Analyse des défauts du poteau de disjoncteur à vide de 35 kV pour l'extérieur avec manchon en porcelaine

Le disjoncteur ZW7 - 40.5 extérieur à vide utilise le vide comme milieu d'extinction d'arc. L'extrémité mobile de la chambre d'extinction d'arc est connectée à l'arbre de sortie du mécanisme de commande par un bras oscillant et une tige d'isolement. La structure globale du disjoncteur est de type poteau en porcelaine.

La porcelaine supérieure sert de porcelaine pour la chambre d'extinction d'arc, tandis que la porcelaine inférieure agit comme support. Les trois porcelaines des phases sont installées sur un cadre, et les transformateurs de courant triphasés sont montés à l'intérieur des porcelaines de support inférieures et connectés au circuit principal du disjoncteur (comme indiqué à la Figure 1). Les porcelaines supérieure et inférieure sont remplies de graisse de silicone isolante sous vide avec d'excellentes propriétés isolantes.

Les porcelaines des disjoncteurs haute tension sont généralement fabriquées en céramique d'alumine de haute résistance, qui présente une bonne stabilité chimique, d'excellentes performances d'isolation et une forte résistance mécanique. Les performances des porcelaines en céramique sont directement liées à la durée de vie de l'équipement entier. Les causes courantes de défaillance des disjoncteurs extérieurs comprennent la fissuration des brides, la déformation et la fissuration des porcelaines, l'expansion du ciment, le vieillissement, la rouille, etc. Sur une certaine ligne de transport de 110kV, sept défaillances de disjoncteur se sont produites, dont 41% étaient dues à des fissurations des porcelaines.

Situation de la panne

Dans une sous-station de 110kV, la manchette en porcelaine de phase A d'un disjoncteur de 35kV a éclaté. Une partie de la manchette en porcelaine entre la troisième barrière et la bride inférieure s'est détachée et a volé, et la graisse de silicone isolante interne a fui, forçant l'équipement à s'arrêter. L'inspection sur site du disjoncteur défectueux révèle que la cause directe de la panne est que le conducteur haute tension à l'intérieur de la manchette de support du disjoncteur a réagi avec la manchette, et l'arc à haute température généré par la décharge a causé l'éclatement de la manchette en porcelaine et la fuite de la graisse de silicone isolante interne.

Analyse d'échantillonnage

Inspection macroscopique

Deux échantillons typiques ont été obtenus par prélèvement sur la manchette en porcelaine, et les résultats de l'inspection sont les suivants :

La Figure 2 montre la morphologie macroscopique de l'échantillon 1 prélevé sur site. Il y a des traces de brûlure d'arc sur une grande surface de la paroi intérieure de la manchette en porcelaine de l'échantillon. Sur une section d'environ 50,89 mm de longueur, la surface de fracture de la manchette en porcelaine est principalement grise, et il y a des dépôts de suie sur la surface de certaines zones. La morphologie de la section est significativement différente des autres parties. Les trois parties de l'échantillon 1 ont été inspectées séparément, comme indiqué aux Figures 2b, 2c et 2d.

Comme on peut le voir à la Figure 2b, l'émail sur la paroi intérieure de l'échantillon a été brûlé et fondu, formant de nombreuses cavités de tailles variées. Il y a une surface lisse au bord de la face, qui est différente de la marque de fusion de l'émail, indiquant l'absence d'émail ou une matière inégale. À la Figure 2c, la zone rouge à la base de la barrière a une surface lisse, une texture dure, de nombreux petits trous sur la surface, avec le dos et le fond étant gris clair.

Le matériau rouge est distribué de manière inégale, la surface est inégale, il y a une bosse locale, et le bord a une limite noire évidente avec le corps en porcelaine, suggérant que le matériau dans cette zone est anormal. La Figure 2d est une image agrandie localement de la zone normale de la section de la barrière. On peut voir sur la figure qu'il y a de nombreux petits trous sur la surface de l'échantillon, et le plus grand trou a un diamètre d'environ 0,1 mm.

La Figure 3 représente l'apparence macroscopique de l'échantillon 2#. Sur la paroi intérieure de l'échantillon, il y a des signes de brûlure d'arc localisée et une zone non émaillée, comme indiqué aux parties 1 et 2 de la Figure 3a. Notamment, l'émail à l'emplacement de la brûlure d'arc présente de nombreux pores, résultant de la fusion de l'émail après avoir été soumis à une brûlure à haute température. Au point 2 de la paroi intérieure, il y a une dépression de surface d'environ 17,92 mm de long et 2 mm de profondeur. La couleur de cette zone correspond à celle du corps en porcelaine, étant gris clair, ce qui suggère que la surface n'est pas émaillée, représentant un défaut de processus original.

