Fehleranalyse des 35kV-Außenluft-Vakuumschalters Säulenporzellansleeve

Der ZW7 - 40,5 Freiluft-Vakuumschalter verwendet Vakuum als Bogenlöschmedium. Das bewegliche Ende des Bogenlöschraums ist über einen Kurbelarm und eine isolierende Stange mit dem Ausgangswelle der Betätigungseinrichtung verbunden. Die Gesamtstruktur des Schalters ist vom Porzellanrohr-Pfeiler-Typ.

Das obere Porzellanrohr dient als Bogenlöschraum-Porzellanrohr, während das untere als Trägerporzellanrohr fungiert. Die drei Phasenporzellanröhrchen sind auf einem Gestell montiert, und die Drei-Phasen-Stromwandler befinden sich innerhalb der unteren Trägerporzellanröhrchen und sind mit dem Hauptschaltkreis des Schalters verbunden (siehe Abbildung 1). Sowohl das obere als auch das untere Porzellanrohr sind mit Vakuum-isolierendem Silikonfett ausgefüllt, das hervorragende Isolierungseigenschaften besitzt.

Die Porzellanröhrchen von Hochspannungsschaltern werden in der Regel aus hochfesten Aluminiumoxid-Keramiken hergestellt, die über gute chemische Stabilität, ausgezeichnete Isolationsleistung und hohe mechanische Festigkeit verfügen. Die Leistung der Keramikröhrchen steht in direktem Zusammenhang mit der Lebensdauer der gesamten Ausrüstung. Häufige Fehlerursachen bei Freiluftschaltern umfassen Flanschrissbildung, Verformung und Rissbildung von Porzellanröhrchen, Zementausdehnung, Alterung und Rost. In einer bestimmten 110 kV Übertragungsleitung traten sieben Schalterausfälle auf, wobei Porzellanröhrchen-Rissbildungen 41 % der Fälle ausmachten.

Fehlerfall

In einer 110-kV-Umspannstation platzte das A-Phasen-Porzellanrohr eines 35-kV-Schalters. Ein Teil des Porzellanrohrs zwischen dem dritten Schutzblech und dem unteren Flansch brach ab und flog heraus, und das innere Isoliersilikonfett lief aus, was zu einer Stilllegung der Ausrüstung führte. Eine Ortsbesichtigung des defekten Schalters ergab, dass die direkte Ursache des Fehlers darin lag, dass der Hochspannungsleiter im Trägerporzellanrohr des Schalters mit dem Porzellanrohr reagierte, und der durch die Entladung erzeugte Hochtemperaturbogen das Porzellanrohr platzen ließ und das innere Isoliersilikonfett ausfließen ließ.

Probenanalyse

Makroskopische Untersuchung

Durch Probenahme am Schutzblech-Porzellanrohr wurden zwei typische Proben gewonnen, und die Untersuchungsergebnisse lauten wie folgt:

Abbildung 2 zeigt die makroskopische Morphologie der vor Ort entnommenen Probe 1. Auf der Innenseite des Porzellanrohrs der Probe sind große Bogenverbrennungsspuren sichtbar. Entlang eines etwa 50,89 mm langen Abschnitts ist die Bruchfläche des Porzellanrohrs größtenteils grau, und an einigen Bereichen befinden sich Rußablagerungen. Die Bruchmorphologie unterscheidet sich deutlich von anderen Teilen. Die drei Teile der Probe 1 wurden separat untersucht, wie in Abbildung 2b, 2c und 2d gezeigt.

Wie in Abbildung 2b zu sehen, wurde die Glasur auf der Innenseite der Probe verbrannt und geschmolzen, wodurch zahlreiche Gruben unterschiedlicher Größe entstanden. An der Kantenfläche ist eine glatte Oberfläche vorhanden, die sich von der Glasur-Schmelzmarke unterscheidet, was auf fehlende Glasur oder ungleichmäßige Materialverteilung hinweist. In Abbildung 2c hat der rote Bereich am Wurzelbereich des Schutzblechs eine glatte Oberfläche, eine harte Textur und zahlreiche kleine Löcher auf der Oberfläche, wobei Rückseite und Unterseite grauweiß sind.

