Analýza poruch 35kV venkovní vakuového spínacího stožáru s porcelánovou rourou

Vakuový vypínač ZW7 - 40.5 pro venkovní použití využívá vakuové prostředí jako středisko pro uhašení oblouku. Pohyblivý konec střediska pro uhašení oblouku je spojen s výstupním hřídelem ovládacího mechanismu přes klikovou páku a izolační tyč. Celková struktura vypínače je typu keramické trubice.

Horní keramická trubice slouží jako keramická trubice střediska pro uhašení oblouku, zatímco dolní trubice působí jako nosná keramická trubice. Tři fázové keramické trubice jsou nainstalovány na rámu, a třífázové proudové transformátory jsou umístěny uvnitř dolních nosných keramických trubic a spojeny s hlavní obvodovou cestou vypínače (viz obrázek 1). Oba, horní i dolní keramické trubice, jsou naplněny vakuově izolační silikónovou mastí s vynikajícími izolačními vlastnostmi.

Keramické trubice vysokého napětí jsou obvykle vyrobeny z vysokoprotěkavého oxidu hliníku, který má dobré chemické stability, vynikající izolační vlastnosti a vysokou mechanickou pevnost. Výkon keramických trubic je přímo spojen se životností celého zařízení. Běžné příčiny poruch venkovních vypínačů zahrnují trhnutí flanče, deformaci a trhnutí keramických trubic, roztažení cementu, stárnutí, korozi atd. V určitém 110kV přenosovém line se vyskytlo sedm selhání vypínačů, z nichž trhnutí keramických trubic představuje 41%.

Situace při poruše

V 110kV podstanici došlo k prasknutí keramického rukávu fáze A 35kV vypínače. Část keramického rukávu mezi třetím širákem a spodním flančetem odpadla a odletěla, a uvnitř se vytratila izolační silikónová mast, což donutilo zařízení k vypnutí. Při místním prohlídku vadného vypínače bylo zjištěno, že přímou příčinou poruchy byla reakce vysokonapěťového vodiče uvnitř nosného keramického rukávu s keramickým rukávem, a vysokoteplotní oblouk vygenerovaný výbojem způsobil prasknutí keramického rukávu a vytékání uvnitř izolační silikónové masti.

Vzorková analýza

Makroskopická kontrola

Dvě typické vzorky byly získány vzorkováním keramického rukávu, a výsledky kontroly jsou následující:

Obrázek 2 ukazuje makroskopickou morfologii vzorku 1 pocházejícího z místa. Na vnitřní stěně keramického rukávu vzorku jsou rozsáhlé stopy hoření obloukem. Po úseku přibližně 50.89 mm je lomová plocha keramického rukávu převážně šedá, a na povrchu některých částí jsou usazeniny sazí. Morfologie lomu se značně liší od ostatních částí. Tři části vzorku 1 byly kontrolovány odděleně, jak je znázorněno na obrázku 2b, 2c a 2d.

Jak je vidět na obrázku 2b, glazura na vnitřní stěně vzorku byla spálena a roztavena, tvoříce množství dutin různých velikostí. Na okraji koncové plochy je hladká plocha, která se liší od stop spálení glazury, což naznačuje absence glazury nebo nerovnoměrné materiálové složení. Na obrázku 2c je červená oblast u kořene širáku hladká, tvrdá, s množstvím malých dírek na povrchu, s zadní a spodní stranou šedivě bílá.

Červený materiál je nerovnoměrně rozdělen, povrch je nerovný, s lokálním výběžkem, a okraj má zřetelnou černou hranici s keramickým tělesem, což naznačuje, že materiál v této oblasti je neobvyklý. Obrázek 2d je lokálně zvětšený obraz normální oblasti řezu širáku. Je vidět, že na povrchu vzorku je množství malých dírek, a největší dírka má průměr přibližně 0.1 mm.

Obrázek 3 zobrazuje makroskopický vzhled vzorku 2#. Na vnitřní stěně vzorku jsou stopy lokálního hoření obloukem a neoglazovaná oblast, jak je označeno v částech 1 a 2 na obrázku 3a. Pozoruhodně, glazura na místě hoření obloukem obsahuje množství dírek, což je výsledek roztavení glazury po vystavení vysoké teplotě. Na místě 2 na vnitřní stěně je povrchová deprese přibližně 17.92 mm dlouhá a 2 mm hluboká. Barva této oblasti odpovídá barvě keramického tělesa, šedivě bílá, což naznačuje, že povrch chybí glazura, což je původní výrobní vada.

