兴安直流输电工程继电器绝缘失效机理及整治措施

王振，杨育丰，刘坤，国建宝，鞠伟，王有亮，吴健颖

(1.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心，广东 广州 510663；2.中国赛宝实验室，广东 广州 510610)

兴安直流输电工程自2007年投运以来一直运行平稳，但是2017年7月10日后，累计发现32只同一型号继电器出现塑料表面析出油质导电液体的现象，其常开辅助触点间绝缘电阻大幅降低，并导致了多起交流滤波器跳闸事件，严重威胁直流输电系统的安全稳定运行。中国南方电网有限责任公司超高压输电公司为此特别成立继电器失效原因分析及运维措施研究的技术攻关团队，对继电器绝缘失效导致交流滤波器跳闸事件进行深入研究，分析继电器绝缘失效机理并提出相应解决方案。

本文以兴安直流控制保护所用的同型号继电器为对象开展研究：首先分析继电器的物理和电气结构，发现该型号继电器在结构设计方面存在缺陷[1]；然后解析继电器塑料表面出现油质导电液体的故障表象，根据液体和塑料的成分检测分析结果，推断出油质液体来源于塑料生产过程中添加的助剂；根据时温等效原理设置实验条件，对继电器塑料样品开展加速油质液体析出实验，对理论分析结果的正确性进行验证；最后，分析继电器绝缘失效机理，并提出相应的反事故措施，以防止继电器失效导致交流滤波器跳闸或直流闭锁事件的发生。

1 继电器绝缘失效机理分析

1.1 继电器解剖分析

为了研究继电器绝缘失效是否与继电器的物理电气结构设计有关，首先对继电器进行解剖分析。绝缘失效继电器为插拔式继电器，整体为塑料结构，一面分布输入端电源节点接线柱和输出端辅助触点接线柱，其他表面为透明塑料壳包裹，塑料壳内包含励磁线圈、印制电路板(printed circuit board，PCB)、弹簧等部件。继电器负极金属接线一端与负极辅助触点(辅助触点3)相连接，另一端与继电器动触头相连接。动触头与正极辅助触点(辅助触点7)保持常开，继电器励磁时闭合[2-7]。如图1所示，负极金属接线的一部分从正极接线柱绕过，正极接线柱和负极金属接线之间无塑料隔离，为镂空结构，两者相距1.8 mm，若镂空处出现导电性的异物，可能导致绝缘失效。

图1 继电器负极金属接线与正极接线柱之间的隔离

2017年7月10日及9月19日连续发生的两起滤波器开关跳闸事件，均出现了继电器辅助触点3、7接线柱之间绝缘降低的情况。事件发生当天用绝缘摇表测量继电器辅助触点3、7接线柱之间绝缘均为0，其他辅助触点接线柱之间的绝缘电阻也存在不同程度的降低。对跳闸事件更换下来的继电器进行研究，在继电器辅助触点7接线柱处出现大量蓝绿色锈蚀物，锈蚀处与接线柱平面相比略为膨胀(如图2所示)，其他接线柱与塑料接触的部位同样存在少量蓝绿色锈蚀物。更换下来的继电器的塑料表面均附着有油质液体，且有部分白色晶体物质散布，如图3所示。

图2 继电器辅助触点7接线柱表面

图3 继电器接线柱塑料表面的油状液体与白色晶体

为分析辅助触点接线柱之间绝缘降低是否为油质液体导致，对与继电器辅助触点接线柱存在直接物理接触的塑料表面进行电阻测量。根据液体分布的密集程度，将塑料表面分为液体分布密集区、液体分布稀疏区和无液体分布区，采用万用表分别进行测量，并分析比较液体对塑料整体导电性能的影响，测量结果见表1(万用表探针相距1 mm)。

表1 继电器塑料表面电阻测量结果

由表1可知，继电器辅助触点所在的塑料表面电阻与液体分布情况相关，液体分布越密集，塑料表面电阻越小，无液体分布的区域绝缘良好。因此判断塑料表面的油质液体能够导电，是导致继电器绝缘降低的因素。

