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二次设备带电清洗必要性分析

随着应用业技术的发展,电力设备的性能和结构有了很大的提高,对于电力公司而言,首先是设备的安全可靠性,其次是经济性;安全可靠性问题尤其突出,如:某某开关总出问题,在线运行监控总有告警等等,而运维力量总是有限的,当无法及时处理这些问题时,信誉和经济效益势必受到严重影响。要保证设备的可靠性除了在设备的设计、选购、验收、安装环节中严格把关外,在设备投运后的运行维护更是不可忽视的重要一环。电力设备在运行过程中最主要是受到两方面的影响,一是自身因素及工作特性,二是运行环境的影响。

一、   自身因素及工作特性影响

注:在此不对器件自身的缺陷阐述,仅分析工作特性

变电站(所)内的各类二次设备,如继电器、端子箱、配电屏(柜)、保护屏(柜)、控制屏(柜)、测控屏(柜)、公用设备屏(柜)等设备由于自身工作特性的原因在运行过程中产生电位差和静电会引向性的吸附各类尘埃微粒,不可避免会吸附大气环境中的灰尘、油污、潮气、盐分、金属尘埃、炭渍等污染物并形成堆积。影响电气盘柜内各组件的正常散热,导致温度异常升高,还使得电气盘柜内各组件更易吸潮,导致绝缘下降;更可能直接造成电气盘柜内各组件接触不良,容易在电路板上形成短路或微电路,可能造成控制、测控设备信号丢失、失真;在潮湿条件下这些含有盐、酸、碱性物质的污染物成为电解质,导电性增强,绝缘电阻降低,泄漏电流增大,易导致短路、电弧、散热不良及设备误动作等事故,这些都将形成了更大的安全隐患。

二、   运行环境的影响

环境对二次设备的作用是多种因素的长期综合作用。各种因素同时或先后多次作用于设备,从而引起腐蚀和变质。


以下分析特别是设备在运行时所承受的某些环境因素,以及由此引起的污染、腐蚀和可能的失效模式。

1)电力设备在运行过程中会产生很高的静电效应,吸附粉尘、油污等污染物;遇到气候转为潮湿时,空气中的水分与静电所吸附的污染物又产生综合腐蚀。为了散热而设置的装置如风扇叶片因高速运动和静电吸附而使各种污染物积聚,这些均会引起设备的软性故障。

空气中的水分:空气中的水分起着溶解腐蚀性电解质(如氧化物、氯化物、硫化物、硝醋盐等)的作用,它往往带有被溶解的污染物。溶有污染物的水分会以各种形式进入设备所处的环境,它可在温度或压力改变时通过凝结作用进入,也可通过毛细管式的接缝处或吸湿材料吸入,还可以从一些材料的老化过程中释放出。对于金属而言,溶有污染物的水分是最通常的腐蚀剂。对于元器件,如控制开关、继电器、变压器、电缆等,溶有污染物的水分构成会泄漏的路径、能吸收电磁能量、减低介电强度和绝缘阻抗、引起电解、信号损失或中断。溶有污染物的水分对于电力二次设备腐蚀效应的形成与加速起着重要的作用。


2) 温度:

 温度对电子元器件固有特性的影响

器件名称

污垢引起温度变化的影响

超过限值时的行为

半导体器件

每增加10℃可靠性降低25%

当超过65℃时将引起故障

电阻器件

每变化10℃,阻值变化1%

负荷过高时,额定功率下降

电容器件

温度升高时,使用寿命缩短

每增加10℃,寿命降低50%

电真空器件

温度过高时,工作特性变坏

超过限值时,加速老化

温差的变化以及由此带来的一系列影响对二次设备的危害也是不可忽略的。

①使元器件表面的温度升高。数据表明,当温度升高10℃,设备的可靠性将下降25%;当温度继续上升,可能会将耐温性较差的元器件或者接线烧坏。

②产生静电,当它能量积累到一定程度,妨碍它中和的绝缘体再也阻挡不住时,即发生剧烈放电,即静电放电(ESD),这时的最高电压可达几千乃至几万伏,势必对静电敏感组件造成损害;静电放电(ESD)及电气过载(EOS)对电子元器件造成损害的主要机理有热二次击穿、金属镀层熔融、介质击穿、气弧放电、表面击穿、体击穿等等。

