تحلیل خطا از شکن خلاء بیرونی ۳۵ کیلوولت ستون سفالی
ZW7 - 40.5 برونی کهربایی مداربازکن از خلاء به عنوان ماده خاموش‌کننده قوس استفاده می‌کند. سر متحرک دستگاه خاموش‌کننده قوس از طریق یک بازوی کurb و یک پیوند عایق‌شده به محور خروجی مکانیسم عملیاتی متصل می‌شود. ساختار کلی مداربازکن از نوع ستونی با پوشش سرامیکی است.
پوشش سرامیکی بالایی به عنوان پوشش سرامیکی دستگاه خاموش‌کننده قوس عمل می‌کند و پوشش سرامیکی پایینی به عنوان پشتیبان عمل می‌کند. سه فاز پوشش سرامیکی روی یک قاب نصب شده‌اند و ترانسفورماتورهای جریان سه‌فاز در داخل پوشش سرامیکی پشتیبان نصب شده و به مدار اصلی مداربازکن متصل شده‌اند (مانند شکل 1). هر دو پوشش سرامیکی بالا و پایین با چسب عایق‌سازی سیلیکونی با خواص عایق‌سازی عالی پر شده‌اند.
پوشش‌های سرامیکی مداربازکن‌های فشار بالا معمولاً از سرامیک آلومینای مقاوم ساخته شده‌اند که دارای پایداری شیمیایی خوب، عملکرد عایق‌سازی عالی و مقاومت مکانیکی بالا هستند. عملکرد پوشش‌های سرامیکی مستقیماً با عمر مفید تجهیزات مرتبط است. علل رایج خرابی مداربازکن‌های برونی شامل ترک شدن فلانژ، تغییر شکل و ترک پوشش سرامیکی، انبساط سیمان، پیری و زنگ زدن است. در یک خط انتقال 110kV خاص، هفت خرابی مداربازکن رخ داده است که 41٪ آنها به دلیل ترک پوشش سرامیکی بوده است.
وضعیت خرابی
در یک زیرстанسیون 110kV، پوشش سرامیکی فاز A یک مداربازکن 35kV پاره شد. بخشی از پوشش سرامیکی بین سومین پناه و فلانژ پایین جدا شد و پرت شد و چسب عایق‌سازی سیلیکونی داخلی لیز خورد که موجب توقف تجهیز شد. بررسی محلی مداربازکن خراب نشان می‌دهد که علت مستقیم خرابی واکنش رسانای فشار بالا در داخل پوشش سرامیکی پشتیبان مداربازکن با پوشش سرامیکی بود و قوس داغ تولید شده توسط تخلیه باعث پارگی پوشش سرامیکی و لیز خوردن چسب عایق‌سازی سیلیکونی داخلی شد.
تحلیل نمونه‌برداری
بررسی ماکروسکوپی
دو نمونه نمونه‌برداری شده از پوشش سرامیکی پناه به دست آمد و نتایج بررسی به شرح زیر است:
شکل 2 حالت ماکروسکوپی نمونه 1 را که در محل گرفته شده نشان می‌دهد. روی دیواره داخلی پوشش سرامیکی نمونه نشانه‌های سوزنده قوس در محدوده حدود 50.89 میلی‌متر وجود دارد. سطح شکستگی پوشش سرامیکی بیشتر خاکستری است و در برخی نقاط رسوبات خاکستری وجود دارد. حالت شکستگی به طور قابل توجهی با سایر بخش‌ها متفاوت است. سه بخش نمونه 1 به تنهایی بررسی شدند که در شکل 2b، 2c و 2d نشان داده شده است.
همانطور که از شکل 2b مشخص است، گلیز داخلی نمونه سوزنده و ذوب شده و چندین غار با اندازه‌های مختلف تشکیل شده است. سطح صافی در لبه سطح انتهایی وجود دارد که متفاوت از نشانه ذوب گلیز است و نشان‌دهنده عدم وجود گلیز یا عدم یکنواختی مواد است. در شکل 2c، منطقه قرمز در ریشه پناه سطح صافی دارد، با بافت سخت و چندین سوراخ کوچک روی سطح، با پشت و پایین خاکستری.