Obrázek 3b ukazuje bokovou makroskopickou morfologii vzorku 2#. Je zřejmé, že část boku vzorku má kulatou a hladkou plochu, což kontrastuje s hrubou normální lomovou plochou. To naznačuje, že keramické těleso v této části je nespojité, což je další původní výrobní vada.

Z výsledků makroskopické kontroly vzorků lze usoudit, že vadný keramický rukáv vykazuje několik původních výrobních vad, včetně nerovnoměrného materiálu, nespojitého keramického tělesa, neoglazovaného povrchu a velkého množství malých dírek.

Analýza skenovací elektronovou mikroskopie (SEM) mikromorfologie

Analýza SEM byla provedena na vzorcích z normální části, červené oblasti, hladké plochy a vnitřního výbojového povrchu keramického rukávu. Skenovací mikroskopické snímky vzorků jsou prezentovány na obrázku 4.

Jak je znázorněno na obrázku 4a, vzorek z normální části keramického rukávu zobrazuje hrubý povrch s orientovanými lomovými texturami. Značné množství dírek je rovnoměrně rozděleno po celé délce, což naznačuje, že keramika rukávu je porézní a má relativně nízkou hustotu.

Obrázek 4b ukazuje, že vzorek z červené oblasti také obsahuje množství dírek. Ve srovnání s vzorkem z normální části jsou tyto dírky větší, méně hustě rozdělené, a hustota keramiky je relativně vyšší. To naznačuje nerovnoměrné sinterování materiálu keramiky uvnitř rukávu.

Z obrázku 4c lze pozorovat, že vzorek s hladkou plochou také obsahuje množství dírek, spolu s množstvím nerovných dutin rozmístěných po jeho povrchu. Navzdory tomu je celkový povrch relativně hladký a rovný, což naznačuje, že abnormální charakteristiky této části existovaly již před lomením.

Obrázek 4d ukazuje, že glazura na výbojově kauterizovaném povrchu je hladká, ale poseta množstvím bublin a dutin. Tyto prvky jsou atribuovány uvolňování plynů během procesu roztavení glazury, vyvolaného vysokými teplotami generovanými během výbojové události.

Analýza skenovací elektronovou mikroskopie (SEM) mikromorfologie

Analýza SEM byla provedena na vzorcích z normální části, červené oblasti, hladké plochy a vnitřního výbojového povrchu keramického rukávu. Skenovací mikroskopické snímky vzorků jsou prezentovány na obrázku 4.

Jak je znázorněno na obrázku 4a, vzorek z normální části keramického rukávu zobrazuje hrubý povrch s orientovanými lomovými texturami. Značné množství dírek je rovnoměrně rozděleno po celé délce, což naznačuje, že keramika rukávu je porézní a má relativně nízkou hustotu.

Obrázek 4b ukazuje, že vzorek z červené oblasti také obsahuje množství dírek. Ve srovnání s vzorkem z normální části jsou tyto dírky větší, méně hustě rozdělené, a hustota keramiky je relativně vyšší. To naznačuje nerovnoměrné sinterování materiálu keramiky uvnitř rukávu.

Z obrázku 4c lze pozorovat, že vzorek s hladkou plochou také obsahuje množství dírek, spolu s množstvím nerovných dutin rozmístěných po jeho povrchu. Navzdory tomu je celkový povrch relativně hladký a rovný, což naznačuje, že abnormální charakteristiky této části existovaly již před lomením.

Obrázek 4d ukazuje, že glazura na výbojově kauterizovaném povrchu je hladká, ale poseta množstvím bublin a dutin. Tyto prvky jsou atribuovány uvolňování plynů během procesu roztavení glazury, vyvolaného vysokými teplotami generovanými během výbojové události.

Pomocí analýzy SEM mikromorfologie lze usoudit, že keramický rukáv má vrozené vady, jako je volná struktura keramiky, nízká hustota a abnormální řezy.