③对设备造成电磁干扰。各种各样的软件故障表现为:不稳定、乱码、误码等;

④盐污溶于空气中的水分,造成电化学微电路,对设备表面造成腐蚀。

⑤造成接触不良,当污染严重时会造成在线监测仪器不能报警及不能正常工作。

以上这些将对设备的安全运行带来极大的隐患。要保证设备运行的安全,避免固体颗粒状污染物对它们造成影响,定期清洗维护是必须的。

元器件失效机理

元器件类别

元器件组成部分

失效机理

失效标志

MOS结构

MOSFET(分立)、MOS集成、数字集成、线性集成、混合电路

电压引起的介质击穿和接着发生的大电流现象

短路

漏电流大

半导体结构

二极管(PN.PIN肖特基)双极晶体管、结型场效应管、可控硅、双极型集成电路、MOSFETMOS集成电路

电过剩能量和过热引起的微等离子体二次击穿和微扩散;由SiAl的扩散引起电流束增大(电热迁移)

失效

薄膜电阻器

混合集成电路(厚膜、薄膜)、电阻单片、集成电路薄膜  电阻器密封薄膜、电阻器

介质击穿,与电压有关的电流通路与焦尔热量有关的微电流通路的破坏

电阻漂移

金属化条

混合IC、单片IC

梳状覆盖式晶体管

与焦尔热能量有关的金属烧毁

开路

场效应结构和非导电性盖板

存贮器EPROM

由于ESD使正离子与表面积垒,引起表面反型或栅阀值电压漂移

性能退化、失效

压晶体管

 

晶振声表面波、电压过高产生的机械力,使晶体破裂

性能退化、失效

电极阀的间距较小部位

声表面波器件

IC内各种微电路电弧放电使电极熔融

性能退化、失效

 

3) 大气中的盐份:大气中的盐份可溶解在设备表面的水膜内,使水膜成为活性电解质,腐蚀金属及无机材料,并对不同金属产生电偶腐蚀。

4) 酸性气体:空气中含有一定数量的酸性气体(主要有二氧化硫、三氧化硫、二氧化氮、一氧化氮及二氧化碳等)和水分,酸性气体和水分接触时,会发生如下化学反应:

酸性气体+水 → 酸

当酸在元器件或设备表面时,会对表面的材料造成腐蚀(特别是金属材料),造成元器件短路或断路或漏电,并直接影响到设备的使用寿命。

5) 尘埃类固体颗粒:这类污染物的组成较复杂,除盐粒子外,还有碳和碳的化合物、氮化物、金属氧化物、砂土等。在工业区出现的尘埃类固体颗粒还往往包含有大量焦油产物、灰分及煤烟,也是尘埃的一部分。沙石和尖埃是高度吸潮的,落在电子元件的表面上时,易于使其处于潮湿状态。它们对设备腐蚀的影响主要有四种方式:①颗粒本身具有腐蚀性,溶于金属表面的水膜内,使水膜的电导率升高,促进了金属的腐蚀;②颗粒本身无腐蚀性,但能吸附腐蚀性物质,间接地加速腐蚀;③本身既无腐蚀性又不具吸附性,但由于造成毛细管凝聚缝隙,使金属表面形成电解液薄膜,形成氧浓差的局部腐蚀条件,也会加速金属的腐蚀。④吸潮的沙石和尘埃的积聚可以破坏电气接点,妨碍正常的旋转作用和电极的从动机构,引起指示仪表出现故障,这些问题必然会使设备发生故障和带来安全风险。