La Figure 3b montre la morphologie macroscopique latérale de l'échantillon 2#. Il est évident sur la figure qu'une section du côté de l'échantillon a une surface ronde et lisse, contrastant avec la surface de fracture normale rugueuse. Cela indique que le corps en porcelaine dans cette partie est discontinu, un autre défaut de processus original.

D'après les résultats de l'inspection macroscopique des échantillons, on peut conclure que la manchette en porcelaine défectueuse présente plusieurs défauts de processus originaux, y compris une matière inégale, un corps en porcelaine discontinu, une surface non émaillée et un grand nombre de petits trous.

Analyse microscopique par microscopie électronique à balayage (MEB)

Une analyse MEB a été réalisée sur des échantillons provenant de la section normale, de la zone rouge, de la zone à surface lisse et de la surface de décharge interne de la manchette en porcelaine. Les images microscopiques de balayage des échantillons sont présentées à la Figure 4.

Comme le montre la Figure 4a, l'échantillon provenant de la section normale de la manchette en porcelaine présente une surface rugueuse avec des textures de fracture directionnelles. Un grand nombre de pores sont répartis uniformément, suggérant que la porcelaine de la manchette est poreuse et a une densité relativement faible.

La Figure 4b révèle que l'échantillon provenant de la zone rouge présente également de nombreux pores. Comparé à l'échantillon de la section normale, ces pores sont plus grands, moins denses, et la densité de la porcelaine est relativement plus élevée. Cela indique une cuisson non uniforme du matériau de la porcelaine à l'intérieur de la manchette.

D'après la Figure 4c, on peut observer que l'échantillon à surface lisse contient également un grand nombre de pores, ainsi que de nombreuses cavités inégales réparties sur sa surface. Malgré cela, la surface globale apparaît relativement lisse et plane, ce qui implique que les caractéristiques anormales de cette section existaient avant la fracture.

La Figure 4d montre que l'émail sur la surface de décharge cautérisée est lisse mais parsemé de nombreux bulles et trous. Ces caractéristiques sont attribuées à la libération de gaz lors du processus de fusion de l'émail, déclenché par les hautes températures générées lors de l'événement de décharge.

Analyse microscopique par microscopie électronique à balayage (MEB)

Une analyse MEB a été réalisée sur des échantillons provenant de la section normale, de la zone rouge, de la zone à surface lisse et de la surface de décharge interne de la manchette en porcelaine. Les images microscopiques de balayage des échantillons sont présentées à la Figure 4.

Comme le montre la Figure 4a, l'échantillon provenant de la section normale de la manchette en porcelaine présente une surface rugueuse avec des textures de fracture directionnelles. Un grand nombre de pores sont répartis uniformément, suggérant que la porcelaine de la manchette est poreuse et a une densité relativement faible.

La Figure 4b révèle que l'échantillon provenant de la zone rouge présente également de nombreux pores. Comparé à l'échantillon de la section normale, ces pores sont plus grands, moins denses, et la densité de la porcelaine est relativement plus élevée. Cela indique une cuisson non uniforme du matériau de la porcelaine à l'intérieur de la manchette.

D'après la Figure 4c, on peut observer que l'échantillon à surface lisse contient également un grand nombre de pores, ainsi que de nombreuses cavités inégales réparties sur sa surface. Malgré cela, la surface globale apparaît relativement lisse et plane, ce qui implique que les caractéristiques anormales de cette section existaient avant la fracture.

La Figure 4d montre que l'émail sur la surface de décharge cautérisée est lisse mais parsemé de nombreux bulles et trous. Ces caractéristiques sont attribuées à la libération de gaz lors du processus de fusion de l'émail, déclenché par les hautes températures générées lors de l'événement de décharge.

Par l'analyse microscopique MEB, on peut conclure que la manchette en porcelaine présente des défauts inhérents tels qu'une structure de porcelaine lâche, une densité faible et des sections anormales.