Das rote Material ist ungleichmäßig verteilt, die Oberfläche ist uneben, es gibt eine lokale Erhebung, und am Rand gibt es eine deutliche schwarze Grenze zum Porzellankörper, was darauf hindeutet, dass das Material in diesem Bereich abnormal ist. Abbildung 2d ist eine lokal vergrößerte Darstellung des normalen Bereichs des Schutzblechabschnitts. Es ist zu sehen, dass auf der Oberfläche der Probe viele kleine Löcher vorhanden sind, und das größte Loch hat einen Durchmesser von etwa 0,1 mm.

Abbildung 3 zeigt die makroskopische Erscheinung von Probe 2#. Auf der Innenseite der Probe sind lokale Bogenverbrennungsspuren und eine unglasierte Fläche sichtbar, wie in den Bereichen 1 und 2 von Abbildung 3a dargestellt. Beachtenswert ist, dass die Glasur an der Bogenverbrennungsstelle zahlreiche Poren aufweist, was auf die Glasur-Schmelzung infolge der hohen Temperatur-Verbrennung zurückzuführen ist. Am Standort 2 auf der Innenseite ist eine etwa 17,92 mm lange und 2 mm tiefe Oberflächeneinbuchtung vorhanden. Die Farbe dieses Bereichs entspricht der des Porzellankörpers, grauweiß, was darauf hindeutet, dass die Oberfläche nicht verglast ist, was einen ursprünglichen Verarbeitungsfehler darstellt.

Abbildung 3b zeigt die seitliche makroskopische Morphologie von Probe 2#. Es ist aus der Abbildung ersichtlich, dass ein Abschnitt der Seitenfläche der Probe rund und glatt ist, im Gegensatz zur rauen normalen Bruchfläche. Dies weist darauf hin, dass der Porzellankörper in diesem Bereich nicht kontinuierlich ist, was ebenfalls ein ursprünglicher Verarbeitungsfehler ist.

Aus den Ergebnissen der makroskopischen Untersuchung der Proben kann geschlossen werden, dass das defekte Porzellanrohr mehrere ursprüngliche Verarbeitungsfehler aufweist, einschließlich ungleichmäßiges Material, unkontinuierlicher Porzellankörper, unglasierte Oberfläche und eine große Anzahl kleiner Löcher.

Rasterelektronenmikroskopische (REM) Analyse der mikroskopischen Morphologie

Eine REM-Analyse wurde an Proben aus dem normalen Abschnitt, dem roten Bereich, dem glatten Bereich und der inneren Entladungsfläche des Porzellanrohrs durchgeführt. Die Rastermikroskopbilder der Proben sind in Abbildung 4 dargestellt.

Wie in Abbildung 4a dargestellt, zeigt die Probe aus dem normalen Abschnitt des Porzellanrohrs eine rauhe Oberfläche mit gerichteten Bruchstrukturen. Eine signifikante Anzahl von Poren ist gleichmäßig verteilt, was darauf hindeutet, dass das Porzellan des Rohrs porös und von relativ geringer Dichte ist.

Abbildung 4b zeigt, dass die Probe aus dem roten Bereich ebenfalls zahlreiche Poren aufweist. Im Vergleich zur normalen Abschnittsprobe sind diese Poren größer, weniger dicht gepackt und die Porzellantiefe ist relativ höher. Dies deutet auf eine ungleichmäßige Verfeuerung des Porzellanmaterials im Rohr hin.

Aus Abbildung 4c ist zu erkennen, dass die glatte Oberflächenprobe ebenfalls eine große Anzahl von Poren enthält, zusammen mit zahlreichen unregelmäßig verteilten Gruben auf ihrer Oberfläche. Trotzdem erscheint die gesamte Oberfläche relativ glatt und flach, was darauf hindeutet, dass die anomalen Merkmale dieses Abschnitts bereits vor dem Bruch bestanden.

