输变电设备可靠性评估中的环境应力筛选技术应用研究

输变电设备是电力系统的核心支撑，其可靠性直接关系电网安全稳定运行。在可靠性评估体系中，环境应力筛选（ESS）技术凭借“主动激发潜在缺陷”的特性，成为提前识别设备隐患的关键手段。它通过模拟温度、振动、湿度等环境应力，将输变电设备中隐性的材料缺陷、装配问题或老化隐患转化为显性故障，从而在交付或运维前剔除风险。本文聚焦ESS在输变电设备场景的落地细节，从应力选择、生命周期适配、结果判据等维度，拆解技术应用的关键逻辑。

环境应力筛选的核心逻辑与输变电设备的适配性

环境应力筛选（ESS）的本质是“用可控的环境应力放大隐性缺陷”——设备中的材料微观裂纹、部件装配间隙或绝缘层老化等问题，在常规工况下不易暴露，但在温度循环、振动等应力作用下，会因热膨胀差异、机械摩擦或湿度渗透加速恶化，最终表现为性能下降。这种逻辑与输变电设备的缺陷特征高度契合：输变电设备多由金属、绝缘材料和电子元器件组合而成，常见缺陷如变压器绕组的焊接虚接、断路器操作机构的螺丝松动、电缆终端的绝缘吸潮，均属于“在应力波动中会加速恶化”的类型。

以变压器为例，其绕组由铜导线与绝缘纸缠绕而成，若生产中绝缘纸贴合不紧密，常规通电测试可能无异常，但在温度循环应力下（如-10℃至110℃快速升降温），铜与绝缘纸的热膨胀系数差异会导致绝缘纸局部撕裂，进而引发局放值上升。再比如断路器的操作机构，若连杆销钉装配过松，常规机械测试无法察觉，但在随机振动应力下（模拟风力或分合闸冲击），销钉松动会导致分合闸时间偏差超过阈值。ESS的价值正在于“精准匹配”这些缺陷的激发条件——既达到激发缺陷的阈值，又不超过设备的设计许用应力（如变压器温度循环范围≤额定工作温度±20℃）。

需要明确的是，ESS不是“破坏性测试”，而是“激发性测试”。其关键在于应力强度的控制：例如，针对额定工作温度-20℃至120℃的变压器，ESS温度循环范围通常设定为-10℃至110℃，既覆盖极端工况，又避免过度应力导致设备损坏。这种“适配性”是ESS在输变电设备场景应用的前提。

输变电设备ESS实施中的应力类型选择策略

ESS的应力类型需遵循“缺陷-应力对应原则”，针对输变电设备的常见缺陷，三类应力应用最广泛：

第一类是温度循环应力，针对“热膨胀不匹配”缺陷。输变电设备中金属与绝缘材料的热膨胀系数差异大，长期温度波动会导致绝缘层开裂、焊接点脱落。温度循环通常采用“快速升降温”（如每分钟5℃速率），模拟负荷波动或昼夜温差。例如，某型号变压器研发阶段通过温度循环（-10℃至110℃，5次），发现绕组末端绝缘纸微裂纹，后续优化粘结工艺解决问题。

第二类是随机振动应力，针对“机械连接松动”缺陷。输变电设备中的断路器操作机构、变压器冷却风扇支架等部件，易因运输或长期振动出现螺丝松动。随机振动的“无固定频率”特性，能模拟实际工况中的冲击振动（如杆塔受风力影响的振动）。例如，某断路器生产企业通过随机振动（0.5g加速度，30分钟）筛选，剔除了12台操作机构螺丝松动的产品，将出厂不合格率从0.8%降至0.15%。

第三类是湿度应力，针对“绝缘材料吸潮”缺陷。电缆终端头的硅橡胶套、互感器的环氧树脂外壳易吸收水分，导致绝缘电阻下降。湿度应力通常采用“恒定湿热”（40℃、90%湿度，24小时），模拟沿海或雨季的高湿度环境。例如，某沿海地区电缆终端头经湿度应力筛选后，绝缘电阻从1000MΩ降至50MΩ，检测确认是硅橡胶套内部吸潮，及时更换避免了击穿事故。

实际应用中多采用“组合应力”：变压器用“温度循环+湿度应力”模拟高温高湿工况，断路器用“随机振动+温度循环”模拟振动+温度波动的复合环境，目的是激发“多因素叠加”的缺陷——如断路器操作机构销钉松动在温度循环中会因热膨胀增大间隙，再加上振动会加速脱落，这种缺陷只有组合应力能检测。

ESS在输变电设备不同生命周期的应用差异

输变电设备的生命周期分为研发、生产、运维三个阶段，ESS的目标与实施方式因阶段而异：

研发阶段以“优化设计”为核心。此时设备处于原型机阶段，ESS用于找出“设计缺陷”：某新型干式变压器采用新型环氧浇注绝缘材料，经温度循环（-10℃至130℃，10次）后，绕组表面出现微裂纹——原因是环氧材料与铜导线的热膨胀系数不匹配。后续调整材料配方（增加柔性环氧树脂），问题得以解决。研发阶段的ESS通常采用“更严格的应力”（如超出额定工况10%-20%），目的是“极限考验”设计合理性。

