Analisis Kegagalan Pemutus Sirkuit Vakum Outdoor 35kV dengan Lengan Porcelain

Pemutus sirkuit vakum luar ruangan ZW7 - 40.5 menggunakan vakum sebagai media pemadam busur api. Ujung gerak ruang pemadam busur api terhubung ke poros keluaran mekanisme operasi melalui lengan engkol dan batang pengikat isolasi. Struktur keseluruhan pemutus sirkuit ini adalah tipe tiang bushing porselen.

Bushing porselen atas berfungsi sebagai bushing porselen ruang pemadam busur api, dan yang bawah berfungsi sebagai bushing porselen penyangga. Tiga bushing porselen fasa dipasang pada rangka, dan tiga transformator arus fasa dipasang di dalam bushing porselen penyangga bawah dan terhubung ke sirkuit utama pemutus sirkuit (seperti ditunjukkan pada Gambar 1). Kedua bushing porselen atas dan bawah diisi dengan lemak silikon insulasi vakum yang memiliki sifat insulasi yang sangat baik.

Bushing porselen pemutus sirkuit tegangan tinggi biasanya dibuat dari keramik alumina berkekuatan tinggi, yang memiliki stabilitas kimia yang baik, kinerja insulasi yang luar biasa, dan kekuatan mekanis yang tinggi. Kinerja bushing keramik secara langsung berkaitan dengan umur layanan seluruh peralatan. Penyebab umum kegagalan pemutus sirkuit luar ruangan termasuk retak flensa, deformasi dan retak bushing porselen, ekspansi semen, penuaan, karat, dll. Dalam suatu jalur transmisi 110kV, tujuh kegagalan pemutus sirkuit telah terjadi, di mana kegagalan retak bushing porselen mencapai 41%.

Kondisi Kegagalan

Di sebuah gardu induk 110kV, bushing porselen fasa A dari pemutus sirkuit 35kV pecah. Sebagian bushing porselen antara shed ketiga dan flensa bawah terlepas dan terbang, dan lemak silikon insulasi di dalamnya bocor, memaksa peralatan untuk dimatikan. Pemeriksaan di tempat pada pemutus sirkuit yang gagal menunjukkan bahwa penyebab langsung kegagalannya adalah konduktor tegangan tinggi di dalam bushing porselen penyangga pemutus sirkuit bereaksi dengan bushing porselen, dan busur api panas yang dihasilkan oleh pelepasan listrik menyebabkan bushing porselen pecah dan lemak silikon insulasi mengalir keluar.

Analisis Sampel

Pemeriksaan Makroskopis

Dua sampel tipikal diperoleh melalui pengambilan sampel bushing porselen shed, dan hasil pemeriksaan adalah sebagai berikut:

Gambar 2 menunjukkan morfologi makroskopis sampel 1 yang diambil di tempat. Terdapat bekas pembakaran busur api yang luas di dinding dalam bushing porselen sampel. Sepanjang sekitar 50.89mm, permukaan putus bushing porselen sebagian besar berwarna abu-abu, dan ada endapan asap pada beberapa area permukaannya. Morfologi bagian ini sangat berbeda dari bagian lain. Tiga bagian dari sampel 1 diperiksa secara terpisah, seperti ditunjukkan pada Gambar 2b, 2c, dan 2d.

 Seperti yang dapat dilihat dari Gambar 2b, glazur pada dinding dalam sampel telah terbakar dan meleleh, membentuk banyak lubang berbagai ukuran. Ada permukaan halus di tepi ujung, yang berbeda dari tanda glazur meleleh, menunjukkan tidak adanya glazur atau material yang tidak merata. Pada Gambar 2c, area merah di akar shed memiliki permukaan halus, tekstur keras, banyak lubang kecil di permukaannya, dengan bagian belakang dan bawah berwarna putih keabuan. 

Material merah tersebar tidak merata, permukaannya tidak rata, ada tonjolan lokal, dan tepinya memiliki batas hitam yang jelas dengan badan porselen, menunjukkan bahwa material di area ini tidak normal. Gambar 2d adalah gambar perbesaran lokal dari area normal bagian shed. Dapat dilihat dari gambar bahwa ada banyak lubang kecil di permukaan sampel, dan lubang terbesar memiliki diameter sekitar 0.1mm.

