Analiza uszkodzeń 35kV zewnętrznej próżniowej wyłącznikowej filary porcelanowej rury

ZW7 - 40.5 obwódowy wyprowadzany próżniowy wyłącznik uses próżnię jako medium gaszenia łuku. Ruchomy koniec komory gaszenia łuku jest połączony z wałem napędowym mechanizmu sterującego przez ramie i izolujący pręt. Całkowita struktura wyłącznika ma formę filarową z izolatorami porcelanowymi.

Górny izolator porcelanowy służy jako izolator porcelanowy komory gaszenia łuku, a dolny działa jako wspornik. Trzyfazowe izolatory porcelanowe są montowane na ramie, a trójfazowe transformatory prądowe są zamontowane wewnątrz dolnych wsporników i podłączone do głównego obwodu wyłącznika (jak pokazano na rysunku 1). Obie, górna i dolna izolatory porcelanowe, są wypełnione próżniową izolującą mazią silikonową o doskonałych właściwościach izolacyjnych.

Izolatory porcelanowe wysokonapięciowych wyłączników są zwykle wykonane z wysokowytrzymały aluminy, które cechują się dobrą chemiczną stabilnością, doskonałymi właściwościami izolacyjnymi i wysoką wytrzymałością mechaniczną. Właściwości izolatorów ceramicznych mają bezpośredni wpływ na czas użytkowania całego sprzętu. Występujące często przyczyny awarii obwodowych wyłączników zewnętrznych to pęknięcia flanszu, deformacje i pęknięcia izolatorów porcelanowych, rozszerzenie cementu, starzenie, korozja itp. W pewnej linii przesyłowej 110kV wystąpiło siedem awarii wyłączników, z których 41% stanowiły awarie spowodowane pęknięciem izolatorów porcelanowych.

Stan uszkodzenia

W podstacji 110kV pękła porcelanowa rurka fazy A 35kV wyłącznika. Część porcelanowej rurki między trzecim daszkiem a dolnym flancem odprysnęła i wyleciała, a wewnętrzna izolująca masa silikonowa wyciekła, zmuszając do wyłączenia sprzętu. Przegląd na miejscu uszkodionego wyłącznika wykazał, że bezpośrednią przyczyną awarii było reakcja wysokonapiętego przewodnika wewnątrz wspornika porcelanowego wyłącznika z porcelanową rurką, a wysokotemperaturowy łuk wytworzony przez rozładowanie spowodował pęknięcie porcelanowej rurki i wyciek wewnętrznej izolującej mazi silikonowej.

Analiza próbek

Inspekcja makroskopowa

Pobrano dwie typowe próbki z daszka izolatora porcelanowego, a wyniki inspekcji są następujące:

Rysunek 2 przedstawia makroskopową morfologię próbki 1 pobranej na miejscu. Na wewnętrznej ścianie porcelanowej rurki próbki widoczne są obszary o dużej powierzchni opalone przez łuk. Wzdłuż odcinka o długości około 50,89 mm, powierzchnia pęknięcia porcelanowej rurki jest głównie szara, a na powierzchni niektórych obszarów widoczne są osadzone sadza. Morfologia przekroju znacząco różni się od innych części. Trzy części próbki 1 zostały sprawdzone osobno, jak pokazano na rysunkach 2b, 2c i 2d.

Z rysunku 2b widać, że glazurowana powierzchnia wewnętrznej ściany próbki została spalona i stopiona, tworząc wiele otworów różnej wielkości. Na krawędzi powierzchni końcowej jest gładka powierzchnia, która różni się od znaku stopienia glazu, co wskazuje na brak glazu lub nierównomierny materiał. Na rysunku 2c czerwona strefa u podstawy daszka ma gładką powierzchnię, twardą strukturę, liczne małe otwory na powierzchni, a tył i dół są szarobiałe.

Materiał czerwony jest nierównomiernie rozmieszczony, powierzchnia jest nierówna, istnieje lokalna wypukłość, a krawędź ma wyraźną czarną granicę z ciałem porcelany, co sugeruje, że materiał w tej strefie jest nieprawidłowy. Rysunek 2d przedstawia lokalne powiększenie normalnej strefy przekroju daszka. Z rysunku można zobaczyć, że na powierzchni próbki widoczne są liczne małe otwory, a największy ma średnicę około 0,1 mm.

Rysunek 3 przedstawia makroskopowy wygląd próbki 2#. Na wewnętrznej ścianie próbki widoczne są ślady lokalnego opalenia łukiem i obszar bez glazu, jak pokazano w częściach 1 i 2 rysunku 3a. Zauważalne jest, że glaz w miejscu opalenia łukiem ma liczne otwory, co jest rezultatem stopienia glazu po poddaniu go wysokiej temperaturze. W miejscu 2 na wewnętrznej ścianie jest zagłębienie o długości około 17,92 mm i głębokości 2 mm. Kolor tego obszaru odpowiada kolorowi ciała porcelanowego, który jest szarobiałym, co sugeruje, że powierzchnia nie jest glazurowana, co reprezentuje oryginalną defekt procesowy.