Analyse spectrométrique d'énergie

Comme décrit ci-dessus, une analyse spectrométrique d'énergie a été réalisée sur les éléments de surface et leur distribution à quatre endroits différents de l'échantillon. La Figure 5 illustre un exemple détaillé du diagramme de distribution des éléments de surface. Les éléments sur la surface des échantillons provenant de la section normale, de la surface lisse et de la partie de décharge de la manchette en porcelaine sont principalement constitués d'oxygène (O), de silicium (Si) et d'aluminium (Al).

En général, la distribution des éléments sur la surface de ces échantillons est relativement uniforme. Cependant, la distribution des éléments sur la surface de l'échantillon provenant de la zone rouge est inégale. Dans la région inférieure droite de cet échantillon, les teneurs en oxygène (O), aluminium (Al) et potassium (K) augmentent considérablement, tandis que la distribution des éléments de silicium (Si) reste relativement constante. Cela indique que, pendant le processus de cuisson de cette région, la distribution des éléments O, Al et K n'était pas homogène.

Par ailleurs, une comparaison a été faite des teneurs principales en éléments des quatre échantillons, et les résultats sont présentés dans le Tableau 1. La teneur en élément d'oxygène (O) sur la surface de l'échantillon de la section normale est notablement plus élevée que celle des trois autres échantillons, tandis que la teneur en élément de silicium (Si) est plus faible. Cela suggère que la composition du matériau varie de manière inégale dans différentes parties de l'échantillon de la manchette en porcelaine.

Les échantillons provenant de la zone rouge ont une teneur en silicium (Si) relativement élevée et la teneur en oxygène (O) la plus faible. De plus, une quantité significative de cuivre (Cu) a été détectée sur la surface de la partie de décharge interne de la manchette en porcelaine. Cela est dû à la fusion et à l'évaporation du bronze à l'intérieur de la manchette en porcelaine à haute température lors du processus de décharge, suivie de pulvérisation et de dépôt sur la surface interne de la manchette en porcelaine.

Distribution de balayage des éléments de surface des échantillons

Sur la base de l'analyse spectrométrique d'énergie, on peut conclure fermement que, pendant le processus de cuisson de la manchette en porcelaine, la distribution de divers éléments est très inégale. Cette inégalité indique directement que les matériaux de différentes sections à l'intérieur de la manchette en porcelaine présentent des disparités significatives.

Conclusion et suggestions

Conclusion

Grâce à l'inspection macroscopique, l'analyse microscopique MEB et l'analyse spectrométrique d'énergie, il a été déterminé que la manchette en porcelaine présente des caractéristiques telles qu'une structure relativement lâche, une stratification interne, une composition inégale et la présence de micropores. De plus, il existe des défauts inhérents sur la surface interne de la manchette en porcelaine, y compris des zones locales non émaillées et une qualité de fabrication médiocre.

En raison de ces défauts macroscopiques et microscopiques de la manchette en porcelaine, au cours de son fonctionnement extérieur à long terme, l'humidité et les gaz externes pénètrent progressivement dans la manchette. Cette infiltration conduit à une dégradation des performances d'isolation de la manchette en porcelaine. Sous l'influence du champ électrique, une décharge électrique se produit entre le conducteur interne et les zones faibles de la manchette en porcelaine. La décharge génère des températures locales élevées à l'intérieur de la manchette en porcelaine et détériore les performances de la graisse de silicone isolante. Finalement, sous l'action de la pression interne, la manchette en porcelaine éclate.

Suggestions

• Les fabricants de manchettes en porcelaine devraient renforcer le contrôle de qualité pendant le processus de cuisson des manchettes en porcelaine pour garantir une production cohérente et de haute qualité.

• Des mesures de protection appropriées doivent être mises en œuvre pendant le transport des produits de manchette en porcelaine. Ceci est crucial pour prévenir les vibrations sévères ou les collisions qui pourraient potentiellement endommager les manchettes en porcelaine.

• Il est conseillé aux utilisateurs de produits de renforcer l'inspection d'échantillonnage de la qualité des manchettes en porcelaine des équipements entrants. Cette pratique garantit que la qualité des équipements stockés répond aux normes requises.

• Il convient de porter une attention particulière à l'état opérationnel du lot d'équipements. En particulier, pour les équipements présentant des fuites de graisse de silicone ou des fissures de manchette en porcelaine, une maintenance de coupure de courant et une détection de défauts doivent être effectuées rapidement afin d'éviter les pannes potentielles et d'assurer le fonctionnement sûr et fiable du système électrique.