关如图1所示，样品数量和试验条件见表1。采用GH-180腐蚀气体试验箱进行不同浓度硫化氢气体腐蚀加速试验，选IT6513D直流电源作为施加电源装置，试验条件为硫化氢体积分数分别设为0.15 ppm、1.50 ppm和15 ppm，试验箱内温度设定为（25±2）℃；相对湿度设置为（75±3）%RH，试验周期为10 d，试验施加电流大小2 A。

图1 试验样品

待试验结束后，采用U2516电阻测试仪测试电气设备前后的接触电阻，测试环境温度为（25±2）℃，相对湿度为（55±10）%，测试时长为1 min。采用Fluke 1550C绝缘电阻测试仪测试电气元器件的绝缘电阻，测试电压为500 V，稳定时间为30 s。

表1 试验样品列表

2 试验结果

2.1 限位开关

从表2和图2(a)中可知，限位开关在经过不同浓度硫化氢环境试验后，绝缘电阻均有所下降，其中A-0-1和A-1-1绝缘电阻值下降幅度较大，图2(c)可知限位开关在不带电状态下绝缘电阻的下降幅度值随着硫化氢浓度为0.15 ppm时最大，随着浓度的增加，下降幅度值减小，而当浓度为15 ppm时，绝缘电阻下降幅度值又有所增加；在带电状态下，限位开关绝缘电阻的下降幅度值随着硫化氢浓度的增加而减小，在硫化氢浓度较低时，限位开关在此状态下绝缘电阻值下降较大，在硫化氢浓度较高时，绝缘电阻值下降较小，说明限位开关在较高浓度15 ppm时，绝缘电阻下降幅度较低，可更好地维持限位开关的绝缘保护性能。

图2 (b)中可见限位开关试验前后接触电阻总体上普遍增大，但在0.15 ppm不带电状态下接触电阻有所下降，在1.5 ppm带电状态下接触电阻增大幅度值最大，说明在该条件下，限位开关可能会出现各触点接触不良的现象，通过图2(d)对比，在较高浓度15 ppm时，限位开关处于通电状态可减少限位开关触点接触电阻增大的幅度。

2.2 继电器

从表3和图3(a)中可知，继电器在经过不同浓度硫化氢环境试验后，绝缘电阻值均出现不同幅度的下降，其中B-0-1和B-1-1绝缘电阻值下降幅度较大，图3(c)可知，两种状态的继电器绝缘电阻下降幅度在低浓度0.15 ppm时较大，尤其在带电状况下，继电器绝缘电阻下降幅度最大，说明在该状况下，继电器容易发生漏电现象；在浓度为1.5 ppm时绝缘电阻下降幅度较低，从表3中可知在低浓度条件下，带电状况下绝缘电阻下降幅度较大，说明电流在低浓度时可促进绝缘外壳性能下降，从而导致绝缘电阻下降幅度值较大；而在高浓度条件下，带电状况下的绝缘电阻下降幅度值最低，说明在此条件下电流可减小绝缘外壳性能变化，继电器绝缘电阻值下降幅度值较小。

表2 D4A-4501N限位开关不同硫化氢浓度下带电和不带电试验前后的接触电阻和绝缘电阻

从表3和图3(b)中可知，在不同浓度硫化氢条件下，继电器接触电阻均有不同程度的增大，仅在浓度为1.5 ppm不带电时，接触电阻有略微下降；对比相同浓度硫化氢条件的两种状况的结果见图3(d)，发现在带电状况下，接触电阻增大幅度较小，说明电流对继电器接触电阻的增大有抑制作用，随着硫化氢浓度增加，电流对接触电阻增大的抑制作用越强。

2.3 空气开关

图2 D4A-4501N限位开关试验前后的绝缘电阻和接触电阻变化

表3 RXZE2S114M继电器不同硫化氢浓度下带电和不带电试验前后的接触电阻和绝缘电阻

从表4和图4(a)中可知，空气开关在经过不同浓度硫化氢环境试验后，绝缘电阻值均出现不同幅度的增大，仅在浓度0.15 ppm不带电条件下，空气开关绝缘电阻值略微增大；对于两种状况空气开关均在浓度为1.5 ppm条件下绝缘电阻增大幅度值最大，说明在该浓度下，空气开关的绝缘性能相对较好；从图4(c)中可见，带电开关在低浓度条件下，对绝缘电阻的增大有促进作用。

