تحليل الأعطال لمفتاح الدائرة الفراغي الخارجي 35 كيلوفولت مع أسطوانة السيراميك
يستخدم قاطع الدائرة الخارجي ZW7 - 40.5 الفراغ كوسيلة لإخماد القوس الكهربائي. يتم توصيل الطرف المتحرك لغرفة إخماد القوس بمحور الخرج للآلية التشغيلية عبر ذراع مفصلية وربط عازل. هيكل القاطع بشكل عام من نوع العمود الفخاري.
يقوم الفخار العلوي بوظيفة فخار غرفة إخماد القوس، بينما يلعب الفخار السفلي دور الدعم. يتم تركيب الفخار الثلاثي الأطوار على إطار، ويتم تركيب محولات التيار الثلاثية الأطوار داخل الفخار الداعم السفلي وتوصيلها بالدائرة الرئيسية للقاطع (كما هو موضح في الشكل 1). يتم ملء الفخار العلوي والسفلي بمادة السيليكون العازلة للفراغ التي تتميز بخصائص عازلة ممتازة.
عادة ما يتم صنع الفخار الخاص بالقواطع ذات الجهد العالي من سيراميك الألومينا عالي القوة، والتي تتميز بثبات كيميائي جيد وأداء عازل ممتاز وقوة ميكانيكية عالية. أداء الفخار السيراميكي مرتبط مباشرة بعمر الخدمة للجهاز بأكمله. من بين الأسباب الشائعة للفشل في القواطع الخارجية تشمل تشقق الفلنجات وتشوه وتدمير الفخار وتوسع الأسمنت والتآكل والصدأ وغيرها. في خط نقل معين بجهد 110 كيلوفولت، حدثت سبعة حالات فشل للقاطع، حيث تمثل حالات تدمير الفخار نسبة 41% منها.
حالة العطل
في محطة تحويل بجهد 110 كيلوفولت، انفجرت الغلاف الفخاري للأطوار A من قاطع دائرة بجهد 35 كيلوفولت. سقط جزء من الغلاف الفخاري بين الرف الثالث والفلنج السفلي وطار بعيداً، مما أدى إلى تسرب المادة العازلة السيليكونية الداخلية وإجبار الجهاز على التوقف. تبين من خلال الفحص الميداني للقاطع المعيب أن السبب المباشر للفشل هو تفاعل الموصل ذو الجهد العالي داخل الغلاف الفخاري الداعم للقاطع مع الغلاف الفخاري نفسه، وأن القوس الكهربائي ذو الحرارة العالية الناتج عن الإفراز أدى إلى انفجار الغلاف الفخاري وتسرب المادة العازلة السيليكونية الداخلية.
تحليل العينة
الفحص البصري
تم الحصول على عينتين نموذجيتين من خلال أخذ عينات من الغلاف الفخاري، وكانت نتائج الفحص كالتالي:
يشير الشكل 2 إلى الشكل البصري للعينة 1 التي تم أخذها في الموقع. هناك آثار حرق قوس كبيرة على الجدار الداخلي للغلاف الفخاري للعينة. على طول قسم يبلغ حوالي 50.89 ملم، يكون سطح الكسر للغلاف الفخاري رمادي اللون في معظم الأحيان، وهناك رواسب دخانية على سطح بعض المناطق. الشكل العام للسطح مختلف بشكل كبير عن باقي الأجزاء. تم فحص الثلاث أجزاء من العينة 1 بشكل منفصل، كما هو موضح في الشكل 2b، 2c، و2d.
من الواضح من الشكل 2b أن الطلاء الداخلي للعينة قد تعرض للاحتراق والذوبان، مما أدى إلى تكوين العديد من الحفر بأشكال وأحجام مختلفة. يوجد سطح ناعم عند حافة الواجهة، والذي يختلف عن علامة الذوبان للطلاء، مما يشير إلى عدم وجود طلاء أو عدم تجانس المادة. في الشكل 2c، المنطقة الحمراء عند قاعدة الرف لها سطح ناعم ومادة صلبة وبها العديد من الثقوب الصغيرة على السطح، مع ظهور الجزء الخلفي والأدنى بلون أبيض رمادي.
