Análisis de fallas del aislante de porcelana del interruptor de circuito de vacío al aire libre de 35kV
El interruptor de circuito al vacío ZW7 - 40.5 al aire libre utiliza el vacío como medio de extinción del arco. El extremo móvil de la cámara de extinción de arco está conectado al eje de salida del mecanismo de operación a través de un brazo de leva y una barra aislante. La estructura general del interruptor de circuito es de tipo pilar con aisladores de porcelana.
El aislador superior de porcelana sirve como aislador de porcelana de la cámara de extinción de arco, mientras que el inferior actúa como aislador de soporte de porcelana. Los tres aisladores de porcelana se instalan en un bastidor, y los transformadores de corriente trifásicos se montan dentro de los aisladores de soporte de porcelana inferiores y se conectan al circuito principal del interruptor de circuito (como se muestra en la Figura 1). Tanto los aisladores superiores como los inferiores están rellenos de grasa de silicona aislante al vacío con excelentes propiedades aislantes.
Los aisladores de porcelana de los interruptores de circuito de alta tensión suelen estar hechos de cerámica de alúmina de alta resistencia, que presenta buena estabilidad química, excelente rendimiento aislante y alta resistencia mecánica. El rendimiento de los aisladores de cerámica está directamente relacionado con la vida útil de todo el equipo. Las causas comunes de fallas en interruptores de circuito al aire libre incluyen fisuras en las bridas, deformación y fisuración de los aisladores de porcelana, expansión del cemento, envejecimiento, corrosión, etc. En una línea de transmisión de 110 kV, se han producido siete fallos de interruptores de circuito, de los cuales los fallos por fisuración de aisladores de porcelana representan el 41%.
Situación de la falla
En una subestación de 110 kV, el aislador de porcelana de la fase A de un interruptor de circuito de 35 kV estalló. Una parte del aislador de porcelana entre el tercer alero y la brida inferior se desprendió y salió volando, y la grasa aislante de silicona interna se filtró, forzando la parada del equipo. La inspección in situ del interruptor de circuito defectuoso revela que la causa directa de la falla es que el conductor de alta tensión dentro del aislador de soporte de porcelana del interruptor de circuito reaccionó con el aislador de porcelana, y el arco de alta temperatura generado por la descarga causó que el aislador de porcelana estallara y la grasa aislante de silicona interna fluyera.
Análisis de muestreo
Inspección macroscópica
Se obtuvieron dos muestras típicas mediante muestreo del aislador de porcelana con aleros, y los resultados de la inspección son los siguientes:
La figura 2 muestra la morfología macroscópica de la muestra 1 tomada in situ. Hay marcas de quemadura por arco de gran área en la pared interna del aislador de porcelana de la muestra. A lo largo de un tramo de aproximadamente 50.89 mm, la superficie de fractura del aislador de porcelana es en su mayoría gris, y hay depósitos de hollín en la superficie de algunas áreas. La morfología de la sección es significativamente diferente de otras partes. Las tres partes de la muestra 1 se inspeccionaron por separado, como se muestra en la figura 2b, 2c y 2d.
Como se puede ver en la figura 2b, la esmaltado en la pared interna de la muestra ha sido quemado y fundido, formando numerosos hoyos de diversos tamaños. Hay una superficie lisa en el borde de la cara, que es diferente de la marca de fusión del esmalte, lo que indica la ausencia de esmalte o material no uniforme. En la figura 2c, la zona roja en la base del alero tiene una superficie lisa, textura dura, numerosos pequeños orificios en la superficie, con la parte trasera y el fondo de color grisáceo.
El material rojo está distribuido de manera desigual, la superficie es irregular, hay un abultamiento local, y el borde tiene un límite negro claro con el cuerpo de porcelana, lo que sugiere que el material en esta área es anormal. La figura 2d es una imagen ampliada localmente de la zona normal de la sección del alero. Se puede observar en la figura que hay muchos pequeños orificios en la superficie de la muestra, y el orificio más grande tiene un diámetro de aproximadamente 0.1 mm.