Abbildung 4d zeigt, dass die Glasur auf der Entladungsverbrannten Oberfläche glatt, aber mit zahlreichen Blasen und Gruben übersät ist. Diese Merkmale sind auf das Freisetzen von Gasen während des Schmelzprozesses der Glasur zurückzuführen, der durch die hohen Temperaturen während des Entladungsvorgangs ausgelöst wird.

Rasterelektronenmikroskopische (REM) Analyse der mikroskopischen Morphologie

Eine REM-Analyse wurde an Proben aus dem normalen Abschnitt, dem roten Bereich, dem glatten Bereich und der inneren Entladungsfläche des Porzellanrohrs durchgeführt. Die Rastermikroskopbilder der Proben sind in Abbildung 4 dargestellt.

Wie in Abbildung 4a dargestellt, zeigt die Probe aus dem normalen Abschnitt des Porzellanrohrs eine rauhe Oberfläche mit gerichteten Bruchstrukturen. Eine signifikante Anzahl von Poren ist gleichmäßig verteilt, was darauf hindeutet, dass das Porzellan des Rohrs porös und von relativ geringer Dichte ist.

Abbildung 4b zeigt, dass die Probe aus dem roten Bereich ebenfalls zahlreiche Poren aufweist. Im Vergleich zur normalen Abschnittsprobe sind diese Poren größer, weniger dicht gepackt und die Porzellantiefe ist relativ höher. Dies deutet auf eine ungleichmäßige Verfeuerung des Porzellanmaterials im Rohr hin.

Aus Abbildung 4c ist zu erkennen, dass die glatte Oberflächenprobe ebenfalls eine große Anzahl von Poren enthält, zusammen mit zahlreichen unregelmäßig verteilten Gruben auf ihrer Oberfläche. Trotzdem erscheint die gesamte Oberfläche relativ glatt und flach, was darauf hindeutet, dass die anomalen Merkmale dieses Abschnitts bereits vor dem Bruch bestanden.

Abbildung 4d zeigt, dass die Glasur auf der Entladungsverbrannten Oberfläche glatt, aber mit zahlreichen Blasen und Gruben übersät ist. Diese Merkmale sind auf das Freisetzen von Gasen während des Schmelzprozesses der Glasur zurückzuführen, der durch die hohen Temperaturen während des Entladungsvorgangs ausgelöst wird.

Durch die REM-Mikromorphologieanalyse kann geschlossen werden, dass das Porzellanrohr inhärente Defekte wie lockere Porzellanstruktur, niedrige Dichte und anomale Querschnitte aufweist.

Energiespektralanalyse

Wie oben beschrieben, wurde eine Energiespektralanalyse der Oberflächenelemente und ihrer Verteilungen an vier verschiedenen Stellen der Probe durchgeführt. Abbildung 5 zeigt ein detailliertes Beispiel für die Elementverteilung an der Oberfläche. Die Elemente an der Oberfläche der Proben aus dem normalen Abschnitt, der glatten Oberfläche und dem Entladungsteil des Porzellanrohrs bestehen hauptsächlich aus Sauerstoff (O), Silicium (Si) und Aluminium (Al).

Im Allgemeinen ist die Elementverteilung an der Oberfläche dieser Proben relativ gleichmäßig. Allerdings ist die Elementverteilung an der Oberfläche der Probe aus dem roten Bereich ungleichmäßig. Im unteren rechten Bereich dieser Probe nehmen die Gehalte an Sauerstoff (O), Aluminium (Al) und Kalium (K) signifikant zu, während die Verteilung der Silicium (Si)-Elemente relativ konstant bleibt. Dies deutet darauf hin, dass während des Verfeuerungsprozesses in diesem Bereich die Verteilung der O-, Al- und K-Elemente nicht homogen war.

