Analisi dei guasti del terminale in porcellana del disgiuntore a vuoto da 35kV all'aperto

Il ZW7 - 40.5 interruttore a vuoto per esterno utilizza il vuoto come mezzo di spegnimento dell'arco. L'estremità mobile della camera di spegnimento dell'arco è collegata all'albero motore del meccanismo di comando attraverso un braccio oscillante e una barra isolante. La struttura complessiva dell'interruttore è del tipo a pilastro con guaina ceramica.

La guaina ceramica superiore funge da guaina ceramica della camera di spegnimento dell'arco, mentre quella inferiore agisce come guaina ceramica di supporto. Le tre guaine ceramiche sono installate su un telaio, e i trasformatori di corrente trifase sono montati all'interno delle guaine ceramiche di supporto inferiori e collegati al circuito principale dell'interruttore (come mostrato in Figura 1). Entrambe le guaine ceramiche superiori e inferiori sono riempite con grasso siliconico isolante al vuoto con eccellenti proprietà isolanti.

Le guaine ceramiche degli interruttori ad alta tensione sono solitamente realizzate in ceramica di allumina ad alta resistenza, che presenta buona stabilità chimica, eccellenti prestazioni di isolamento e alta resistenza meccanica. Le prestazioni delle guaine ceramiche sono direttamente correlate alla durata di vita dell'intero equipaggiamento. Cause comuni di guasti negli interruttori esterni includono la rottura delle flange, la deformazione e la rottura delle guaine ceramiche, l'espansione del cemento, l'invecchiamento, la ruggine, ecc. In una certa linea di trasmissione a 110kV, si sono verificati sette guasti di interruttori, dei quali i guasti dovuti alla rottura delle guaine ceramiche rappresentano il 41%.

Situazione del guasto

In una sottostazione a 110kV, la manica ceramica della fase A di un interruttore a 35kV è esplosa. Una parte della manica ceramica tra la terza scia e la flangia inferiore si è staccata ed è volata via, e il grasso siliconico isolante interno è fuoriuscito, costringendo l'equipaggiamento a fermarsi. L'ispezione sul campo dell'interruttore difettoso rivela che la causa diretta del guasto è stata la reazione del conduttore ad alta tensione all'interno della manica ceramica di supporto dell'interruttore con la manica stessa, e l'arco ad alta temperatura generato dalla scarica ha causato l'esplosione della manica ceramica e il fuoriuscita del grasso siliconico isolante interno.

Analisi dei campioni

Ispettiva macroscopica

Due campioni tipici sono stati ottenuti prelevando la guaina ceramica, e i risultati dell'ispezione sono i seguenti:

La Figura 2 mostra la morfologia macroscopica del campione 1 preso sul campo. Ci sono tracce di bruciatura ad arco su larga scala sulla parete interna della manica ceramica del campione. Lungo una sezione di circa 50,89 mm, la superficie di frattura della manica ceramica è prevalentemente grigia, e ci sono depositi di fuliggine sulla superficie di alcune aree. La morfologia della sezione è significativamente diversa dalle altre parti. Le tre parti del campione 1 sono state ispezionate separatamente, come mostrato nelle Figure 2b, 2c e 2d.

Come si può vedere dalla Figura 2b, la smaltatura sulla parete interna del campione è stata bruciata e fusa, formando numerose cavità di varie dimensioni. C'è una superficie liscia al bordo della faccia, che è diversa dal segno di fusione dello smalto, indicando l'assenza di smalto o materiali non omogenei. Nella Figura 2c, l'area rossa alla base della scia ha una superficie liscia, una consistenza dura, numerose piccole aperture sulla superficie, con il retro e il fondo grigio-bianchi.

Il materiale rosso è distribuito in modo non uniforme, la superficie è irregolare, c'è un rigonfiamento locale, e il bordo ha un confine nero evidente con il corpo ceramico, suggerendo che il materiale in questa area è anomalo. La Figura 2d è un'immagine ingrandita localmente dell'area normale della sezione della scia. Si può vedere dall'immagine che ci sono molte piccole aperture sulla superficie del campione, e la più grande ha un diametro di circa 0,1 mm.