La figura 3 muestra la apariencia macroscópica de la muestra 2#. En la pared interna de la muestra, hay signos de quemadura por arco local y una zona sin esmaltar, como se indica en las partes 1 y 2 de la figura 3a. Notablemente, el esmaltado en el sitio de quemadura por arco presenta numerosos poros, resultado de la fusión del esmaltado después de ser sometido a una quema de alta temperatura. En el sitio 2 de la pared interna, hay una depresión superficial de aproximadamente 17.92 mm de longitud y 2 mm de profundidad. El color de esta área coincide con el del cuerpo de porcelana, siendo grisáceo, lo que sugiere que la superficie carece de esmaltado, representando un defecto de proceso original.
La figura 3b muestra la morfología macroscópica lateral de la muestra 2#. Es evidente a partir de la figura que una sección lateral de la muestra tiene una superficie redonda y lisa, en contraste con la superficie de fractura normal rugosa. Esto indica que el cuerpo de porcelana en esta parte es discontinuo, otro defecto de proceso original.
A partir de los resultados de la inspección macroscópica de las muestras, se puede concluir que el aislador de porcelana defectuoso presenta varios defectos de proceso originales, incluyendo material desigual, cuerpo de porcelana discontinuo, superficie sin esmaltar y un gran número de pequeños orificios.
Análisis microscópico por Microscopía Electrónica de Barrido (SEM)
Se realizó un análisis SEM en muestras de la sección normal, la zona de color rojo, la región de superficie lisa y la superficie de descarga interna del aislador de porcelana. Las imágenes microscópicas de barrido de las muestras se presentan en la figura 4.
Como se ilustra en la figura 4a, la muestra de la sección normal del aislador de porcelana muestra una superficie rugosa con texturas de fractura direccional. Un número significativo de poros están distribuidos de manera uniforme, lo que sugiere que la porcelana del aislador es porosa y tiene una densidad relativamente baja.
La figura 4b revela que la muestra de la zona de color rojo también presenta numerosos poros. En comparación con la muestra de la sección normal, estos poros son de mayor tamaño, menos densamente empaquetados y la densidad de la porcelana es relativamente más alta. Esto indica una cocción no uniforme del material de porcelana dentro del aislador.
A partir de la figura 4c, se puede observar que la muestra de superficie lisa también contiene un gran número de poros, junto con numerosos hoyos irregulares dispersos en su superficie. A pesar de esto, la superficie general parece relativamente lisa y plana, lo que implica que las características anormales de esta sección existían antes de la fractura.
La figura 4d muestra que el esmaltado en la superficie cauterizada por descarga es liso pero salpicado de numerosas burbujas y hoyos. Estas características se atribuyen a la liberación de gases durante el proceso de fusión del esmaltado, desencadenado por las altas temperaturas generadas durante el evento de descarga.
Análisis microscópico por Microscopía Electrónica de Barrido (SEM)
Se realizó un análisis SEM en muestras de la sección normal, la zona de color rojo, la región de superficie lisa y la superficie de descarga interna del aislador de porcelana. Las imágenes microscópicas de barrido de las muestras se presentan en la figura 4.
Como se ilustra en la figura 4a, la muestra de la sección normal del aislador de porcelana muestra una superficie rugosa con texturas de fractura direccional. Un número significativo de poros están distribuidos de manera uniforme, lo que sugiere que la porcelana del aislador es porosa y tiene una densidad relativamente baja.
La figura 4b revela que la muestra de la zona de color rojo también presenta numerosos poros. En comparación con la muestra de la sección normal, estos poros son de mayor tamaño, menos densamente empaquetados y la densidad de la porcelana es relativamente más alta. Esto indica una cocción no uniforme del material de porcelana dentro del aislador.
A partir de la figura 4c, se puede observar que la muestra de superficie lisa también contiene un gran número de poros, junto con numerosos hoyos irregulares dispersos en su superficie. A pesar de esto, la superficie general parece relativamente lisa y plana, lo que implica que las características anormales de esta sección existían antes de la fractura.
La figura 4d muestra que el esmaltado en la superficie cauterizada por descarga es liso pero salpicado de numerosas burbujas y hoyos. Estas características se atribuyen a la liberación de gases durante el proceso de fusión del esmaltado, desencadenado por las altas temperaturas generadas durante el evento de descarga.
A través del análisis de micromorfología por SEM, se puede concluir que el aislador de porcelana tiene defectos inherentes como estructura de porcelana floja, baja densidad y secciones anormales.