Zudem wurde ein Vergleich der Hauptelementgehalte der vier Proben vorgenommen, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Der Sauerstoff (O)-Gehalt an der Oberfläche der normalen Abschnittsprobe ist deutlich höher als bei den anderen drei Proben, während der Silicium (Si)-Gehalt niedriger ist. Dies deutet darauf hin, dass die Materialzusammensetzung in verschiedenen Teilen der Porzellanrohrprobe ungleichmäßig variiert.

Die Proben aus dem roten Bereich haben einen relativ hohen Silicium (Si)-Gehalt und den niedrigsten Sauerstoff (O)-Gehalt. Zusätzlich wurde an der Oberfläche des inneren Entladungsteils des Porzellanrohrs eine signifikante Menge Kupfer (Cu) nachgewiesen. Dies ist auf das Schmelzen und Verdampfen des Bronzes im Inneren des Porzellanrohrs bei hohen Temperaturen während des Entladungsvorgangs zurückzuführen, gefolgt von Sputtern und Ablagerung an der inneren Oberfläche des Porzellanrohrs.

Rasterverteilung der Oberflächenelemente der Proben

Basierend auf der Energiespektralanalyse kann festgestellt werden, dass während des Verfeuerungsprozesses des Porzellanrohrs die Verteilung verschiedener Elemente sehr ungleichmäßig ist. Diese Ungleichmäßigkeit impliziert direkt, dass die Materialien in verschiedenen Abschnitten des Porzellanrohrs signifikante Unterschiede aufweisen.

Fazit und Empfehlungen

Fazit

Durch makroskopische Untersuchung, REM-Mikromorphologieanalyse und Energiespektralanalyse konnte festgestellt werden, dass das Porzellanrohr Merkmale wie relativ lose Struktur, interne Schichtung, ungleichmäßige Zusammensetzung und die Anwesenheit von Mikroporen aufweist. Zudem gibt es inhärente Defekte an der Innenoberfläche des Porzellanrohrs, einschließlich lokaler unglasierter Bereiche und mangelnder Herstellungsqualität.

Aufgrund dieser makroskopischen und mikroskopischen Defekte des Porzellanrohrs dringen während des langfristigen Freiluftbetriebs Feuchtigkeit und Gase allmählich in das Rohr ein. Diese Eindringung führt zu einer Verschlechterung der Isolationsleistung des Porzellanrohrs. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes findet eine elektrische Entladung zwischen dem internen Leiter und den schwachen Bereichen des Porzellanrohrs statt. Die Entladung erzeugt lokale hohe Temperaturen im Porzellanrohr und verschlechtert die Leistung des isolierenden Silikonfetts. Schließlich platzt das Porzellanrohr unter dem Druck des inneren Drucks.

Empfehlungen

• Porzellanrohrhersteller sollten die Qualitätskontrolle während des Brennvorgangs von Porzellanröhrchen verbessern, um eine konsistente und hochwertige Produktproduktion sicherzustellen.

• Während des Transports von Porzellanrohrprodukten müssen angemessene Schutzmaßnahmen implementiert werden. Dies ist entscheidend, um starke Vibrationen oder Kollisionen zu vermeiden, die potenziell das Porzellanrohr beschädigen könnten.

• Produktanwender sollten die Qualitätsstichprobenuntersuchung der Porzellanröhrchen eingehender Ausrüstung verstärken. Diese Praxis stellt sicher, dass die Qualität der gelagerten Ausrüstung den erforderlichen Standards entspricht.

• Es sollte sorgfältig auf den Betriebsstatus der Chargen achtet werden. Insbesondere für Ausrüstung mit bestehendem Silikonfett-Auslaufen oder Porzellanrohr-Rissen sollten sofortige Stromausfallwartungsarbeiten und Fehlerdetektion durchgeführt werden, um potenzielle Ausfälle zu vermeiden und den sicheren und zuverlässigen Betrieb des elektrischen Systems sicherzustellen.