Rysunek 3b przedstawia boczny makroskopowy kształt próbki 2#. Widoczne jest, że fragment boku próbki ma okrągłą i gładką powierzchnię, co kontrastuje z chropowatą normalną powierzchnią pęknięcia. To wskazuje, że ciało porcelanowe w tej części jest niespójne, co jest kolejnym oryginalnym defektem procesowym.

Na podstawie wyników makroskopowej inspekcji próbek można wnioskować, że uszkodzony izolator porcelanowy wykazuje kilka oryginalnych defektów procesowych, w tym nierównomierny materiał, niespójne ciało porcelanowe, niespoglazowane powierzchnie i dużą liczbę małych otworów.

Mikroskopowa analiza skaningowa (SEM) morfologii

Analiza SEM została przeprowadzona na próbkach ze zwykłego przekroju, czerwonej strefy, gładkiej powierzchni i wewnętrznej powierzchni rozładowania izolatora porcelanowego. Skaningowe mikroskopowe zdjęcia próbek są przedstawione na rysunku 4.

Jak pokazano na rysunku 4a, próbkę ze zwykłego przekroju izolatora porcelanowego charakteryzuje chropowata powierzchnia z teksturami pęknięcia o kierunkowej orientacji. Duża liczba otworów jest równomiernie rozmieszczona, co sugeruje, że porcelana izolatora jest porowata i ma stosunkowo niską gęstość.

Rysunek 4b pokazuje, że próbkę z czerwonej strefy również cechuje duża liczba otworów. W porównaniu do próbki ze zwykłego przekroju, te otwory są większe, mniej gęste, a gęstość porcelany jest stosunkowo wyższa. To wskazuje na nierównomierne spalanie materiału porcelanowego wewnątrz izolatora.

Z rysunku 4c można zauważyć, że gładka powierzchnia próbki również zawiera dużą liczbę otworów, a także liczne nierównomierne dołki rozproszone na jej powierzchni. Mimo to, ogólna powierzchnia wygląda stosunkowo gładko i płasko, co sugeruje, że nietypowe cechy tej sekcji istniały już przed pęknięciem.

Rysunek 4d pokazuje, że glaz na powierzchni spalonej rozładowaniem jest gładki, ale pełen licznych bąbelków i otworów. Te cechy są wynikiem uwolnienia gazów podczas procesu topnienia glazu, wywołanego wysokimi temperaturami generowanymi podczas zdarzenia rozładowania.

Mikroskopowa analiza skaningowa (SEM) morfologii

Analiza SEM została przeprowadzona na próbkach ze zwykłego przekroju, czerwonej strefy, gładkiej powierzchni i wewnętrznej powierzchni rozładowania izolatora porcelanowego. Skaningowe mikroskopowe zdjęcia próbek są przedstawione na rysunku 4.

Jak pokazano na rysunku 4a, próbkę ze zwykłego przekroju izolatora porcelanowego charakteryzuje chropowata powierzchnia z teksturami pęknięcia o kierunkowej orientacji. Duża liczba otworów jest równomiernie rozmieszczona, co sugeruje, że porcelana izolatora jest porowata i ma stosunkowo niską gęstość.

Rysunek 4b pokazuje, że próbkę z czerwonej strefy również cechuje duża liczba otworów. W porównaniu do próbki ze zwykłego przekroju, te otwory są większe, mniej gęste, a gęstość porcelany jest stosunkowo wyższa. To wskazuje na nierównomierne spalanie materiału porcelanowego wewnątrz izolatora.

Z rysunku 4c można zauważyć, że gładka powierzchnia próbki również zawiera dużą liczbę otworów, a także liczne nierównomierne dołki rozproszone na jej powierzchni. Mimo to, ogólna powierzchnia wygląda stosunkowo gładko i płasko, co sugeruje, że nietypowe cechy tej sekcji istniały już przed pęknięciem.

Rysunek 4d pokazuje, że glaz na powierzchni spalonej rozładowaniem jest gładki, ale pełen licznych bąbelków i otworów. Te cechy są wynikiem uwolnienia gazów podczas procesu topnienia glazu, wywołanego wysokimi temperaturami generowanymi podczas zdarzenia rozładowania.

Na podstawie analizy mikromorfologii SEM można stwierdzić, że rurka porcelanowa ma wrodzone defekty, takie jak luźna struktura porcelany, niska gęstość i nietypowe przekroje.