Análisis de espectro de energía
Como se describió anteriormente, se realizó un análisis de espectro de energía sobre los elementos de superficie y sus distribuciones en cuatro ubicaciones diferentes de la muestra. La figura 5 ilustra un ejemplo detallado del diagrama de distribución de elementos de superficie. Los elementos en la superficie de las muestras de la sección normal, superficie lisa y parte de descarga del aislador de porcelana están compuestos principalmente de oxígeno (O), silicio (Si) y aluminio (Al).
En general, la distribución de elementos en la superficie de estas muestras es relativamente uniforme. Sin embargo, la distribución de elementos en la superficie de la muestra de la zona de color rojo es desigual. En la región inferior derecha de esta muestra, los contenidos de oxígeno (O), aluminio (Al) y potasio (K) aumentan significativamente, mientras que la distribución de elementos de silicio (Si) permanece relativamente constante. Esto indica que durante el proceso de cocción de esta región, la distribución de los elementos O, Al y K no fue homogénea.
Asimismo, se realizó una comparación de los contenidos principales de elementos de las cuatro muestras, y los resultados se presentan en la tabla 1. El contenido del elemento oxígeno (O) en la superficie de la muestra de la sección normal es notablemente mayor que el de las otras tres muestras, mientras que el contenido del elemento silicio (Si) es menor. Esto sugiere que la composición del material varía de manera desigual en diferentes partes de la muestra del aislador de porcelana.
Las muestras de la zona roja tienen un contenido de silicio (Si) relativamente alto y el contenido de oxígeno (O) más bajo. Además, se detecta una cantidad significativa de cobre (Cu) en la superficie de la parte de descarga interna del aislador de porcelana. Esto se debe a la fusión y evaporación del bronce dentro del aislador de porcelana a altas temperaturas durante el proceso de descarga, seguido de la proyección y deposición en la superficie interna del aislador de porcelana.
Distribución escaneada de elementos de superficie de las muestras
Basado en el análisis de espectro de energía, se puede concluir firmemente que durante el proceso de cocción del aislador de porcelana, la distribución de diversos elementos es altamente no uniforme. Esta no uniformidad implica directamente que los materiales de diferentes secciones dentro del aislador de porcelana exhiben disparidades significativas.
Conclusión y sugerencias
Conclusión
A través de la inspección macroscópica, el análisis microscópico por SEM y el análisis de espectro de energía, se ha determinado que el aislador de porcelana presenta características como estructura relativamente floja, estratificación interna, composición desigual y presencia de microporos. Además, hay defectos inherentes en la superficie interna del aislador de porcelana, incluyendo zonas locales sin esmaltar y calidad de proceso de fabricación deficiente.
Debido a estos defectos macroscópicos y microscópicos en el aislador de porcelana, durante su operación a largo plazo al aire libre, la humedad y los gases externos penetran gradualmente en el aislador. Esta infiltración lleva a una degradación del rendimiento aislante del aislador de porcelana. Bajo la influencia del campo eléctrico, se produce una descarga eléctrica entre el conductor interno y las zonas débiles del aislador de porcelana. La descarga genera temperaturas locales altas dentro del aislador de porcelana y deteriora el rendimiento de la grasa aislante de silicona. Finalmente, bajo la acción de la presión interna, el aislador de porcelana estalla.
Sugerencias
Los fabricantes de aisladores de porcelana deben mejorar el control de calidad durante el proceso de cocción de los aisladores de porcelana para garantizar una producción consistente y de alta calidad.
Se deben implementar medidas de protección adecuadas durante el transporte de los productos de aisladores de porcelana. Esto es crucial para prevenir vibraciones severas o colisiones que podrían dañar los aisladores de porcelana.
Se recomienda a los usuarios de los productos que refuercen la inspección de muestreo de calidad de los aisladores de porcelana del equipo entrante. Esta práctica asegura que la calidad del equipo almacenado cumpla con los estándares requeridos.
Se debe prestar atención cercana al estado operativo del lote de equipos. En particular, para los equipos con fuga de grasa de silicona o fisuras en los aisladores de porcelana, se deben realizar mantenimientos de apagado y detección de defectos de manera oportuna para evitar posibles fallos y garantizar la operación segura y confiable del sistema eléctrico.