La Figura 3 illustra l'aspetto macroscopico del campione 2#. Sulla parete interna del campione ci sono segni di bruciatura ad arco locale e un'area non smaltata, come indicato nelle parti 1 e 2 della Figura 3a. Notoriamente, lo smalto nell'area bruciata presenta numerose porosità, risultato della fusione dello smalto dopo essere stato sottoposto a bruciatura ad alta temperatura. Nel sito 2 sulla parete interna, c'è una depressione superficiale di circa 17,92 mm di lunghezza e 2 mm di profondità. Il colore di quest'area corrisponde a quello del corpo ceramico, grigio-bianco, il che suggerisce che la superficie manca di smaltatura, rappresentando un difetto di processo originale.

La Figura 3b mostra la morfologia macroscopica laterale del campione 2#. E' evidente dall'immagine che una sezione del lato del campione ha una superficie rotonda e liscia, in contrasto con la superficie di frattura normale ruvida. Questo indica che il corpo ceramico in questa parte è discontinuo, un altro difetto di processo originale.

Dai risultati dell'ispezione macroscopica dei campioni, si può concludere che la manica ceramica difettosa presenta diversi difetti di processo originali, tra cui materiale non omogeneo, corpo ceramico discontinuo, superficie non smaltata e un gran numero di piccole aperture.

Analisi microscopica con Microscopia Elettronica a Scansione (SEM)

L'analisi SEM è stata condotta su campioni provenienti dalla sezione normale, dall'area rossa, dalla regione a superficie liscia e dalla superficie interna di scarica della guaina ceramica. Le immagini microscopiche a scansione dei campioni sono presentate nella Figura 4.

Come illustrato nella Figura 4a, il campione proveniente dalla sezione normale della guaina ceramica presenta una superficie ruvida con tessiture di frattura direzionali. Un numero significativo di pori è distribuito in modo uniforme, suggerendo che la ceramica della guaina è porosa e ha una densità relativamente bassa.

La Figura 4b rivela che il campione proveniente dall'area rossa presenta anche numerosi pori. Rispetto al campione della sezione normale, questi pori sono di dimensioni maggiori, meno densamente distribuiti e la densità della ceramica è relativamente più alta. Ciò indica un vetrificazione non uniforme del materiale ceramico all'interno della guaina.

Dalla Figura 4c, si può osservare che il campione a superficie liscia contiene anche un gran numero di pori, oltre a numerose cavità irregolari sparse sulla sua superficie. Nonostante ciò, la superficie complessiva appare relativamente liscia e piatta, implicando che le caratteristiche anormali di questa sezione esistevano prima della frattura.

La Figura 4d mostra che lo smalto sulla superficie cauterizzata dalla scarica è liscio ma punteggiato da numerose bolle e cavità. Queste caratteristiche sono attribuite alla liberazione di gas durante il processo di fusione dello smalto, attivato dalle alte temperature generate durante l'evento di scarica.

Analisi microscopica con Microscopia Elettronica a Scansione (SEM)

L'analisi SEM è stata condotta su campioni provenienti dalla sezione normale, dall'area rossa, dalla regione a superficie liscia e dalla superficie interna di scarica della guaina ceramica. Le immagini microscopiche a scansione dei campioni sono presentate nella Figura 4.

Come illustrato nella Figura 4a, il campione proveniente dalla sezione normale della guaina ceramica presenta una superficie ruvida con tessiture di frattura direzionali. Un numero significativo di pori è distribuito in modo uniforme, suggerendo che la ceramica della guaina è porosa e ha una densità relativamente bassa.

La Figura 4b rivela che il campione proveniente dall'area rossa presenta anche numerosi pori. Rispetto al campione della sezione normale, questi pori sono di dimensioni maggiori, meno densamente distribuiti e la densità della ceramica è relativamente più alta. Ciò indica un vetrificazione non uniforme del materiale ceramico all'interno della guaina.

Dalla Figura 4c, si può osservare che il campione a superficie liscia contiene anche un gran numero di pori, oltre a numerose cavità irregolari sparse sulla sua superficie. Nonostante ciò, la superficie complessiva appare relativamente liscia e piatta, implicando che le caratteristiche anormali di questa sezione esistevano prima della frattura.

La Figura 4d mostra che lo smalto sulla superficie cauterizzata dalla scarica è liscio ma punteggiato da numerose bolle e cavità. Queste caratteristiche sono attribuite alla liberazione di gas durante il processo di fusione dello smalto, attivato dalle alte temperature generate durante l'evento di scarica.

Attraverso l'analisi microscopica con SEM, si può concludere che la manica ceramica presenta difetti intrinseci come struttura ceramica lasca, bassa densità e sezioni anormali.

