Анализ на повреди в 35кВ открит вакуумен прекъсвач с цев от фарфор

ZW7 - 40.5 външният вакуумен прекъсвач използва вакуум като средство за гасене на дъга. Движещият се край на камера за гасене на дъга е свързан с изходния вал на механизма за управление чрез кривошип и изолираща става. Общата структура на прекъсвача е от тип колона с фарфорова обвивка.

Горната фарфорова обвивка служи като обвивка за гасене на дъга, а долната действа като опорна фарфорова обвивка. Трите фазни фарфорови обвивки са монтирани на рама, а трите фазни трансформатори на тока са разположени в долните опорни фарфорови обвивки и свързани с главния контур на прекъсвача (както е показано на Фигура 1). И горната, и долната фарфорова обвивка са напълнени с вакуумно-изолираща силиконова маст, с отлични изолиращи свойства.

Фарфоровите обвивки на високонапрегнатите прекъсвачи обикновено са направени от фарфор с висока механична устойчивост, който има добри химически стабилност, отлични изолиращи характеристики и висока механична устойчивост. Производителността на фарфоровите обвивки е пряко свързана с продължителността на експлоатация на цялото оборудване. Често срещани причини за отказ на външни прекъсвачи включват пукнатина на фланците, деформация и пукнатина на фарфоровите обвивки, разширение на цимента, стареене, заръждане и т.н. В определена линия за пренос на 110 кВ са регистрирани седем случая на отказ на прекъсвачи, от които отказите поради пукнатина на фарфоровите обвивки представляват 41%.

Ситуация при отказ

В един 110 кВ подстанция, фарфоровата обвивка на А-фазата на 35 кВ прекъсвач е експлодирала. Частица от фарфоровата обвивка между третата капа и долната фланга се е откъснала и излетяла, а вътрешната изолираща силиконова маст е протечала, принуждавайки оборудването да бъде спряно. На място проверка на дефектния прекъсвач показва, че пряката причина за отказа е, че високонапрегнатият проводник в опорната фарфорова обвивка на прекъсвача е реагирал с фарфоровата обвивка, а високотемпературната дъга, произведена от разряд, е предизвикала фарфоровата обвивка да експлодира и вътрешната изолираща силиконова маст да потече.

Анализ на проби

Макроскопично проучване

Две типични проби са взети от фарфоровата обвивка на капите, а резултатите от проучването са следните:

Фигура 2 показва макроскопичния вид на проба 1, взета на място. Във вътрешната стена на фарфоровата обвивка на пробата има следи от горене на дъга в голяма площ. По секция с дължина около 50,89 мм, повърхността на пречупване на фарфоровата обвивка е в основата сива, а на някои области има депозити от сажди. Морфологията на секцията значително се различава от други части. Три части от проба 1 са проучени отделно, както е показано на Фигура 2b, 2c и 2d.

Както е видно от Фигура 2b, глазурта във вътрешната стена на пробата е изгоряла и се е стопила, образувайки множество ямки различни по големина. На края на повърхността има гладка повърхност, различна от знака за стопяване на глазурта, което сочи липса на глазура или нееднакво материално съдържание. На Фигура 2c, червената област в основата на капата има гладка повърхност, твърда текстура, множество малки дупки на повърхността, с обратната и долната част сивобели.

Червеният материал е разпределен нееднакво, повърхността е неравна, има местно издигане, а краят има очевидна черна граница с фарфоровото тяло, което сочи, че материалът в тази област е аномален. Фигура 2d е локално увеличена картина на нормалната област на секцията на капата. Както е видно от фигурата, на повърхността на пробата има множество малки дупки, най-голямата от които има диаметър около 0,1 мм.

Фигура 3 изобразява макроскопичния вид на проба 2#. Във вътрешната стена на пробата има следи от локално горене на дъга и необлицован район, както е указано в части 1 и 2 на Фигура 3a. Забележително е, че глазурата в района на горене на дъга има множество пори, резултат от стопяването на глазурата след излагане на високи температури. На място 2 във вътрешната стена има повърхностно западане с дължина около 17,92 мм и дълбочина 2 мм. Цветът на тази област съвпада с цвета на фарфоровото тяло, сивобял, което сочи, че повърхността липсва глазура, представляваща оригинален процесен дефект.