从表4和图4(b)中可知，空气开关在经过不同浓度硫化氢环境试验后，接触电阻值均出现不同幅度的增大，在不带电状况下，随着硫化氢浓度的增加，空气开关接触电阻增加幅度越大，在带电状况下，随着硫化氢浓度的增加，空气开关接触电阻增加幅度越小，说明电流通过对空气开关接触电阻增大具有抑制作用，随着浓度的增加，开关带电可减小接触不良现象发生。

图3 RXZE2S114M继电器试验前后的绝缘电阻和接触电阻变化

表4 空气开关不同硫化氢浓度下带电和不带电试验前后的接触电阻和绝缘电阻

3 分析与讨论

电气设备主要是由金属材料和绝缘材料组成，金属材料主要用于触点接触功能和导电接地功能等，绝缘材料如高分子材料等主要用来隔离和绝缘的作用，但在具有腐蚀性的恶劣环境下，材料的某些性能因受到腐蚀而发生变化，导致元器件的接触电阻和绝缘电阻也相应的发生变化。相同的试验条件，不同金属材料和绝缘材料受到的影响也不相同，具体跟相应的材料本身性能有关。

绝缘电阻主要受到温度、湿度、电气设备表面洁净程度、电场强度以及绝缘材料的材质等多方面因素的影响[13]。由于温度升高使绝缘材料极化加剧，致使电导增加，电阻降低；当绝缘在相对湿度较大时会吸收较多的水分，绝缘因表面吸潮或表面形成水膜使电导增加，绝缘电阻降低；绝缘材料受到温度、湿度、腐蚀性介质以及电流的综合影响，导致材质出现老化或衰弱的现象，从而致使绝缘电阻下降。

电气设备在服役环境中受到不同程度的腐蚀，主要是由于该环境中存在H2S气体与电气设备内部金属材料发生电化学腐蚀[14]见式（1），腐蚀机理见图5。

图4 空气开关试验前后的绝缘电阻和接触电阻变化

图5 电气设备触点金属材料在含H2S环境中的腐蚀机理示意图

生成腐蚀产物逐渐积累到金属表面，形成一层腐蚀产物膜。

电气设备和元器件部件中触点或连接点位置金属材料在腐蚀性环境（包括温度、湿度和腐蚀性气体等）中受到的腐蚀程度经常比其他位置的腐蚀更严重，腐蚀产物层产生的高电阻往往会影响其电性能和使用功能，尤其是环境中腐蚀介质浓度越高，电气设备与腐蚀介质充分接触，更能加重电气设备金属材料的腐蚀程度。存在于接触界面上的腐蚀产物使得接触电镀数目和面积减少，导致接触电阻增加，增大了发生接触失效的几率，降低了电气设备和元器件的可靠性。电气设备和元器件在使用环境中还处于电场作用下的复杂环境中，外界电场对带电离子在液膜中迁移、运动以及沉积的影响十分显著，带电状况下，金属材料表面生成一层氧化层或腐蚀产物膜层，与金属基体形成电势差，外部电流通入，对氧化层以及腐蚀产物膜层产生还原作用，还原成金属单质，减少了氧化层和腐蚀产物的数量，接触电阻增加的幅度较小，外加电流对电气元器件在腐蚀性环境中的接触电阻增加具有抑制的作用。

4 结论与建议

1）电气设备试验前后绝缘电阻变化各自不同，经不同浓度硫化氢气体腐蚀试验后，限位开关和继电器绝缘电阻在试验后，均出现不同程度的下降，硫化氢浓度对绝缘电阻影响不大，带电运行工况下电流在浓度为0.15 ppm和15 ppm条件下对绝缘电阻减少幅度影响较小，在浓度为1.5 ppm下，对绝缘电阻的减小具有抑制作用。

2）电气设备试验前后接触电阻经不同浓度硫化氢气体腐蚀试验后均出现不同程度的增大，非带电运行工况时在高浓度15 ppm条件下，接触电阻增大幅度最高，说明在此状态下，电气设备和元器件最有可能出现接触失效现象，而带电工况时，电流对接触电阻增大具有抑制作用。

3）电气设备在环境中出现接触不良或回路电阻增大的主要原因是因接触电阻增大的缘故，带电工况下的外加电流可抑制电气设备在腐蚀环境中接触电阻值增大的幅度，在一定程度减弱了电气设备接触不良现象的发生概率，在电路中电流的流通有利于电气设备的更加安全可靠的运行，建议在电路系统中，尽量使电气设备处于运行工作中，尽可能使电气设备和元器件处于电流流通状态中。