Análise de fallos do interruptor de vauco de 35kV para exterior IEE-Business con cubilete de porcelana
O interruptor de corrente de vácuo ZW7 - 40.5 para exterior usa o vácuo como meio de extinção do arco. A extremidade móvel da câmara de extinção do arco está conectada ao eixo de saída do mecanismo de operação através de um braço de manivela e uma haste de ligação isolante. A estrutura geral do interruptor é do tipo pilar de isolação de porcelana.
A isolação superior de porcelana serve como isolação da câmara de extinção do arco, e a inferior actua como isolação de suporte. As três isolações de porcelana estão instaladas num quadro, e as três transformadoras de corrente de fase são montadas no interior das isolações de suporte inferiores e conectadas ao circuito principal do interruptor (como mostrado na Figura 1). Tanto as isolações superiores como as inferiores estão preenchidas com silicone isolante de vácuo com excelentes propriedades isolantes.
As isolações de porcelana dos interruptores de alta tensão são geralmente feitas de cerâmica de alumina de alta resistência, que apresentam boa estabilidade química, excelente desempenho isolante e alta resistência mecânica. O desempenho das isolações cerâmicas está directamente relacionado com a vida útil de todo o equipamento. Causas comuns de falhas nos interruptores de exterior incluem rachaduras nas flanges, deformação e rachaduras nas isolações de porcelana, expansão do cimento, envelhecimento, corrosão, etc. Numa certa linha de transmissão de 110kV, ocorreram sete falhas de interruptor, das quais as falhas de rachadura nas isolações de porcelana representam 41%.
Situación de falha
Numa subestação de 110kV, a manga de porcelana da fase A de um interruptor de 35kV rebentou. Uma parte da manga de porcelana entre a terceira saliência e a flange inferior caiu e voou, e a silicone isolante interna vazou, forçando o equipamento a parar. A inspeção no local do interruptor com falha revela que a causa directa da falha é que o condutor de alta tensão no interior da manga de suporte do interruptor reagiu com a manga de porcelana, e o arco de alta temperatura gerado pela descarga causou a ruptura da manga de porcelana e o escoamento da silicone isolante interna.
Análise de amostragem
Inspeção macroscópica
Foram obtidas duas amostras típicas através da amostragem da manga de porcelana, e os resultados da inspeção são os seguintes:
A Figura 2 mostra a morfologia macroscópica da amostra 1 tomada no local. Há marcas de queimadura de arco em grande área na parede interna da manga de porcelana da amostra. Ao longo de um segmento de aproximadamente 50.89mm, a superfície de fratura da manga de porcelana é predominantemente cinzenta, e há depósitos de fuligem na superfície de algumas áreas. A morfologia da seção é significativamente diferente de outras partes. As três partes da amostra 1 foram inspecionadas separadamente, conforme mostrado nas Figuras 2b, 2c e 2d.
Como se pode ver na Figura 2b, o esmalte na parede interna da amostra foi queimado e derretido, formando numerosos buracos de vários tamanhos. Existe uma superfície lisa na borda da face terminal, que é diferente da marca de fusão do esmalte, indicando a ausência de esmalte ou material irregular. Na Figura 2c, a área vermelha na base da saliência tem uma superfície lisa, textura dura, numerosos pequenos orifícios na superfície, com o dorso e a parte inferior sendo acinzentados.
O material vermelho está distribuído de forma irregular, a superfície é irregular, há um inchaço local, e a borda tem uma fronteira negra óbvia com o corpo de porcelana, sugerindo que o material nesta área é anormal. A Figura 2d é uma imagem ampliada localmente da área normal da seção da saliência. Pode-se ver na figura que existem muitos pequenos orifícios na superfície da amostra, e o maior orifício tem um diâmetro de aproximadamente 0.1mm.