Фигура 3b показва макроскопичния вид от страна на проба 2#. Както е видно от фигурата, една част от страната на пробата има кругла и гладка повърхност, контрастираща с грубата нормална повърхност на пречупване. Това сочи, че фарфоровото тяло в тази част е непрекъснато, още един оригинален процесен дефект.

От резултатите на макроскопичното проучване на пробите може да се заключи, че дефектната фарфорова обвивка показва няколко оригинални процесни дефекта, включително нееднакво материално съдържание, непрекъснато фарфорово тяло, необлицована повърхност и множество малки дупки.

Анализ на микроскопичната морфология чрез скенерен електронен микроскоп (SEM)

Бил е проведен анализ с SEM на проби от нормалната секция, червената област, гладката повърхност и вътрешната повърхност на разряда на фарфоровата обвивка. Скенерните микроскопски изображения на пробите са представени на Фигура 4.

Както е илюстрирано на Фигура 4a, пробата от нормалната секция на фарфоровата обвивка показва груба повърхност с текстури на пречупване с определено направление. Значителен брой пори са равномерно разпределени по нея, което сочи, че фарфорът на обвивката е порист и има относително ниска плътност.

Фигура 4b показва, че пробата от червената област също има множество пори. В сравнение с пробата от нормалната секция, тези пори са по-големи, по-разредени, а плътността на фарфора е относително по-висока. Това сочи, че материала на фарфора в обвивката е бил нееднородно засечен.

От Фигура 4c може да се види, че гладката повърхност на пробата също съдържа множество пори, както и множество неравномерни ямки, разпръснати по повърхността ѝ. Въпреки това, общата повърхност изглежда относително гладка и равна, което сочи, че аномалните характеристики на тази секция съществуваха преди пречупването.

Фигура 4d показва, че глазурата на повърхността, която е била изгорена от разряд, е гладка, но осеяна с множество балончета и ямки. Тези особености са причинени от изпускането на газове по време на процеса на стопяване на глазурата, активиран от високите температури, генерираните по време на събитието на разряд.

Анализ на микроскопичната морфология чрез скенерен електронен микроскоп (SEM)

Бил е проведен анализ с SEM на проби от нормалната секция, червената област, гладката повърхност и вътрешната повърхност на разряда на фарфоровата обвивка. Скенерните микроскопски изображения на пробите са представени на Фигура 4.

Както е илюстрирано на Фигура 4a, пробата от нормалната секция на фарфоровата обвивка показва груба повърхност с текстури на пречупване с определено направление. Значителен брой пори са равномерно разпределени по нея, което сочи, че фарфорът на обвивката е порист и има относително ниска плътност.

Фигура 4b показва, че пробата от червената област също има множество пори. В сравнение с пробата от нормалната секция, тези пори са по-големи, по-разредени, а плътността на фарфора е относително по-висока. Това сочи, че материала на фарфора в обвивката е бил нееднородно засечен.

От Фигура 4c може да се види, че гладката повърхност на пробата също съдържа множество пори, както и множество неравномерни ямки, разпръснати по повърхността ѝ. Въпреки това, общата повърхност изглежда относително гладка и равна, което сочи, че аномалните характеристики на тази секция съществуваха преди пречупването.

Фигура 4d показва, че глазурата на повърхността, която е била изгорена от разряд, е гладка, но осеяна с множество балончета и ямки. Тези особености са причинени от изпускането на газове по време на процеса на стопяване на глазурата, активиран от високите температури, генерираните по време на събитието на разряд.

Чрез анализ на микроморфологията с SEM може да се заключи, че фарфоровата обвивка има вродени дефекти, като слаба структура, ниска плътност и аномални сечения.

