35kV 야외 진공 회로 차단기 기둥 도자기 소켓의 고장 분석

ZW7-40.5 야외 진공 회로 차단기는 진공을 전호 매체로 사용합니다. 전호 실의 이동 끝은 크랭크암과 절연 연결 막대를 통해 작동 기구의 출력 축에 연결됩니다. 회로 차단기의 전체 구조는 도자기 관형입니다.

상부 도자기 관은 전호 실 도자기 관 역할을 하며, 하부 도자기 관은 지지 도자기 관 역할을 합니다. 세 개의 상 도자기 관은 프레임에 설치되며, 세 개의 상 전류 변환기는 하부 지지 도자기 관 내부에 장착되어 회로 차단기의 주 회로와 연결됩니다(도 1 참조). 상부와 하부 도자기 관 모두 우수한 절연 특성을 가진 진공 절연 실리콘 그리스로 채워져 있습니다.

고압 회로 차단기의 도자기 관은 일반적으로 고강도 알루미나 세라믹으로 제작되며, 화학적 안정성, 우수한 절연 성능, 그리고 높은 기계적 강도를 특징으로 합니다. 세라믹 관의 성능은 전체 장비의 수명과 직접 관련이 있습니다. 야외 회로 차단기의 일반적인 고장 원인에는 플랜지 균열, 도자기 관 변형 및 균열, 시멘트 팽창, 노화, 부식 등이 포함됩니다. 특정 110kV 송전선에서 일곱 건의 회로 차단기 고장이 발생하였으며, 그 중 도자기 관 균열 고장이 41%를 차지합니다.

고장 상황

110kV 변전소에서 35kV 회로 차단기의 A상 도자기 관이 파열되었습니다. 세 번째 쉘드와 하부 플랜지 사이의 일부 도자기 관이 떨어져 나가고 내부 절연 실리콘 그리스가 누출되어 장비가 정지되었습니다. 고장난 회로 차단기의 현장 검사 결과, 고장의 직접적인 원인은 회로 차단기의 지지 도자기 관 내부의 고압 도체가 도자기 관과 반응하여 방전으로 인해 발생한 고온 전호가 도자기 관을 파열시키고 내부 절연 실리콘 그리스가 유출되었음을 확인하였습니다.

샘플 분석

거시적 검사

쉘드 도자기 관에서 두 가지 대표적인 샘플을 채취하였으며, 검사 결과는 다음과 같습니다:

도 2는 현장에서 채취한 샘플 1의 거시적 형태를 보여줍니다. 샘플의 도자기 관 내벽에는 넓은 범위의 전호 흔적이 있습니다. 약 50.89mm 길이의 단면에서 도자기 관의 단면은 대부분 회색이며, 일부 영역의 표면에는 재가 존재합니다. 단면 형태는 다른 부분과 크게 다릅니다. 샘플 1의 세 부분은 각각 도 2b, 2c, 2d에 표시되어 있습니다.

도 2b에서 볼 수 있듯이, 샘플의 내벽 글레이즈는 타서 녹아 다양한 크기의 구멍을 형성하였습니다. 단면의 가장자리는 매끄러운 표면을 가지고 있으며, 이는 글레이즈 녹음 표시와 다르며, 이는 글레이즈가 없거나 소재가 불균일함을 나타냅니다. 도 2c에서, 쉘드 뿌리의 붉은 영역은 표면이 매끄럽고 질감이 딱딱하며, 표면에 많은 작은 구멍이 있으며, 뒷면과 바닥은 회백색입니다.

붉은 소재는 불균일하게 분포되어 있으며, 표면은 불규칙하며 국소적으로 부풀어 있으며, 도자기 본체와 경계가 명확하게 검은색으로 나타납니다. 이는 해당 영역의 소재가 비정상적임을 시사합니다. 도 2d는 쉘드 단면의 정상 영역의 국소 확대 이미지입니다. 그림에서 볼 수 있듯이, 샘플의 표면에는 많은 작은 구멍이 있으며, 가장 큰 구멍의 직경은 약 0.1mm입니다.

도 3은 샘플 2#의 거시적 외관을 보여줍니다. 샘플의 내벽에는 국소적 전호 흔적과 무글레이즈 영역이 나타나며, 도 3a의 1번과 2번 부분에서 볼 수 있습니다. 특히, 전호 흔적 위치의 글레이즈는 고온 연소 후 녹아 많은 구멍이 생겼습니다. 내벽의 2번 위치에서는 약 17.92mm 길이와 2mm 깊이의 표면 함몰이 있습니다. 이 영역의 색상은 도자기 본체와 동일한 회백색이며, 이는 표면에 글레이즈가 없음을 나타내며, 이는 원래의 공정 결함입니다.