المواد الحمراء غير موزعة بشكل متساوٍ، والسطح غير مستوٍ، وهناك بروز محلي، والحافة لها حدود سوداء واضحة مع الجسم الفخاري، مما يشير إلى أن المادة في هذه المنطقة غير طبيعية. الشكل 2d هو صورة مكبرة لجزء طبيعي من قسم الرف. يمكن رؤية العديد من الثقوب الصغيرة على سطح العينة من الشكل، والثقب الأكبر قطره حوالي 0.1 ملم.
يصور الشكل 3 الشكل البصري للعينة رقم 2#. على الجدار الداخلي للعينة، هناك آثار حرق قوس محلية ومنطقة بدون طلاء، كما هو موضح في الأجزاء 1 و2 من الشكل 3a. من الواضح أن الطلاء في موقع الحرق يحتوي على العديد من الثقوب، وهو نتيجة ذوبان الطلاء بعد تعرضه لحرارة عالية. في الموقع 2 على الجدار الداخلي، يوجد انخفاض في السطح بطول حوالي 17.92 ملم وعمق 2 ملم. لون هذا الجزء يتطابق مع لون الجسم الفخاري، وهو أبيض رمادي، مما يشير إلى أن السطح ليس له طلاء، وهو عيب أصلي في العملية.
يظهر الشكل 3b الشكل البصري الجانبي للعينة رقم 2#. من الواضح من الشكل أن جزءًا من الجانب للعينة له سطح دائري وناعم، مما يختلف عن سطح الكسر الطبيعي الخشن. هذا يشير إلى أن الجسم الفخاري في هذا الجزء غير مستمر، وهو عيب أصلي آخر في العملية.
من نتائج الفحص البصري للعينات، يمكن استنتاج أن الغلاف الفخاري المعيب يظهر العديد من العيوب الأصلية في العملية، بما في ذلك عدم تجانس المادة وجسم فخاري غير مستمر وسطح بدون طلاء والعديد من الثقوب الصغيرة.
تحليل المجهر الإلكتروني المسح الضوئي (SEM) للشكل الدقيق
تم إجراء تحليل SEM على عينات من القسم الطبيعي، والمنطقة الحمراء، والمنطقة ذات السطح الناعم، والسطح الداخلي للإفراز. الصور المجهرية المسح الضوئي للعينات مقدمة في الشكل 4.
كما هو موضح في الشكل 4a، فإن العينة من القسم الطبيعي للغلاف الفخاري تظهر سطحًا خشنًا بنسيج كسر موجه. يوجد عدد كبير من الثقوب موزعة بشكل متساوٍ عليها، مما يشير إلى أن الغلاف الفخاري متعدد الثقوب ولديه كثافة نسبية منخفضة.
يظهر الشكل 4b أن العينة من المنطقة الحمراء تحتوي أيضًا على عدد كبير من الثقوب. مقارنة بالعينة من القسم الطبيعي، فإن هذه الثقوب أكبر في الحجم وأقل كثافة، وكثافة الفخار أعلى نسبيًا. هذا يشير إلى عملية تلبيد غير متجانسة للمادة الفخارية داخل الغلاف.
من الشكل 4c يمكن ملاحظة أن العينة ذات السطح الناعم تحتوي أيضًا على عدد كبير من الثقوب، بالإضافة إلى العديد من الحفر غير المنتظمة منتشرة على سطحها. ومع ذلك، يبدو السطح الكلي نسبيًا ناعمًا ومستوياً، مما يعني أن الخصائص غير الطبيعية لهذا القسم كانت موجودة قبل حدوث الكسر.