1.2 继电器液体成分分析

为了研究塑料表面油质液体的导电机理，在中国赛宝实验室采用红外光谱分析[8]，根据油质液体光谱曲线中各波段波峰分布情况检测油质液体的主要成分。继电器表面油质液体和C4H8O2·2H3PO4红外光谱对比如图4所示。可以看出，油质液体在各波长段下波峰分布情况与C4H8O2·2H3PO4一致，因此判断油质液体的主要成分为C4H8O2·2H3PO4。

图4 继电器表面油质液体(曲线1)与C4H8O2·2H3PO4(曲线2)红外光谱对比

采用电镜能谱分析方法[9-10]检测油质液体样品所含的主要元素，电镜能谱图如图5所示，样品中主要元素的含量见表2。

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由图5和表2可知，油质液体的主要元素为C、O、P、N，其中C、O、P元素与红外光谱检测出的C4H8O2·2H3PO4主要元素相对应。

1.3 继电器液体来源分析

为了进一步分析继电器绝缘失效的原因，对继电器表面油质液体的来源进行分析。油质液体的来源可分为继电器外部污染和继电器内部生成2种途径：

a)继电器外部污染：与继电器在物理上有直接接触的外部空气中的物质，在一定条件下生成液体，并附着到继电器表面。

b)继电器内部生成：继电器内部部件如塑料、励磁线圈、PCB元器件、塑料外壳等在一定条件下渗析出液体。

继电器外部污染生成液体的可能性分析：继电器工作在继电器小室的屏柜内部，工作环境中的温度和湿度都在可控状态。油质液体中除C、O之外含量最高的元素为P，而正常情况下空气中主要成分为氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气等物质，均不含P元素，因此排除空气中的物质直接生成油质液体的可能性。根据继电器历史故障情况，出现绝缘故障的继电器集中出现在特定型号继电器，而与失效继电器处于同一小室甚至同一屏柜内的其他型号继电器并未大量出现绝缘故障，因此判断通过外部污染产生油质液体的可能性较低。

继电器内部生成液体的可能性分析：观察发现油质液体在继电器塑料表面散布，在励磁线圈、PCB元器件、塑料外壳等其他部位没有液体，因此可以推断油质液体由塑料内部析出。

采用电镜能谱分析方法检测得到该型号继电器塑料样品所含的主要元素为C、P、O、N，与液体样品的主元素相同，两者均含有P，只是所占比重不同，因此推断油质液体来源于塑料。

继电器塑料成分可分为塑料基材和塑料助剂。塑料基材成分为聚对苯二甲酸丁二醇酯(polybutylene terephthalate，PBT)和尼龙，由于PBT和尼龙本身均不含P元素，而塑料的电镜能谱分析结果显示塑料样品中的P元素含量仅次于C元素和O元素，因此油质液体只可能从塑料生产过程中添加的助剂里产生。

液体从助剂中析出的可能原因包括：塑料助剂与塑料基材因不兼容而逐渐分解析出；塑料在外界条件下(如光、热等)老化的过程[11-14]中析出。采用热重分析方法，排除了塑料老化引起液体析出的可能性。因此，液体析出的原因应是助剂与塑料基材不兼容。

目前，含有P元素的塑料助剂主要有磷酸酯增塑剂、磷系阻燃剂、磷氮系阻燃剂等，其中部分磷系阻燃剂存在与高分子材料兼容性差、易分解的缺点。

由以上分析可以推断，继电器油质导电液体来源于继电器内部塑料，塑料助剂与塑料基材因不兼容而逐渐分解析出，形成油质导电液体。

2 加速液体析出实验

根据时温等效原理[15-16]，升高温度与延长观察时间对分子运动是等效的，对高聚物的粘弹行为也是等效的。先取继电器样品，提高温度以加速助剂的析出过程，观察塑料表面是否析出油质液体。