A Figura 3 ilustra a aparência macroscópica da amostra 2#. Na parede interna da amostra, há sinais de queima de arco localizada e uma área sem esmalte, conforme indicado nas partes 1 e 2 da Figura 3a. Notavelmente, o esmalte no local da queima de arco apresenta numerosos poros, resultado da fusão do esmalte após ser submetido à queima de alta temperatura. No local 2 da parede interna, existe uma depressão superficial de aproximadamente 17.92 mm de comprimento e 2 mm de profundidade. A cor desta área corresponde à do corpo de porcelana, sendo acinzentada, o que sugere que a superfície carece de esmalte, representando um defeito de processo original.
A Figura 3b mostra a morfologia macroscópica lateral da amostra 2#. É evidente a partir da figura que uma secção lateral da amostra tem uma superfície redonda e lisa, contrastando com a superfície de fratura normal rugosa. Isso indica que o corpo de porcelana nesta parte é descontínuo, outro defeito de processo original.
A partir dos resultados da inspeção macroscópica das amostras, pode concluir-se que a manga de porcelana com falha exibe vários defeitos de processo originais, incluindo material irregular, corpo de porcelana descontínuo, superfície sem esmalte e um grande número de pequenos orifícios.
Análise microscópica por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
Foi realizada uma análise MEV em amostras da seção normal, área vermelha, região de superfície lisa e superfície interna de descarga da manga de porcelana. As imagens microscópicas de varredura das amostras são apresentadas na Figura 4.
Como ilustrado na Figura 4a, a amostra da seção normal da manga de porcelana apresenta uma superfície rugosa com texturas de fratura direcionais. Um número significativo de poros está distribuído uniformemente, sugerindo que a porcelana da manga é porosa e tem uma densidade relativamente baixa.
A Figura 4b revela que a amostra da área vermelha também apresenta numerosos poros. Comparado com a amostra da seção normal, esses poros são maiores, menos densamente empacotados, e a densidade da porcelana é relativamente mais alta. Isso indica a sinterização não-uniforme do material de porcelana dentro da manga.
A partir da Figura 4c, pode-se observar que a amostra de superfície lisa também contém um grande número de poros, juntamente com numerosos poços irregulares espalhados por sua superfície. Apesar disso, a superfície geral parece relativamente lisa e plana, o que sugere que as características anormais desta seção já existiam antes da fratura ocorrer.
A Figura 4d mostra que o esmalte na superfície de descarga é liso, mas pontilhado com numerosas bolhas e poços. Essas características são atribuídas à liberação de gases durante o processo de fusão do esmalte, desencadeado pelas altas temperaturas geradas durante o evento de descarga.
Análise microscópica por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
Foi realizada uma análise MEV em amostras da seção normal, área vermelha, região de superfície lisa e superfície interna de descarga da manga de porcelana. As imagens microscópicas de varredura das amostras são apresentadas na Figura 4.
Como ilustrado na Figura 4a, a amostra da seção normal da manga de porcelana apresenta uma superfície rugosa com texturas de fratura direcionais. Um número significativo de poros está distribuído uniformemente, sugerindo que a porcelana da manga é porosa e tem uma densidade relativamente baixa.
A Figura 4b revela que a amostra da área vermelha também apresenta numerosos poros. Comparado com a amostra da seção normal, esses poros são maiores, menos densamente empacotados, e a densidade da porcelana é relativamente mais alta. Isso indica a sinterização não-uniforme do material de porcelana dentro da manga.
A partir da Figura 4c, pode-se observar que a amostra de superfície lisa também contém um grande número de poros, juntamente com numerosos poços irregulares espalhados por sua superfície. Apesar disso, a superfície geral parece relativamente lisa e plana, o que sugere que as características anormais desta seção já existiam antes da fratura ocorrer.
A Figura 4d mostra que o esmalte na superfície de descarga é liso, mas pontilhado com numerosas bolhas e poços. Essas características são atribuídas à liberação de gases durante o processo de fusão do esmalte, desencadeado pelas altas temperaturas geradas durante o evento de descarga.
Através da análise microscópica por MEV, pode-se concluir que a manga de porcelana apresenta defeitos inerentes, como estrutura de porcelana frouxa, baixa densidade e secções anormais.