Gambar 3 menggambarkan penampilan makroskopis sampel 2#. Di dinding dalam sampel, ada tanda-tanda pembakaran busur api lokal dan area tanpa glazur, seperti ditunjukkan pada bagian 1 dan 2 dari Gambar 3a. Jelas, glazur di lokasi pembakaran busur api memiliki banyak pori, hasil dari glazur meleleh setelah terkena pembakaran suhu tinggi. Di situs 2 pada dinding dalam, ada depresi permukaan sepanjang sekitar 17.92 mm dan kedalaman 2 mm. Warna area ini sesuai dengan badan porselen, yaitu putih keabuan, yang menunjukkan bahwa permukaan tersebut tidak diglazuri, merupakan cacat proses asli.

Gambar 3b menunjukkan morfologi makroskopis samping sampel 2#. Dari gambar tersebut, tampak bahwa sebagian sisi sampel memiliki permukaan bulat dan halus, berbeda dengan permukaan putus normal yang kasar. Ini menunjukkan bahwa badan porselen di bagian ini tidak kontinu, merupakan cacat proses asli lainnya.

Dari hasil pemeriksaan makroskopis sampel, dapat disimpulkan bahwa bushing porselen yang rusak menunjukkan beberapa cacat proses asli, termasuk material yang tidak merata, badan porselen yang tidak kontinu, permukaan tanpa glazur, dan banyak lubang kecil.

Analisis Mikroskopis Elektron Pemindaian (SEM) Morfologi

Analisis SEM dilakukan pada sampel dari bagian normal, area berwarna merah, wilayah permukaan halus, dan permukaan pelepasan listrik dalam bushing porselen. Gambar mikroskopis pemindaian sampel ditampilkan pada Gambar 4.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a, sampel dari bagian normal bushing porselen menunjukkan permukaan kasar dengan tekstur putus berarah. Banyak pori-pori tersebar merata di seluruhnya, menunjukkan bahwa porselen bushing bersifat berpori dan memiliki densitas yang relatif rendah.

Gambar 4b menunjukkan bahwa sampel dari area berwarna merah juga memiliki banyak pori. Dibandingkan dengan sampel bagian normal, pori-pori ini lebih besar, kurang padat, dan densitas porselen relatif lebih tinggi. Ini menunjukkan penyinteran porselen yang tidak merata dalam bushing.

Dari Gambar 4c, dapat dilihat bahwa sampel permukaan halus juga mengandung banyak pori, serta banyak lubang tidak rata yang tersebar di permukaannya. Meskipun demikian, permukaan secara keseluruhan tampak relatif halus dan datar, menunjukkan bahwa karakteristik abnormal bagian ini sudah ada sebelum terjadinya putus.

Gambar 4d menunjukkan bahwa glazur pada permukaan pelepasan listrik yang dibakar adalah halus tetapi berisi banyak gelembung dan lubang. Fitur-fitur ini disebabkan oleh pelepasan gas selama proses melelehnya glazur, yang dipicu oleh suhu tinggi yang dihasilkan selama peristiwa pelepasan listrik.

Analisis Mikroskopis Elektron Pemindaian (SEM) Morfologi

Analisis SEM dilakukan pada sampel dari bagian normal, area berwarna merah, wilayah permukaan halus, dan permukaan pelepasan listrik dalam bushing porselen. Gambar mikroskopis pemindaian sampel ditampilkan pada Gambar 4.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a, sampel dari bagian normal bushing porselen menunjukkan permukaan kasar dengan tekstur putus berarah. Banyak pori-pori tersebar merata di seluruhnya, menunjukkan bahwa porselen bushing bersifat berpori dan memiliki densitas yang relatif rendah.

Gambar 4b menunjukkan bahwa sampel dari area berwarna merah juga memiliki banyak pori. Dibandingkan dengan sampel bagian normal, pori-pori ini lebih besar, kurang padat, dan densitas porselen relatif lebih tinggi. Ini menunjukkan penyinteran porselen yang tidak merata dalam bushing.

Dari Gambar 4c, dapat dilihat bahwa sampel permukaan halus juga mengandung banyak pori, serta banyak lubang tidak rata yang tersebar di permukaannya. Meskipun demikian, permukaan secara keseluruhan tampak relatif halus dan datar, menunjukkan bahwa karakteristik abnormal bagian ini sudah ada sebelum terjadinya putus.

Gambar 4d menunjukkan bahwa glazur pada permukaan pelepasan listrik yang dibakar adalah halus tetapi berisi banyak gelembung dan lubang. Fitur-fitur ini disebabkan oleh pelepasan gas selama proses melelehnya glazur, yang dipicu oleh suhu tinggi yang dihasilkan selama peristiwa pelepasan listrik.

Melalui analisis mikromorfologi SEM, dapat disimpulkan bahwa bushing porselen memiliki cacat inheren seperti struktur porselen yang longgar, densitas rendah, dan bagian lintang yang abnormal.