يظهر الشكل 4d أن الطلاء على السطح الذي تم حرقه بالإفراز ناعم ولكنه مليء بالعديد من الفقاعات والحفر. هذه الخصائص ترجع إلى إطلاق الغازات أثناء عملية ذوبان الطلاء، والتي تحدث بسبب الحرارة العالية الناتجة عن حدث الإفراز.
تحليل المجهر الإلكتروني المسح الضوئي (SEM) للشكل الدقيق
تم إجراء تحليل SEM على عينات من القسم الطبيعي، والمنطقة الحمراء، والمنطقة ذات السطح الناعم، والسطح الداخلي للإفراز. الصور المجهرية المسح الضوئي للعينات مقدمة في الشكل 4.
كما هو موضح في الشكل 4a، فإن العينة من القسم الطبيعي للغلاف الفخاري تظهر سطحًا خشنًا بنسيج كسر موجه. يوجد عدد كبير من الثقوب موزعة بشكل متساوٍ عليها، مما يشير إلى أن الغلاف الفخاري متعدد الثقوب ولديه كثافة نسبية منخفضة.
يظهر الشكل 4b أن العينة من المنطقة الحمراء تحتوي أيضًا على عدد كبير من الثقوب. مقارنة بالعينة من القسم الطبيعي، فإن هذه الثقوب أكبر في الحجم وأقل كثافة، وكثافة الفخار أعلى نسبيًا. هذا يشير إلى عملية تلبيد غير متجانسة للمادة الفخارية داخل الغلاف.
من الشكل 4c يمكن ملاحظة أن العينة ذات السطح الناعم تحتوي أيضًا على عدد كبير من الثقوب، بالإضافة إلى العديد من الحفر غير المنتظمة منتشرة على سطحها. ومع ذلك، يبدو السطح الكلي نسبيًا ناعمًا ومستوياً، مما يعني أن الخصائص غير الطبيعية لهذا القسم كانت موجودة قبل حدوث الكسر.
يظهر الشكل 4d أن الطلاء على السطح الذي تم حرقه بالإفراز ناعم ولكنه مليء بالعديد من الفقاعات والحفر. هذه الخصائص ترجع إلى إطلاق الغازات أثناء عملية ذوبان الطلاء، والتي تحدث بسبب الحرارة العالية الناتجة عن حدث الإفراز.
من خلال تحليل الشكل الدقيق بواسطة المجهر الإلكتروني المسح الضوئي، يمكن الاستنتاج أن الغلاف الفخاري يحتوي على عيوب أصلية مثل هيكل فخار فضفاض وكثافة منخفضة وأقسام غير طبيعية.
تحليل الطيف الطاقي
كما هو مذكور أعلاه، تم إجراء تحليل الطيف الطاقي لتوزيع العناصر السطحية في أربع مواقع مختلفة من العينة. يوضح الشكل 5 مثالًا مفصلًا لتوزيع العناصر السطحية. العناصر الموجودة على سطح العينات من القسم الطبيعي والسطح الناعم والجزء المنبعث من الغلاف الفخاري تتكون أساسًا من الأكسجين (O)، والسيليكون (Si)، والألومنيوم (Al).
بشكل عام، توزيع العناصر على سطح هذه العينات نسبيًا متساوٍ. ومع ذلك، فإن توزيع العناصر على سطح العينة من المنطقة الحمراء غير متساوٍ. في الجزء السفلي الأيمن من هذه العينة، تزداد محتويات الأكسجين (O) والألومنيوم (Al) والبوتاسيوم (K) بشكل كبير، بينما يبقى توزيع عناصر السيليكون (Si) نسبيًا ثابتًا. هذا يشير إلى أن توزيع عناصر O و Al و K لم يكن متجانسًا أثناء عملية التلبيد لهذه المنطقة.