مواد قرمز به طور نامساوی توزیع شده، سطح نامساوی است، تورم محلی وجود دارد و لبه آن با مرز سیاه واضح با بدنه سرامیکی متفاوت است که نشان‌دهنده عدم طبیعی بودن مواد در این منطقه است. شکل 2d تصویر بزرگ‌نمایی محلی از بخش عادی پناه است. از شکل مشخص است که روی سطح نمونه چندین سوراخ کوچک وجود دارد و بزرگترین سوراخ قطر حدود 0.1 میلی‌متر دارد.
شکل 3 حالت ماکروسکوپی نمونه 2# را نشان می‌دهد. روی دیواره داخلی نمونه نشانه‌های سوزنده قوس محلی و منطقه بدون گلیز وجود دارد که در بخش‌های 1 و 2 شکل 3a مشخص شده است. به وضوح، گلیز در محل سوزنده قوس دارای چندین غار است که نتیجه ذوب گلیز بعد از سوزنده شدن با دمای بالا است. در محل 2 روی دیواره داخلی، یک فرورفتگی سطحی با طول حدود 17.92 میلی‌متر و عمق 2 میلی‌متر وجود دارد. رنگ این منطقه با رنگ بدنه سرامیکی مطابقت دارد که خاکستری است، که نشان‌دهنده عدم وجود گلیز است و نقص فرآیند اصلی را نشان می‌دهد.
شکل 3b حالت ماکروسکوپی جانبی نمونه 2# را نشان می‌دهد. از شکل مشخص است که بخشی از سطح جانبی نمونه دارای سطح دایره‌ای و صاف است که با سطح شکستگی عادی خشن متفاوت است. این نشان‌دهنده عدم پیوستگی بدنه سرامیکی در این بخش است، نقص دیگری از فرآیند اصلی.
از نتایج بررسی ماکروسکوپی نمونه‌ها می‌توان نتیجه گرفت که پوشش سرامیکی خراب دارای چندین نقص فرآیند اصلی است، از جمله عدم یکنواختی مواد، عدم پیوستگی بدنه سرامیکی، سطح بدون گلیز و تعداد زیادی سوراخ کوچک.
تحلیل میکروسکوپ الکترونی (SEM) حالت میکروسکوپی
تحلیل SEM بر روی نمونه‌های از بخش عادی، منطقه قرمز، منطقه سطح صاف و سطح تخلیه داخلی پوشش سرامیکی انجام شد. تصاویر میکروسکوپی نمونه‌ها در شکل 4 نشان داده شده است.
همانطور که در شکل 4a نشان داده شده است، نمونه از بخش عادی پوشش سرامیکی دارای سطح خشن با الگوهای شکستگی جهت‌دار است. تعداد قابل توجهی غار به طور یکنواخت در آن توزیع شده که نشان‌دهنده آن است که پوشش سرامیکی دارای ساختار پُر سوراخ و چگالی نسبتاً کم است.
شکل 4b نشان می‌دهد که نمونه از منطقه قرمز نیز دارای تعداد زیادی غار است. در مقایسه با نمونه بخش عادی، این غارها در اندازه بزرگتر، کمتر چگال و چگالی پوشش سرامیکی نسبتاً بالاتر است. این نشان‌دهنده سینتر نامتجانس مواد سرامیکی در داخل پوشش است.
از شکل 4c می‌توان دید که نمونه سطح صاف نیز دارای تعداد زیادی غار و تعداد زیادی غار نامتعادل روی سطح آن است. با این حال، سطح کلی به طور نسبتاً صاف و مسطح ظاهر می‌شود که نشان‌دهنده این است که ویژگی‌های ناهماهنگ این بخش قبل از شکستگی وجود داشته است.