现在已经知道,无论设备的密封程度有多好,在我国目前的环境条件下,被密封保护的印制模块仍然会受到污染,而且,有时为了散热的需要,不能做到完全密封,因而设备受到污染是不可避免的。

6) 霉菌 酸性环境滋生霉菌生长,目前从机器绝缘材料中已分离出670多种不同的霉菌,它们会引起如下危害:①大多数霉菌是潮湿的,当它们在绝缘表面繁殖时,在两个导体间会因霉菌生长导通了桥隙而造成绝缘被减弱和破坏,从而引起漏电进而造成短路;②微生物代谢过程所产生的酸性物质对金属及某些有机材料产生腐蚀、破坏密封、引入水分;③微生物生长形成扩展性堆集物,如不及时清除,会使保护层被破坏、松动、裂缝和起泡,在起泡情况下,下面的微生物堆集,形成一种半渗透胶囊,从而形成加速金属腐蚀的局部腐蚀电池;④霉菌通过消耗固态和气态物质可以破坏金属表面的电平衡,并因此而去掉抗蚀的钝化膜。

7)送风系统: 环境控制系统(如空调)是为了改善设备的工作条件而设计的,但事实证明,送风系统往往导致更严重的静电吸附,使其通路的设备上(包括电路板上)积聚更多的尘埃、油污、盐份、酸性氧化物和建筑粉尘等。这种累积的污染物令设备散热性能变差,尽管机房温度正常,但局部温度会明显升高,并使一些设备工作异常,对设备的正常运行形成了潜在的危害。虽然对防尘与防潮的设计问题作了多种考虑,也采用了防尘与防潮的措施,但灰尘与水分仍会通过各种意想不到的途径侵入设备。许多通信设备在设计时很少考虑到操作环境,使排气风扇进口管、空气冷却管和排气口成为污染物与水分侵入的最佳入口。

8)电化学腐蚀: 电力二次设备要构成一个完整的系统,需要有许多零部件,如继电器、接线端子、开关、指示灯、导线以及上百个电气连接器等。

①一些稀有金属被用来制造晶体管、小型和微型电路及集成电路;

②铁和钢(铁合金)用作引线、磁屏蔽、变压器铁心、支架、框架和普通硬件;

③铝和铝合金以及镁合金在电子系统中广泛用作天线、构件、底盘、支架和框架;

④不锈钢用来安装框架、支架和硬件;

⑤铜和铜合金在电子系统中用作接点、弹簧、引线、连接器、印刷电路板焊接区和导线;

⑥镉用作镀层,以保护与其它金属接触的螺栓、垫圈和螺钉等铁质硬件;

⑦镍和锡作为保护镀层用于兼容性目的;

⑧焊料中使用锡是众所周知的,但是,镀锡也是RF屏蔽板、滤波器、晶体覆盖层和自动开关所共有的;

⑨高纯度电解沉积的金已广泛应用于电气连接器、印刷电路和边缘连接器、小型同轴连接器、半导体、引线和接点;

⑩银一般用作波导管、小型和微型电路、导线、接点、高频空腔、谐振电路和RF屏蔽板等铜材的电镀材料。

    很明显,在酸性环境下设备会产生许多电偶或原电池,构成整个系统的各种部件置身于大气环境中,受环境的腐蚀侵袭,因而会产生许多与综合腐蚀有关的问题。

由此可以看出由于设备自身工作特性和所处工作环境的影响,电力二次设备的污染已经成为巨大的安全隐患。


值得欣慰的是,我们的行业管理部门已经发现了问题所在并制定了有针对性的工作规

程:

摘自: DL408;409-1991《电业安全工作规程》(发电厂和变电所电气部分)DL/T 596

1996  电力设备预防性试验规程制定的“变电站运行管理标准”及“继电保护及二次回路的运行条件、维护规程” 对于设备维护的除尘都作出了明确规定,相应条款如下:

摘自:继电保护及二次回路的运行条件、维护规程


2  二次回路的运行检查及维护
   
二次回路又称二次接线,是指变电所的测量仪表、监察装置、信号装置、控制和同期装置、继电保护和自动装置等所组成的电路。二次回路的任务是反映一次系统的:工作状态,控制一次系统并在一次系统发生事故时能使事故部分迅速退出工作。二次回路的日常运行检查很重要,运行经验表明,所有二次回路在系统运行中都必须处于完好状态,应能随时对系统中发生的各种故障或异常运行状态作出正确的反应,否则造成的后果是严重的。
2.1  
二次回路综合检查
2.1.1  
检查二次设备应无灰尘,保证绝缘良好。值班员应定期对二次线、端子排、控制仪表盘和继电器等进行清扫。
3.3.4  
每月至少作一次控制屏、继电保护屏、开关柜、端子箱、操作箱的端子排等二次元件的清洁工作,

3.4  带电清扫二次线时的注意事项    
3.4.1  
禁止用水和湿布擦洗二次线,清扫工具应干燥,金属部分应包好绝缘,防止触电或短路。    
3.4.2  
清扫标有明显标志的出口继电器时,应小心谨慎,不许振动或误碰继电器外壳,不许打开保护装置外罩。    
3.4.3  
清扫人员应摘下手表(特别是金属表带的手表),应穿长袖工作服,带线手套。    
3.4.4  
不许用压缩空气吹尘的方法,以免灰尘吹进仪器仪表或其他没备内部    
3.4.5  
清扫高于人头的设备时,必须站在坚固的凳子上,防止跌倒触动保护装置。    
 

 摘自:变电站运行管理标准

6、设备维护
是指为维持设备正常运行工况,对运行设备所采取的除检修、技术改造外的检查、维修、维护、试验、保养等工作。

6.2  设备维护管理
6.2.1 
变电站设备除按有关专业规程的规定进行试验和检修外,还应进行必要的维护工作。

6.2.3 变电站的二次线及端子箱应定期进行检查、清扫。

   传统的清扫除尘采取的办法是采用毛刷,皮老虎或者酒精、汽油等由维护人员定期进行清扫,工作量大、周期长、效率低,无法彻底清除各类综合污染物,由于技术手段简陋,在实际工作中有很多局限性。(例如设备深层,多层或缝隙无法清扫,有些部分需要停电才能清扫)

带电清洗是近年出现的一项新的应用维护技术。带电清洗又称在线保洁维护,是指对精密电气设备在不停电、不停止运行或阶段性断电并即时恢复工作的前提下,利用专用清洗产品和技术手段,由专业技术人员遵循规范的操作规程作业,迅速彻底清除设备表面及深层的各种静电、灰尘、油污、潮气、盐份、炭渍、酸碱气体等污垢,从而提高设备运行的稳定性,延长设备使用寿命。该项技术目前已经在电力、通信、信息、国防等行业展开应用,具有很高的安全可靠性和实用性。

  与传统的维护方法的对比:

相应对比

传统维护方法

带电清洗

产品、器具

酒精,汽油,皮老虎,毛刷等

高分子清洗材料,专用工具

操作方法

吹、扫、擦,方法单一无针对

直接清洗,方法灵活,针对性强

成本

适中

安全性

易燃,危险,有害,加速橡胶件的老化

安全可靠,无毒,不燃烧,无腐蚀,无残留

效果

不好,表面除尘,会造成二次污染

效果好,深度除尘,尘垢回收

密集作业

不适合,效率低

适合,效率高

因此,采用带电清洗技术对变电站二次运行设备定期进行清洗除尘,可以使系统设备装置得到有效的保养,大大节省了更换零件的次数、时间、人力及材料,避免隐性故障的危害,是一项有效可行的二次设备维护技术。

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