도 3b는 샘플 2#의 측면 거시적 형태를 보여줍니다. 그림에서 볼 수 있듯이, 샘플의 측면 일부는 원형이고 매끄러운 표면을 가지고 있으며, 이는 거칠고 정상적인 단면과 대조됩니다. 이는 도자기 본체의 이 부분이 불연속적임을 나타내며, 또 다른 원래의 공정 결함입니다.

샘플의 거시적 검사 결과, 고장난 도자기 관은 소재 불균일, 도자기 본체 불연속, 무글레이즈 표면, 그리고 많은 작은 구멍 등의 원래의 공정 결함을 보였습니다.

스캔 전자 현미경(SEM) 미세 형태 분석

도자기 관의 정상 단면, 붉은색 영역, 매끄러운 표면 영역, 그리고 내부 방전 표면에서 샘플을 채취하여 SEM 분석을 수행하였습니다. 샘플의 스캔 현미경 이미지는 도 4에 표시되어 있습니다.

도 4a에서, 도자기 관의 정상 단면에서 채취한 샘플은 거친 표면과 방향성 단면 텍스처를 보여줍니다. 많은 수의 구멍이 고르게 분포되어 있어, 도자기 관의 도자는 다공성이며 비교적 낮은 밀도임을 나타냅니다.

도 4b에서, 붉은색 영역에서 채취한 샘플도 많은 구멍을 보여줍니다. 정상 단면 샘플과 비교하여, 이러한 구멍은 크기가 더 크고 덜 밀집되어 있으며, 도자의 밀도는 상대적으로 높습니다. 이는 도자기 관 내부의 도자 소재가 불균일하게 소결되었다는 것을 나타냅니다.

도 4c에서, 매끄러운 표면의 샘플도 많은 구멍을 포함하고 있으며, 표면에는 많은 불규칙한 구멍이 흩어져 있습니다. 그럼에도 불구하고, 전체 표면은 상대적으로 매끄럽고 평평하여, 이 단면의 이상 특성이 파단되기 전에 이미 존재하였음을 시사합니다.

도 4d에서, 방전 카우터 표면의 글레이즈는 매끄럽지만, 많은 기포와 구멍이 점점이 흩어져 있습니다. 이러한 특징은 방전 사건 중 발생하는 고온으로 인해 글레이즈가 녹으면서 가스가 방출됨으로써 발생합니다.

스캔 전자 현미경(SEM) 미세 형태 분석

도자기 관의 정상 단면, 붉은색 영역, 매끄러운 표면 영역, 그리고 내부 방전 표면에서 샘플을 채취하여 SEM 분석을 수행하였습니다. 샘플의 스캔 현미경 이미지는 도 4에 표시되어 있습니다.

도 4a에서, 도자기 관의 정상 단면에서 채취한 샘플은 거친 표면과 방향성 단면 텍스처를 보여줍니다. 많은 수의 구멍이 고르게 분포되어 있어, 도자기 관의 도자는 다공성이며 비교적 낮은 밀도임을 나타냅니다.

도 4b에서, 붉은색 영역에서 채취한 샘플도 많은 구멍을 보여줍니다. 정상 단면 샘플과 비교하여, 이러한 구멍은 크기가 더 크고 덜 밀집되어 있으며, 도자의 밀도는 상대적으로 높습니다. 이는 도자기 관 내부의 도자 소재가 불균일하게 소결되었다는 것을 나타냅니다.

도 4c에서, 매끄러운 표면의 샘플도 많은 구멍을 포함하고 있으며, 표면에는 많은 불규칙한 구멍이 흩어져 있습니다. 그럼에도 불구하고, 전체 표면은 상대적으로 매끄럽고 평평하여, 이 단면의 이상 특성이 파단되기 전에 이미 존재하였음을 시사합니다.

도 4d에서, 방전 카우터 표면의 글레이즈는 매끄럽지만, 많은 기포와 구멍이 점점이 흩어져 있습니다. 이러한 특징은 방전 사건 중 발생하는 고온으로 인해 글레이즈가 녹으면서 가스가 방출됨으로써 발생합니다.

SEM 미세 형태 분석을 통해, 도자기 관은 도자 구조가 느슨하고, 밀도가 낮으며, 단면이 비정상적인 등 내재된 결함이 있음을 결론 내릴 수 있습니다.