Analisis Spektrum Energi

Seperti yang telah dijelaskan, analisis spektrum energi dilakukan pada elemen-elemen permukaan dan distribusi mereka di empat lokasi berbeda dari sampel. Gambar 5 mengilustrasikan contoh detail diagram distribusi elemen permukaan. Elemen-elemen pada permukaan sampel dari bagian normal, permukaan halus, dan bagian pelepasan listrik bushing porselen terutama terdiri dari oksigen (O), silikon (Si), dan aluminium (Al). 

Secara keseluruhan, distribusi elemen pada permukaan sampel-sampel ini relatif merata. Namun, distribusi elemen pada permukaan sampel dari area berwarna merah tidak merata. Di bagian kanan bawah sampel ini, kandungan oksigen (O), aluminium (Al), dan kalium (K) meningkat signifikan, sementara distribusi elemen silikon (Si) tetap relatif konsisten. Ini menunjukkan bahwa selama proses penyinteran daerah ini, distribusi elemen O, Al, dan K tidak homogen.

Sementara itu, perbandingan kandungan elemen utama dari empat sampel dibuat, dan hasilnya ditampilkan dalam Tabel 1. Kandungan elemen oksigen (O) pada permukaan sampel bagian normal jauh lebih tinggi daripada tiga sampel lainnya, sementara kandungan elemen silikon (Si) lebih rendah. Ini menunjukkan bahwa komposisi material bervariasi secara tidak merata di berbagai bagian sampel bushing porselen. 

Sampel dari area merah memiliki kandungan silikon (Si) yang relatif tinggi dan kandungan oksigen (O) yang terendah. Selain itu, jumlah tembaga (Cu) yang signifikan terdeteksi pada permukaan bagian pelepasan listrik dinding dalam bushing porselen. Hal ini disebabkan oleh peleburan dan penguapan perunggu di dalam bushing porselen pada suhu tinggi selama proses pelepasan listrik, diikuti oleh semprotan dan deposisi pada permukaan dalam bushing porselen.

Pemindaian Distribusi Elemen Permukaan Sampel

Berdasarkan analisis spektrum energi, dapat disimpulkan dengan pasti bahwa selama proses penyinteran bushing porselen, distribusi berbagai elemen sangat tidak merata. Ketidakmerataan ini secara langsung mengimplikasikan bahwa material dari berbagai bagian dalam bushing porselen menunjukkan perbedaan signifikan.

Kesimpulan dan Saran

Kesimpulan

Melalui pemeriksaan makroskopis, analisis mikromorfologi SEM, dan analisis spektrum energi, telah ditentukan bahwa bushing porselen menunjukkan karakteristik seperti struktur yang relatif longgar, lapisan internal, komposisi tidak merata, dan adanya mikropori. Selain itu, ada cacat inheren pada permukaan dalam bushing porselen, termasuk area tanpa glazur lokal dan kualitas proses manufaktur yang buruk.

Karena cacat makroskopis dan mikroskopis pada bushing porselen, selama operasi luar ruangan jangka panjang, kelembaban dan gas eksternal secara bertahap menembus bushing. Infiltrasi ini menyebabkan penurunan kinerja isolasi bushing porselen. Di bawah pengaruh medan listrik, pelepasan listrik terjadi antara konduktor internal dan area lemah bushing porselen. Pelepasan listrik menghasilkan suhu tinggi lokal di dalam bushing porselen dan menurunkan kinerja lemak silikon insulasi. Akhirnya, di bawah tekanan internal, bushing porselen pecah.

Saran

• Pabrikan bushing porselen harus meningkatkan kontrol kualitas selama proses pembakaran bushing porselen untuk memastikan output produk yang konsisten dan berkualitas tinggi.

• Tindakan pelindungan yang tepat harus diimplementasikan selama transportasi produk bushing porselen. Hal ini penting untuk mencegah getaran atau tabrakan yang parah yang dapat merusak bushing porselen.

• Pengguna produk disarankan untuk memperkuat pemeriksaan sampel kualitas bushing porselen dari peralatan masuk. Praktek ini memastikan bahwa kualitas peralatan yang tersimpan sesuai dengan standar yang diperlukan.

• Perhatian harus diberikan pada status operasional batch peralatan. Terutama, untuk peralatan dengan kebocoran lemak silikon atau retak bushing porselen, pemeliharaan pemadaman listrik dan deteksi cacat harus dilakukan segera untuk menghindari potensi kegagalan dan memastikan operasi sistem listrik yang aman dan andal.