Análise de espectro de energia
Como descrito acima, foi realizada uma análise de espectro de energia sobre os elementos de superfície e suas distribuições em quatro locais diferentes da amostra. A Figura 5 ilustra um exemplo detalhado do diagrama de distribuição de elementos de superfície. Os elementos na superfície das amostras da seção normal, superfície lisa e parte de descarga da manga de porcelana consistem principalmente em oxigênio (O), silício (Si) e alumínio (Al).
Em geral, a distribuição de elementos na superfície dessas amostras é relativamente uniforme. No entanto, a distribuição de elementos na superfície da amostra da área vermelha é irregular. Na região inferior-direita desta amostra, os conteúdos de oxigênio (O), alumínio (Al) e potássio (K) aumentam significativamente, enquanto a distribuição de elementos de silício (Si) permanece relativamente consistente. Isso indica que, durante o processo de sinterização desta região, a distribuição de elementos O, Al e K não era homogênea.
Além disso, foi feita uma comparação dos conteúdos principais de elementos das quatro amostras, e os resultados são apresentados na Tabela 1. O conteúdo do elemento de oxigênio (O) na superfície da amostra da seção normal é notavelmente mais alto do que o das outras três amostras, enquanto o conteúdo do elemento de silício (Si) é menor. Isso sugere que a composição do material varia de forma irregular em diferentes partes da amostra da manga de porcelana.
As amostras da região vermelha têm um conteúdo relativamente alto de silício (Si) e o menor conteúdo de oxigênio (O). Além disso, detecta-se uma quantidade significativa de cobre (Cu) na superfície da parte de descarga interna da manga de porcelana. Isso é devido à fusão e evaporação do bronze no interior da manga de porcelana em altas temperaturas durante o processo de descarga, seguido por sputtering e deposição na superfície interna da manga de porcelana.
Distribuição de escaneamento de elementos de superfície das amostras
Com base na análise de espectro de energia, pode-se concluir firmemente que, durante o processo de sinterização da manga de porcelana, a distribuição de diversos elementos é altamente não-uniforme. Esta não-uniformidade implica diretamente que os materiais de diferentes secções dentro da manga de porcelana exibem disparidades significativas.
Conclusão e Sugestões
Conclusão
Através da inspeção macroscópica, análise microscópica por MEV e análise de espectro de energia, determinou-se que a manga de porcelana exibe características como estrutura relativamente frouxa, estratificação interna, composição irregular e presença de microporos. Além disso, existem defeitos inerentes na superfície interna da manga de porcelana, incluindo áreas locais sem esmalte e qualidade de fabricação subpar.
Devido a esses defeitos macroscópicos e microscópicos na manga de porcelana, durante sua operação de longo prazo ao ar livre, a humidade e os gases externos gradualmente penetram na manga. Esta infiltração leva a uma degradação do desempenho isolante da manga de porcelana. Sob a influência do campo elétrico, ocorre descarga elétrica entre o condutor interno e as áreas fracas da manga de porcelana. A descarga gera temperaturas locais elevadas no interior da manga de porcelana e deteriora o desempenho da silicone isolante. Eventualmente, sob a ação da pressão interna, a manga de porcelana rebenta.
Sugestões
Os fabricantes de mangas de porcelana devem reforçar o controle de qualidade durante o processo de cozedura das mangas de porcelana para garantir a produção consistente e de alta qualidade.
Devem ser implementadas medidas de proteção adequadas durante o transporte de produtos de mangas de porcelana. Isso é crucial para evitar vibrações severas ou colisões que possam danificar as mangas de porcelana.
Recomenda-se aos utilizadores do produto que reforcem a inspeção de amostragem de qualidade das mangas de porcelana do equipamento recebido. Esta prática garante que a qualidade do equipamento armazenado cumpra os padrões exigidos.
Deve-se prestar atenção especial ao estado operacional do lote de equipamento. Em particular, para o equipamento com vazamento de silicone isolante ou rachaduras nas mangas de porcelana, deve-se realizar manutenção de interrupção de energia e detecção de defeitos de forma rápida para evitar falhas potenciais e garantir a operação segura e confiável do sistema elétrico.