شکل 4d نشان می‌دهد که گلیز روی سطح تخلیه‌ی حرارتی صاف است اما با تعداد زیادی حباب و غار پر شده است. این ویژگی‌ها به دلیل آزاد شدن گازها در فرآیند ذوب گلیز که توسط دماهای بالا در طول حوادث تخلیه ایجاد می‌شود.
تحلیل میکروسکوپ الکترونی (SEM) حالت میکروسکوپی
تحلیل SEM بر روی نمونه‌های از بخش عادی، منطقه قرمز، منطقه سطح صاف و سطح تخلیه داخلی پوشش سرامیکی انجام شد. تصاویر میکروسکوپی نمونه‌ها در شکل 4 نشان داده شده است.
همانطور که در شکل 4a نشان داده شده است، نمونه از بخش عادی پوشش سرامیکی دارای سطح خشن با الگوهای شکستگی جهت‌دار است. تعداد قابل توجهی غار به طور یکنواخت در آن توزیع شده که نشان‌دهنده آن است که پوشش سرامیکی دارای ساختار پُر سوراخ و چگالی نسبتاً کم است.
شکل 4b نشان می‌دهد که نمونه از منطقه قرمز نیز دارای تعداد زیادی غار است. در مقایسه با نمونه بخش عادی، این غارها در اندازه بزرگتر، کمتر چگال و چگالی پوشش سرامیکی نسبتاً بالاتر است. این نشان‌دهنده سینتر نامتجانس مواد سرامیکی در داخل پوشش است.
از شکل 4c می‌توان دید که نمونه سطح صاف نیز دارای تعداد زیادی غار و تعداد زیادی غار نامتعادل روی سطح آن است. با این حال، سطح کلی به طور نسبتاً صاف و مسطح ظاهر می‌شود که نشان‌دهنده این است که ویژگی‌های ناهماهنگ این بخش قبل از شکستگی وجود داشته است.
شکل 4d نشان می‌دهد که گلیز روی سطح تخلیه‌ی حرارتی صاف است اما با تعداد زیادی حباب و غار پر شده است. این ویژگی‌ها به دلیل آزاد شدن گازها در فرآیند ذوب گلیز که توسط دماهای بالا در طول حوادث تخلیه ایجاد می‌شود.
از طریق تحلیل میکروسکوپی SEM می‌توان نتیجه گرفت که پوشش سرامیکی دارای نقص‌های ذاتی مانند ساختار پُر سوراخ، چگالی کم و بخش‌های غیرعادی است.
تحلیل طیف انرژی
همانطور که در بالا توصیف شد، تحلیل طیف انرژی بر روی عناصر سطحی و توزیع آنها در چهار مکان مختلف نمونه انجام شد. شکل 5 نمونه‌ای دقیق از نمودار توزیع عناصر سطحی را نشان می‌دهد. عناصر روی سطح نمونه‌های از بخش عادی، سطح صاف و بخش تخلیه پوشش سرامیکی عمدتاً شامل اکسیژن (O)، سیلیسیم (Si) و آلومینیوم (Al) هستند.
کلیاً، توزیع عناصر روی سطح این نمونه‌ها نسبتاً یکنواخت است. اما توزیع عناصر روی سطح نمونه از منطقه قرمز نامتعادل است. در منطقه پایین-راست این نمونه، مقدار اکسیژن (O)، آلومینیوم (Al) و پتاسیم (K) به طور قابل توجهی افزایش یافته است، در حالی که توزیع عناصر سیلیسیم (Si) نسبتاً ثابت است. این نشان‌دهنده آن است که در طول فرآیند سینتر این منطقه، توزیع عناصر O، Al و K یکنواخت نبوده است.
در ضمن، مقایسه‌ای از محتوای عناصر اصلی چهار نمونه انجام شد و نتایج در جدول 1 آمده است. محتوای عنصر اکسیژن (O) روی سطح نمونه بخش عادی به طور قابل توجهی بیشتر از سایر سه نمونه است، در حالی که محتوای عنصر سیلیسیم (Si) کمتر است. این نشان‌دهنده آن است که ترکیب مواد در بخش‌های مختلف نمونه پوشش سرامیکی به طور نامتعادل متفاوت است.