Анализ на енергийния спектър

Както е описано по-горе, анализ на енергийния спектър е бил проведен върху елементите на повърхността и техните разпределения в четири различни места на пробата. Фигура 5 илюстрира подробен пример на диаграмата на разпределението на повърхностните елементи. Елементите на повърхността на пробите от нормалната секция, гладката повърхност и частта на разряда на фарфоровата обвивка се състоят в основата от кислород (O), кремний (Si) и алуминий (Al).

Общо взето, разпределението на елементите на повърхността на тези проби е относително равномерно. Обаче, разпределението на елементите на повърхността на пробата от червената област е нееднакво. В долната дясна област на тази проба, съдържанието на кислород (O), алуминий (Al) и калий (K) се увеличава значително, докато разпределението на елементите на кремния (Si) остава относително постоянна. Това сочи, че по време на процеса на засичане на тази област, разпределението на елементите O, Al и K не е било хомогенно.

Одновременно, било е направено сравнение на основните съдържания на елементи в четирите проби, а резултатите са представени в Таблица 1. Съдържанието на кислород (O) на повърхността на пробата от нормалната секция е значително по-високо от това на другите три проби, докато съдържанието на кремния (Si) е по-ниско. Това сочи, че съставът на материала варира нееднакво в различни части на пробата на фарфоровата обвивка.

Пробите от червената област имат относително високо съдържание на кремний (Si) и най-ниското съдържание на кислород (O). Освен това, на повърхността на вътрешната част на разряда на фарфоровата обвивка е открито значително количество мед (Cu). Това е резултат от стопяването и изпаряването на бронза във фарфоровата обвивка при високи температури по време на разряда, последвано от разпиляване и осаждане върху вътрешната повърхност на фарфоровата обвивка.

Скенерно разпределение на повърхностните елементи на пробите

На базата на анализа на енергийния спектър може да се заключи категорично, че по време на процеса на засичане на фарфоровата обвивка, разпределението на различните елементи е много нееднородно. Тази нееднородност директно сочи, че материалите на различните части във фарфоровата обвивка показват значителни разлики.

Заключение и препоръки

Заключение

Чрез макроскопично проучване, анализ на микроморфологията с SEM и анализ на енергийния спектър, било е установено, че фарфоровата обвивка има характеристики като относително слаба структура, вътрешна стратификация, нееднакъв състав и наличието на микропори. Освен това, на вътрешната повърхност на фарфоровата обвивка има вродени дефекти, включително локални необлицовани области и нисък качествен производствен процес.

В резултат на тези макроскопични и микроскопични дефекти във фарфоровата обвивка, при дългосрочната й работа във външна среда, външната влага и газове постепенно проникват в обвивката. Това проникване води до намаляване на изолиращите качества на фарфоровата обвивка. Под влиянието на електрическото поле, електрически разряд се случва между вътрешния проводник и слабите области на фарфоровата обвивка. Разрядът генерира локални високи температури във фарфоровата обвивка и влошава качеството на изолиращата силиконова маст. Накрая, под действието на вътрешното налягане, фарфоровата обвивка експлодира.

Препоръки

• Производителите на фарфорови обвивки трябва да засилят контрола върху качеството по време на процеса на засичане на фарфоровите обвивки, за да гарантират последователно и висококачествено производство.

• Трябва да бъдат приложени подходящи защитни мерки по време на транспортирането на продуктите от фарфорови обвивки. Това е важно, за да се предотврати сериозни вибрации или сблъсквания, които могат потенциално да повредят фарфоровите обвивки.

• Потребителите на продуктите се съветва да засилят качествената пробна инспекция на фарфоровите обвивки на входящото оборудване. Тази практика гарантира, че качеството на складираното оборудване съответства на необходимите стандарти.

• Трябва да се обърне специално внимание на оперативното състояние на партида оборудване. Особено за оборудването със съществуващи утечки на силиконова маст или пукнатини на фарфоровите обвивки, трябва незабавно да се проведе поддръжка при спиране на електроенергията и дефектоскопия, за да се избегнат потенциални откази и да се гарантира безопасна и надеждна работа на електрическата система.