Analýza energiového spektra

Jak je popsáno výše, byla provedena analýza energiového spektra povrchových prvků a jejich distribuce na čtyřech různých místech vzorku. Obrázek 5 ilustruje detailní příklad distribuce povrchových prvků. Prvky na povrchu vzorků z normální části, hladké plochy a výbojové části keramického rukávu jsou převážně tvořeny kyslíkem (O), křemíkem (Si) a hliníkem (Al).

Celkově je distribuce prvků na povrchu těchto vzorků relativně rovnoměrná. Nicméně, distribuce prvků na povrchu vzorku z červené oblasti je nerovnoměrná. V dolní pravé části tohoto vzorku se značně zvýší obsah kyslíku (O), hliníku (Al) a draselného (K), zatímco distribuce prvků křemíku (Si) zůstává relativně konzistentní. To naznačuje, že během sinterovacího procesu této oblasti byla distribuce prvků O, Al a K nerovnoměrná.

Současně byl proveden srovnání hlavních obsahů prvků u čtyř vzorků, a výsledky jsou prezentovány v tabulce 1. Obsah prvku kyslíku (O) na povrchu vzorku z normální části je značně vyšší než u ostatních tří vzorků, zatímco obsah prvku křemíku (Si) je nižší. To naznačuje, že složení materiálu se nerovnoměrně liší v různých částech vzorku keramického rukávu.

Vzorky z červené oblasti mají relativně vysoký obsah křemíku (Si) a nejnižší obsah kyslíku (O). Kromě toho bylo na povrchu vnitřního výbojového části keramického rukávu detekováno značné množství mědi (Cu). To je způsobeno roztavením a vypařováním bronzu uvnitř keramického rukávu při vysokých teplotách během výbojového procesu, následovaného spráskáním a depozicí na vnitřním povrchu keramického rukávu.

Skenování distribuce povrchových prvků vzorků

Na základě analýzy energiového spektra lze s jistotou usoudit, že během sinterovacího procesu keramického rukávu je distribuce různých prvků velmi nerovnoměrná. Tato nerovnoměrnost přímo naznačuje, že materiály různých částí keramického rukávu vykazují značné rozdíly.

Závěry a doporučení

Závěry

Pomocí makroskopické kontroly, analýzy SEM mikromorfologie a analýzy energiového spektra bylo zjištěno, že keramický rukáv vykazuje charakteristiky, jako je relativně volná struktura, vnitřní vrstvení, nerovnoměrné složení a přítomnost mikropor. Kromě toho jsou na vnitřním povrchu keramického rukávu vrozené vady, včetně lokálně neoglazovaných oblastí a nedostatečné kvality výrobního procesu.

V důsledku těchto makroskopických a mikroskopických vad keramického rukávu, během jeho dlouhodobého venkovního provozu postupně pronikají vnější vlhkost a plyny do rukávu. Tento infiltrace vedou ke snížení izolačních vlastností keramického rukávu. Pod vlivem elektrického pole dochází k elektrickému výboji mezi vnitřním vodičem a slabými částmi keramického rukávu. Výboj generuje lokální vysoké teploty uvnitř keramického rukávu a zhoršuje vlastnosti izolační silikónové masti. Nakonec, pod vlivem vnitřního tlaku, keramický rukáv praskne.

Doporučení

• Výrobci keramických rukávů by měli zesílit kontrolu kvality během vypalovacího procesu keramických rukávů, aby zajistili konzistentní a vysokou kvalitu výstupu produktu.

• Během přepravy keramických rukávů musí být provedena vhodná ochranná opatření. To je klíčové pro prevenci závažných vibrací nebo kolizí, které by mohly potenciálně poškodit keramické rukávy.

• Uživatelé produktů by měli zesílit kvalitativní vzorkovou kontrolu keramických rukávů přicházejícího zařízení. Tento postup zajistí, že kvalita skladovaného zařízení splňuje požadované standardy.

• Je třeba pečlivě sledovat operační stav dávky zařízení. Zejména pro zařízení s již existujícím únikem silikónové masti nebo trhnutím keramického rukávu by měla být provedena okamžitá výpadková údržba a detekce vad, aby se zabránilo potenciálním selháním a zajistilo bezpečné a spolehlivé fungování elektrického systému.