Analiza spektrum energetycznego

Jak opisano powyżej, analiza spektrum energetycznego została przeprowadzona na elementach powierzchni i ich rozkładzie w czterech różnych miejscach próbki. Rysunek 5 przedstawia szczegółowy przykład diagramu rozkładu elementów powierzchni. Elementy na powierzchni próbek ze zwykłego przekroju, gładkiej powierzchni i części rozładowania rurki porcelanowej składają się głównie z tlenu (O), krzemu (Si) i aluminium (Al).

Ogólnie rzecz biorąc, rozkład elementów na powierzchni tych próbek jest stosunkowo jednorodny. Jednak rozkład elementów na powierzchni próbki z czerwonej strefy jest nierównomierny. W prawym dolnym regionie tej próbki stężenia tlenu (O), aluminium (Al) i potasu (K) wzrosły znacznie, podczas gdy rozkład elementów krzemu (Si) pozostał stosunkowo stały. To wskazuje, że podczas procesu spalania tego regionu, rozkład elementów O, Al i K był nierównomierny.

Ponadto dokonano porównania głównych zawartości elementów czterech próbek, a wyniki są przedstawione w tabeli 1. Stężenie tlenu (O) na powierzchni próbki ze zwykłego przekroju jest znacznie wyższe niż w przypadku innych trzech próbek, podczas gdy zawartość krzemu (Si) jest niższa. To sugeruje, że skład materiału różni się nierównomiernie w różnych częściach próbki rurki porcelanowej.

Próbki z czerwonej strefy mają stosunkowo wysoką zawartość krzemu (Si) i najniższą zawartość tlenu (O). Dodatkowo, na powierzchni wewnętrznej części rozładowania rurki porcelanowej wykryto znaczną ilość miedzi (Cu). Jest to wynik topnienia i parowania brązu wewnątrz rurki porcelanowej w wysokich temperaturach podczas procesu rozładowania, a następnie jego nanoszenia na wewnętrzną powierzchnię rurki porcelanowej.

Skanowanie rozkładu elementów powierzchniowych próbek

Na podstawie analizy spektrum energetycznego można jednoznacznie stwierdzić, że podczas procesu spalania rurki porcelanowej rozkład różnych elementów jest bardzo nierównomierny. Ta nierównomierność bezpośrednio wskazuje, że materiały w różnych sekcjach rurki porcelanowej wykazują znaczne różnice.

Wnioski i sugestie

Wnioski

Poprzez inspekcję makroskopową, analizę mikromorfologii SEM i analizę spektrum energetycznego ustalono, że rurka porcelanowa ma cechy, takie jak stosunkowo luźna struktura, wewnętrzne warstwy, nierównomierny skład i obecność mikroporów. Ponadto, na wewnętrznej powierzchni rurki porcelanowej występują wrodzone defekty, w tym lokalne nieglazurowane obszary i niska jakość procesu produkcji.

Ze względu na te makroskopowe i mikroskopowe defekty rurki porcelanowej, podczas długotrwałej eksploatacji na zewnątrz wilgoć i gazy stopniowo penetrują do wnętrza rurki. Ta infiltracja prowadzi do degradacji właściwości izolacyjnych rurki porcelanowej. Pod wpływem pola elektrycznego dochodzi do rozładowania między wewnętrznym przewodnikiem a słabymi miejscami rurki porcelanowej. Rozładowanie powoduje lokalne wysokie temperatury w rurce porcelanowej i degradację właściwości izolującej mazi silikonowej. Ostatecznie, pod wpływem ciśnienia wewnętrznego, rurka porcelanowa pęka.

Sugestie

• Producenci rurek porcelanowych powinni wzmocnić kontrolę jakości podczas procesu spalania rurek porcelanowych, aby zapewnić spójne i wysokiej jakości produkty.

• Podczas transportu produktów rurek porcelanowych należy wprowadzić odpowiednie środki ochronne. Jest to kluczowe, aby zapobiec silnym drgnięciom lub zderzeniom, które mogą potencjalnie uszkodzić rurki porcelanowe.

• Użytkownicy produktów powinni wzmocnić losowe badania jakościowe rurek porcelanowych przychodzących urządzeń. Ta praktyka zapewnia, że jakość magazynowanych urządzeń spełnia wymagane standardy.

• Należy zwrócić uwagę na stan operacyjny partii urządzeń. W szczególności, dla urządzeń z istniejącym przeciekiem mazi silikonowej lub pęknięciami rurek porcelanowych, należy natychmiast przeprowadzić przerwę w dostawie energii, utrzymanie i detekcję defektów, aby uniknąć potencjalnych awarii i zapewnić bezpieczną i niezawodną pracę systemu elektrycznego.