نمونه‌های از منطقه قرمز دارای محتوای سیلیسیم (Si) نسبتاً بالا و کمترین محتوای اکسیژن (O) هستند. علاوه بر این، مقدار قابل توجهی مس (Cu) روی سطح بخش داخلی تخلیه پوشش سرامیکی شناسایی شده است. این به دلیل ذوب و تبخیر برنز داخل پوشش سرامیکی در دماهای بالا در طول فرآیند تخلیه، و سپس پاشش و رسوب روی سطح داخلی پوشش سرامیکی است.
توزیع سطحی عناصر نمونه‌ها
با توجه به تحلیل طیف انرژی، می‌توان با اطمینان نتیجه گرفت که در طول فرآیند سینتر پوشش سرامیکی، توزیع عناصر مختلف به طور قابل توجهی نامتعادل است. این نامتعادلی مستقیماً نشان‌دهنده آن است که مواد بخش‌های مختلف در داخل پوشش سرامیکی اختلاف قابل توجهی دارند.
نتیجه‌گیری و پیشنهادات
نتیجه‌گیری
با توجه به بررسی ماکروسکوپی، تحلیل میکروسکوپی SEM و تحلیل طیف انرژی، مشخص شده است که پوشش سرامیکی دارای ویژگی‌هایی مانند ساختار نسبتاً پُر سوراخ، لایه‌بندی داخلی، ترکیب نامتعادل و وجود سوراخ‌های کوچک است. علاوه بر این، نقص‌های ذاتی در سطح داخلی پوشش سرامیکی وجود دارد که شامل مناطق محلی بدون گلیز و کیفیت فرآیند ساخت ضعیف است.
به دلیل این نقص‌های ماکروسکوپی و میکروسکوپی در پوشش سرامیکی، در طول عملیات بلندمدت آن در محیط برونی، رطوبت و گازهای خارجی به تدریج وارد پوشش می‌شوند. این نفوذ منجر به کاهش عملکرد عایق‌سازی پوشش سرامیکی می‌شود. تحت تأثیر میدان الکتریکی، تخلیه الکتریکی بین رسانای داخلی و نقاط ضعیف پوشش سرامیکی رخ می‌دهد. تخلیه دماهای محلی بالا در داخل پوشش سرامیکی ایجاد می‌کند و عملکرد چسب عایق‌سازی سیلیکونی را تضعیف می‌کند. در نهایت، تحت تأثیر فشار داخلی، پوشش سرامیکی پاره می‌شود.
پیشنهادات
تولیدکنندگان پوشش سرامیکی باید کنترل کیفیت در طول فرآیند سینتر پوشش سرامیکی را افزایش دهند تا تضمین کنند که محصولات خروجی به طور مداوم و با کیفیت بالا تولید شوند.
در طول حمل و نقل محصولات پوشش سرامیکی، باید اقدامات محافظتی مناسب انجام شود. این موضوع برای جلوگیری از ارتعاشات شدید یا برخورد که ممکن است به پوشش سرامیکی آسیب برساند، بسیار مهم است.
کاربران محصول توصیه می‌شود که نمونه‌برداری و بازرسی کیفیت پوشش‌های سرامیکی تجهیزات ورودی را تقویت کنند. این عملیات اطمینان می‌دهد که کیفیت تجهیزات انبارشده با استانداردهای مورد نیاز مطابقت دارد.
باید به وضعیت عملیاتی دسته‌ای از تجهیزات توجه ویژه شود. به ویژه برای تجهیزاتی که دارای لیز خوردن چسب عایق‌سازی سیلیکونی یا ترک پوشش سرامیکی هستند، باید به سرعت بازرسی و نگهداری در حالت توقف برق انجام شود تا از خرابی‌های بالقوه جلوگیری شود و عملکرد ایمن و قابل اعتماد سیستم الکتریکی تضمین شود.