Analisi spettrale di energia

Come descritto sopra, l'analisi spettrale di energia è stata effettuata sugli elementi superficiali e la loro distribuzione in quattro diverse posizioni del campione. La Figura 5 illustra un esempio dettagliato della distribuzione degli elementi superficiali. Gli elementi sulla superficie dei campioni provenienti dalla sezione normale, dalla superficie liscia e dalla parte di scarica della manica ceramica sono principalmente costituiti da ossigeno (O), silicio (Si) e alluminio (Al).

Nel complesso, la distribuzione degli elementi sulla superficie di questi campioni è relativamente uniforme. Tuttavia, la distribuzione degli elementi sulla superficie del campione proveniente dall'area rossa è non uniforme. Nella regione in basso a destra di questo campione, i contenuti di ossigeno (O), alluminio (Al) e potassio (K) aumentano significativamente, mentre la distribuzione degli elementi di silicio (Si) rimane relativamente costante. Ciò indica che durante il processo di vetrificazione di questa regione, la distribuzione degli elementi O, Al e K non era omogenea.

Contemporaneamente, è stata effettuata una comparazione dei contenuti degli elementi principali dei quattro campioni, e i risultati sono presentati nella Tabella 1. Il contenuto di ossigeno (O) sulla superficie del campione della sezione normale è notevolmente più alto rispetto agli altri tre campioni, mentre il contenuto di silicio (Si) è inferiore. Ciò suggerisce che la composizione del materiale varia in modo non uniforme in diverse parti del campione di manica ceramica.

I campioni provenienti dall'area rossa hanno un contenuto relativamente elevato di silicio (Si) e il contenuto più basso di ossigeno (O). Inoltre, è stata rilevata una quantità significativa di rame (Cu) sulla superficie della parte interna di scarica della manica ceramica. Questo è dovuto alla fusione e vaporizzazione del bronzo all'interno della manica ceramica a temperature elevate durante il processo di scarica, seguita da sputtering e deposizione sulla superficie interna della manica ceramica.

Scansione della distribuzione degli elementi superficiali dei campioni

Basandosi sull'analisi spettrale di energia, si può concludere con fermezza che durante il processo di vetrificazione della manica ceramica, la distribuzione di vari elementi è altamente non uniforme. Questa non uniformità implica direttamente che i materiali di diverse sezioni all'interno della manica ceramica presentano disparità significative.

Conclusione e suggerimenti

Conclusione

Attraverso l'ispezione macroscopica, l'analisi microscopica con SEM e l'analisi spettrale di energia, si è determinato che la manica ceramica presenta caratteristiche come struttura relativamente lasca, stratificazione interna, composizione non uniforme e presenza di micropori. Inoltre, ci sono difetti intrinseci sulla superficie interna della manica ceramica, inclusi aree locali non smaltate e qualità di fabbricazione subpar.

A causa di questi difetti macroscopici e microscopici nella manica ceramica, durante la sua operazione esterna a lungo termine, l'umidità e i gas esterni penetrano gradualmente nella manica. Questa infiltrazione porta a una degradazione delle prestazioni di isolamento della manica ceramica. Sotto l'influenza del campo elettrico, si verifica una scarica elettrica tra il conduttore interno e le aree deboli della manica ceramica. La scarica genera temperature locali elevate all'interno della manica ceramica e deteriora le prestazioni del grasso siliconico isolante. Infine, sotto l'azione della pressione interna, la manica ceramica esplode.

Suggerimenti

• I produttori di maniche ceramiche dovrebbero migliorare il controllo di qualità durante il processo di cottura delle maniche ceramiche per garantire un output di prodotti coerente e di alta qualità.

• Devono essere implementate misure di protezione appropriate durante il trasporto dei prodotti a manica ceramica. Questo è cruciale per prevenire vibrazioni o collisioni severe che potrebbero danneggiare le maniche ceramiche.

• Si consiglia agli utenti del prodotto di rafforzare l'ispezione di campionamento della qualità delle maniche ceramiche degli apparecchi in arrivo. Questa pratica garantisce che la qualità dell'equipaggiamento in magazzino sia conforme agli standard richiesti.

• Si deve prestare attenzione particolare allo stato operativo del lotto di apparecchi. In particolare, per gli apparecchi con perdita di grasso siliconico o crepe nella manica ceramica, si dovrebbe effettuare immediatamente la manutenzione in caso di interruzione di corrente e la rilevazione dei difetti per evitare potenziali guasti e garantire il funzionamento sicuro e affidabile del sistema elettrico.