تم أيضًا مقارنة محتويات العناصر الرئيسية للعينات الأربعة، والنتائج مقدمة في الجدول 1. محتوى العنصر الأكسجين (O) على سطح العينة من القسم الطبيعي أعلى بكثير من العينات الأخرى الثلاث، بينما محتوى العنصر السيليكون (Si) أقل. هذا يشير إلى أن تركيب المواد يختلف بشكل غير متجانس عبر أجزاء مختلفة من عينة الغلاف الفخاري.
تحتوي العينات من المنطقة الحمراء على محتوى سيليكون (Si) نسبيًا مرتفع ومحتوى أكسجين (O) أقل. بالإضافة إلى ذلك، تم اكتشاف كمية كبيرة من النحاس (Cu) على سطح الجزء الداخلي المنبعث من الغلاف الفخاري. هذا يعود إلى ذوبان وتبخر البرونز داخل الغلاف الفخاري عند درجات حرارة عالية أثناء عملية الإفراز، ثم رش وترسيب على السطح الداخلي للغلاف الفخاري.
توزيع المسح الضوئي للعناصر السطحية للعينات
بناءً على تحليل الطيف الطاقي، يمكن الاستنتاج بشكل قاطع أن توزيع العناصر المختلفة أثناء عملية التلبيد للغلاف الفخاري غير متجانس للغاية. هذا الاختلاف غير المتجانس يشير مباشرة إلى أن مواد الأقسام المختلفة داخل الغلاف الفخاري تظهر اختلافات كبيرة.
الاستنتاج والتوصيات
الاستنتاج
من خلال الفحص البصري وتحليل الشكل الدقيق بواسطة المجهر الإلكتروني المسح الضوئي وتحليل الطيف الطاقي، تم تحديد أن الغلاف الفخاري يظهر خصائص مثل الهيكل الفضفاض والطبقات الداخلية وعدم تجانس التركيب وجود الثقوب الدقيقة. بالإضافة إلى ذلك، هناك عيوب أصلية على السطح الداخلي للغلاف الفخاري، بما في ذلك المناطق المحلية غير المطلية وجودة العملية الصناعية غير الكافية.
بسبب هذه العيوب البصرية والمجهريّة في الغلاف الفخاري، خلال تشغيله الخارجي طويل الأمد، تتدفق الرطوبة والغازات الخارجية تدريجياً إلى داخل الغلاف. يؤدي هذا التدفق إلى تدهور أداء العزل للغلاف الفخاري. تحت تأثير المجال الكهربائي، يحدث الإفراز الكهربائي بين الموصل الداخلي والمناطق الضعيفة من الغلاف الفخاري. ينتج عن الإفراز درجات حرارة محلية عالية داخل الغلاف الفخاري ويؤدي إلى تدهور أداء زيت السيليكون العازل. في النهاية، تحت تأثير الضغط الداخلي، ينفجر الغلاف الفخاري.
التوصيات
يجب على الشركات المصنعة للغلاف الفخاري تعزيز السيطرة على الجودة أثناء عملية التلبيد للغلاف الفخاري لضمان إنتاج منتجات متسقة وعالية الجودة.
يجب تنفيذ تدابير حماية مناسبة أثناء نقل منتجات الغلاف الفخاري. هذا أمر ضروري لمنع الاهتزازات الشديدة أو الاصطدامات التي قد تضر بالغلاف الفخاري.
يُنصح المستخدمون بالمنتجات بتعزيز الفحص العيني لجودة الغلاف الفخاري للتجهيزات الواردة. هذه الممارسة تضمن أن جودة المعدات المخزنة تتوافق مع المعايير المطلوبة.
يجب الانتباه إلى حالة التشغيل للدفعة من المعدات. خاصة بالنسبة للمعدات التي تظهر تسرب زيت السيليكون أو تشققات في الغلاف الفخاري، يجب القيام بصيانة فورية وفحص العيوب أثناء انقطاع التيار الكهربائي لتجنب الفشل المحتمل وضمان التشغيل الآمن والموثوق للنظام الكهربائي.