에너지 스펙트럼 분석

앞서 설명한 바와 같이, 샘플의 네 가지 다른 위치에서 표면 요소와 그 분포에 대한 에너지 스펙트럼 분석을 수행하였습니다. 도 5는 표면 요소 분포도의 자세한 예를 보여줍니다. 도자기 관의 정상 단면, 매끄러운 표면, 그리고 방전 부분에서 채취한 샘플의 표면 요소는 주로 산소(O), 규소(Si), 알루미늄(Al)로 구성됩니다.

전반적으로, 이러한 샘플의 표면 요소 분포는 상대적으로 균일합니다. 그러나 붉은색 영역에서 채취한 샘플의 표면 요소 분포는 불균일합니다. 이 샘플의 오른쪽 하단 영역에서 산소(O), 알루미늄(Al), 그리고 칼륨(K)의 함량이 크게 증가하며, 규소(Si) 요소의 분포는 상대적으로 일정합니다. 이는 이 영역의 소결 과정 중 O, Al, K 요소의 분포가 균일하지 않았음을 나타냅니다.

또한, 네 가지 샘플의 주요 요소 함량을 비교하였으며, 그 결과는 표 1에 표시되어 있습니다. 정상 단면 샘플의 표면 산소(O) 요소 함량은 다른 세 가지 샘플보다 높으며, 규소(Si) 요소 함량은 낮습니다. 이는 도자기 관 샘플의 서로 다른 부분 간 소재 조성의 불균일성을 나타냅니다.

붉은색 영역에서 채취한 샘플은 규소(Si) 함량이 상대적으로 높고, 산소(O) 함량이 가장 낮습니다. 또한, 도자기 관 내부 방전 부분의 표면에서는 많은 양의 구리(Cu)가 검출되었습니다. 이는 방전 과정 중 도자기 관 내부의 청동이 고온으로 녹아 증발하고, 스퍼터링되어 도자기 관 내부 표면에 증착되었기 때문입니다.

샘플 표면 요소의 스캔 분포

에너지 스펙트럼 분석을 바탕으로, 도자기 관의 소결 과정 중 다양한 요소의 분포가 매우 불균일하다는 것을 확실히 결론 내릴 수 있습니다. 이 불균일성은 도자기 관 내부의 서로 다른 부분 간 소재의 유의미한 차이를 의미합니다.

결론 및 제안

결론

거시적 검사, SEM 미세 형태 분석, 그리고 에너지 스펙트럼 분석을 통해, 도자기 관은 구조가 상대적으로 느슨하고, 내부 층화, 불균일한 조성, 그리고 미세 구멍이 존재한다는 특성을 나타냈습니다. 또한, 도자기 관의 내부 표면에는 국소적으로 글레이즈가 없는 영역과 제조 공정 품질이 저하된 내재된 결함이 있습니다.

이러한 거시적 및 미세 결함들로 인해, 도자기 관은 장기간 야외 운전 중 외부 습기와 가스가 점차 관으로 침투하게 됩니다. 이 침투는 도자기 관의 절연 성능을 저하시킵니다. 전기장의 영향으로 도자기 관 내부의 도체와 도자기 관의 약한 부분 사이에서 전기 방전이 발생하며, 이 방전은 도자기 관 내부에서 국소적으로 고온을 생성하고 절연 실리콘 그리스의 성능을 저하시킵니다. 결국, 내부 압력의 작용으로 도자기 관이 파열됩니다.

제안

• 도자기 관 제조업체는 도자기 관의 소결 과정 중 품질 관리를 강화하여 일관되고 높은 품질의 제품을 생산하도록 해야 합니다.

• 도자기 관 제품의 운송 중 적절한 보호 조치를 취해야 합니다. 이는 도자기 관이 심각한 진동이나 충격으로 손상되지 않도록 하는 것이 중요합니다.

• 제품 사용자는 입고 장비의 도자기 관에 대한 품질 샘플 검사를 강화해야 합니다. 이를 통해 창고에 보관된 장비의 품질이 요구되는 기준을 충족하도록 보장할 수 있습니다.

• 배치 장비의 운영 상태에 대해 주의 깊게 모니터링해야 합니다. 특히, 실리콘 그리스 누출이나 도자기 관 균열이 있는 장비의 경우, 즉시 정전 유지보수와 결함 검사를 수행하여 잠재적인 고장을 방지하고 전기 시스템의 안전하고 신뢰성 있는 운영을 보장해야 합니다.