生产阶段以“批量剔除不合格品”为目标。此时设备规模化生产，ESS需保证“产品一致性”：某断路器企业的流水线中，每台断路器都要经过“随机振动（0.5g，30分钟）+温度循环（0℃至100℃，5次）”筛选，再通过分合闸时间测试判断是否合格。统计显示，该环节将出厂不合格率从0.8%降至0.15%，大幅降低售后成本。

运维阶段以“在役设备可靠性核查”为目标。此时设备已运行数年，ESS用于“找老化问题”：某电网公司对运行15年以上的变压器实施“定期ESS检测”，采用“温度循环（-5℃至100℃，3次）+湿度应力（40℃，90%湿度，24小时）”，检测后通过油色谱分析（判断绝缘老化）与局放测试（判断放电缺陷）评估状态。结果显示3台变压器乙炔含量超标，局放值升至150pC，后续吊芯发现绕组绝缘开裂，及时更换避免了烧毁事故。

输变电设备ESS结果的判据设定与缺陷识别

ESS的效果需通过“判据”验证——设备经应力作用后，性能指标需符合要求。输变电设备的判据分为“定量”与“定性”两类：

定量指标是可测量的性能参数，如变压器局放值（≤100pC）、断路器分合闸时间偏差（≤5ms）、电缆绝缘电阻（≥1000MΩ·km）。这些指标基于设备额定参数与行业标准制定，例如GB/T 1094.1-2013规定变压器局放值≤100pC。

定性指标是外观或结构变化，如变压器绕组绝缘层是否有裂纹、断路器操作机构是否变形，需通过目视检查或无损检测（如超声、红外热像）确认。例如，某变压器经温度循环后，红外热像显示绕组局部温度升高10℃，进一步超声检测确认绝缘层开裂。

缺陷识别的关键是“对比分析”——比较ESS前后的性能变化：某断路器ESS前分合闸时间35ms，ESS后42ms（偏差7ms，超过阈值5ms），说明操作机构存在松动；某变压器ESS前局放值40pC，ESS后180pC，说明绝缘层有开裂。同时，需通过失效分析“闭环”——例如某断路器因销钉装配扭矩不足（设计15N·m，实际10N·m）导致松动，后续优化装配工艺解决问题。

ESS应用中的常见误区与规避方案

实践中ESS应用易陷入三类误区，需针对性规避：

误区一：“应力越强效果越好”。部分企业为“彻底激发缺陷”，施加超过设计许用应力的条件（如变压器温度循环-30℃至150℃），导致绝缘层提前老化。规避方案：基于设计规格书制定应力上限（如变压器温度循环≤额定±20℃），并实时监测关键参数（如绕组温度），超过阈值立即停止。

误区二：“单一应力覆盖所有缺陷”。部分企业认为“温度循环能解决所有问题”，忽略随机振动或湿度应力，导致漏检机械松动或绝缘吸潮缺陷。例如某断路器企业仅用温度循环，未用随机振动，导致10台设备因螺丝松动运行中故障。规避方案：基于缺陷类型选择组合应力——变压器用“温度+湿度”，断路器用“振动+温度”。

误区三：“ESS结果=最终结论”。部分企业认为“经ESS的设备就是合格的”，忽略“应力后恢复”——设备经应力作用后需静置恢复（如变压器静置24小时、断路器静置12小时），否则可能误判。例如某变压器ESS后立即测试局放值120pC（超阈值），静置24小时后降至80pC（合格），原因是温度循环导致绝缘层气体膨胀，静置后扩散。

ESS与其他可靠性技术的协同应用

ESS需与其他技术协同才能发挥最大价值：

协同模式一：ESS+FMEA（故障模式及影响分析）。FMEA识别潜在缺陷，ESS激发缺陷——某变压器FMEA指出“绕组绝缘开裂”是高风险缺陷，后续ESS针对性采用“温度+湿度”组合，重点激发该缺陷，再通过改进绝缘纸粘结工艺解决问题。

协同模式二：ESS+在线监测系统。在线监测实时采集运行数据（如温度、振动），ESS激发缺陷，两者结合跟踪缺陷发展——某变压器在线监测局放值从30pC升至60pC，经ESS（温度循环）后升至180pC，说明缺陷在应力下恶化，运维团队及时检修。

协同模式三：ESS+可靠性增长试验（RGT）。RGT通过“测试-改进-再测试”循环提高可靠性，ESS是“测试环节”——某新型断路器研发中，FMEA识别“操作机构连杆卡涩”是高风险缺陷，ESS激发该缺陷后，改进连杆材料（钢改铝合金，减少热膨胀差异），再ESS验证，最终将卡涩概率从10%降至1%。