从继电器中选取一只未有液体析出的样品在中国赛宝实验室进行实验。样品置于正常空气环境中，空气相对湿度在40%～50%，逐步对样品进行加温，各时间段温度如图6所示。

图6 加速实验过程中的升温情况

实验从2017年11月8日开始，初始温度为60 ℃，逐步升温至135 ℃，至11月16日，塑料表面已有明显的液体析出现象，如图7所示。

对本次高温实验继电器塑料表面样品析出的液体进行红外光谱检测，得到高温析出液体和原继电器塑料表面液体的红外光谱对比如图8所示。由图8可知，高温析出的液体与原继电器塑料表面液体主成分一致。

用万用表测量析出液体后的塑料表面电阻，在探针相距1 mm的情况下测得图7中液体分布密集区域的表面电阻为91.71 kΩ，液体分布稀疏区域的表面电阻为8.95 MΩ，同时测得无液体分布的其他部分塑料表面电阻为80.14 MΩ。

图7 加速实验前后继电器样品内部塑料表面变化情况

图8 高温析出液体(曲线1)和原塑料表面液体(曲线2)的红外光谱对比

由实验前后的对比及电阻测量结果可知，继电器内部塑料在空气环境中能够析出油质液体，继电器其余部位无液体出现。用万用表测量析出液体后的塑料表面电阻，析出的液体越密集，塑料表面电阻越小，进一步明确了油质液体的导电性能。该加速实验验证了油质导电液体来源于继电器内部塑料的分析结论。

3 继电器失效过程分析

对接线柱金属片表面锈蚀物进行电镜能谱分析，结果见图9、表3。可以看出，锈蚀物样品的主要元素为P、Zn、O、C、Cu，说明锈蚀物主要为Cu、Zn的氧化物及含磷化合物。除金属元素Zn和Cu之外，其他3种元素P、O、C与液体样品的主元素一致。结合接线柱锈蚀物表面油质液体越密集，其与接线柱间的绝缘电阻越小的现象，推断锈蚀物为油质液体腐蚀接线柱而成。

图9 继电器接线柱锈蚀物样品的电镜能谱图

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图10 继电器接线柱锈蚀处 的电导曲线

4 反事故措施研究及现场实施

参照相关技术规程，通过广泛市场调研，筛选得到电气性能满足要求的可替代继电器[20]，对其开展塑料物质成分分析以及加速液体析出实验，结果见表4。

根据上述研究结果，中国南方电网有限责任公司超高压输电公司提出采用同型号改进型继电器替换原故障型继电器的反事故措施。在兴安直流输电工程年度检修期间开展继电器替换工作，现场实验表明该改进型继电器在电气性能方面完全满足直流控制保护要求。经过一年多的运行，继电器塑料表面没有任何油质液体迹象，表明本文提出的反事故措施可有效解决继电器失效导致交流滤波器跳闸或直流闭锁问题。

表4 可替代继电器的技术参数及基材兼容性

注：PET—聚对苯二甲酸乙二醇酯，polyethylene terephthalate的缩写。

5 结论

a)继电器塑料中的磷系阻燃剂因与塑料基材兼容性差而析出油质导电液体，油质导电液体腐蚀正极接线柱，正极接线柱膨胀并与负极金属接线在镂空结构处连接，使继电器在励磁线圈非吸合情况下导通，导致交流滤波器跳闸或直流闭锁。

b)针对继电器失效导致交流滤波器跳闸或直流闭锁问题，采用以同型号改进型继电器替换原故障型继电器的反事故措施，成功解决了兴安直流输电工程继电器失效问题。

c)控制保护设备生产商在继电器选型阶段，应开展继电器塑料加速液体析出实验，确保继电器阻燃剂与塑料基材兼容性良好，不会析出油质导电液体。

d)继电器生产商在继电器设计方面，应采用与基材兼容性更好的少磷或无磷助剂，并消除物理电气结构方面的缺陷，正极接线柱和负极接线柱中间必须采用塑料隔离，或者触点公共端金属连接线外面采用绝缘包裹层，且金属连接线不应绕过常开触点接线柱，以避免因塑料与助剂的兼容性差及物理电气结构缺陷导致的继电器绝缘失效问题。