Análise de Falhas do Isolador de Porcelana do Pilar do Disjuntor a Vácuo para Exteriores de 35kV
O disjuntor de vácuo externo ZW7 - 40.5 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 disjuntor é do tipo pilar de bucha de porcelana.
A bucha superior de porcelana serve como a bucha de porcelana da câmara de extinção do arco, e a inferior atua como a bucha de suporte de porcelana. As três buchas de porcelana trifásicas são instaladas em um quadro, e as transformadoras de corrente trifásicas são montadas dentro das buchas de suporte inferiores e conectadas ao circuito principal do disjuntor (como mostrado na Figura 1). Tanto as buchas de porcelana superior quanto as inferiores são preenchidas com silicone isolante de vácuo com excelentes propriedades isolantes.
As buchas de porcelana de disjuntores de alta tensão são geralmente feitas de cerâmica de alumina de alta resistência, que apresenta boa estabilidade química, excelente desempenho isolante e alta resistência mecânica. O desempenho das buchas de cerâmica está diretamente relacionado à vida útil de todo o equipamento. Causas comuns de falhas em disjuntores externos incluem rachaduras no flange, deformação e rachadura das buchas de porcelana, expansão do cimento, envelhecimento, oxidação, etc. Em uma certa linha de transmissão de 110kV, sete falhas de disjuntor ocorreram, das quais as falhas de rachadura nas buchas de porcelana representaram 41%.
Situação da Falha
Em uma subestação de 110kV, a manga de porcelana da fase A de um disjuntor de 35kV estourou. Uma parte da manga de porcelana entre a terceira chapa e a flange inferior se soltou e voou, e o silicone isolante interno vazar, forçando o equipamento a ser desligado. A inspeção no local do disjuntor com falha revela que a causa direta da falha é que o condutor de alta tensão dentro da manga de suporte de porcelana do disjuntor reagiu com a manga de porcelana, e o arco de alta temperatura gerado pela descarga causou a ruptura da manga de porcelana e o vazamento do silicone isolante interno.
Análise de Amostragem
Inspeção Macroscópica
Duas amostras típicas foram obtidas por amostragem da manga de porcelana, e os resultados da inspeção são os seguintes:
A Figura 2 mostra a morfologia macroscópica da amostra 1 coletada no local. Há marcas de queimadura de arco em grande área na parede interna da manga de porcelana da amostra. Ao longo de um trecho aproximadamente de 50,89mm, a superfície de fratura da manga de porcelana é principalmente cinza, 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 na Figura 2b, 2c e 2d.
Como pode ser visto na Figura 2b, o esmalte na parede interna da amostra foi queimado e derretido, formando inúmeras crateras de vários tamanhos. Há uma superfície lisa na borda da face, que é diferente da marca de derretimento do esmalte, indicando a ausência de esmalte ou material não uniforme. Na Figura 2c, a área vermelha na base da chapa tem uma superfície lisa, textura dura, inúmeras pequenas crateras na superfície, com a parte traseira e inferior sendo cinza-clara.
O material vermelho está distribuído de forma irregular, a superfície é irregular, há um saliência local, e a borda tem um limite preto evidente 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 chapa. Pode-se ver na figura que há muitas pequenas crateras na superfície da amostra, e a maior cratera 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 local de arco e uma área sem esmalte, conforme indicado nas partes 1 e 2 da Figura 3a. Notavelmente, o esmalte no local queimado pelo arco apresenta inúmeras porosidades, resultado do esmalte derretendo após ser submetido a queima de alta temperatura. No local 2 da parede interna, há uma depressão superficial aproximadamente de 17,92 mm de comprimento e 2 mm de profundidade. A cor desta área corresponde à do corpo de porcelana, sendo cinza-clara, 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 na figura que uma seção 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-se concluir que a manga de porcelana com falha exibe vários defeitos de processo originais, incluindo material irregular, corpo de porcelana descontínuo, superfície sem esmalte e grande número de pequenas crateras.
Análise Microscópica por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
Foi realizada 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 exibe uma superfície áspera com texturas de fratura direcionais. Um número significativo de poros está distribuído de forma uniforme, 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 inúmeros poros. Comparado com a amostra da seção normal, esses poros são maiores, menos densamente empacotados e a densidade da porcelana é relativamente maior. 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, além de numerosas crateras irregulares espalhadas por sua superfície. Apesar disso, a superfície geral parece relativamente lisa e plana, implicando que as características anormais desta seção existiam antes da fratura ocorrer.
A Figura 4d mostra que o esmalte na superfície cauterizada pela descarga é liso, mas pontilhado com inúmeras bolhas e crateras. Essas características são atribuídas à liberação de gases durante o processo de derretimento do esmalte, desencadeado pelas altas temperaturas geradas durante o evento de descarga.
Análise Microscópica por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
Foi realizada 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 exibe uma superfície áspera com texturas de fratura direcionais. Um número significativo de poros está distribuído de forma uniforme, 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 inúmeros poros. Comparado com a amostra da seção normal, esses poros são maiores, menos densamente empacotados e a densidade da porcelana é relativamente maior. 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, além de numerosas crateras irregulares espalhadas por sua superfície. Apesar disso, a superfície geral parece relativamente lisa e plana, implicando que as características anormais desta seção existiam antes da fratura ocorrer.
A Figura 4d mostra que o esmalte na superfície cauterizada pela descarga é liso, mas pontilhado com inúmeras bolhas e crateras. Essas características são atribuídas à liberação de gases durante o processo de derretimento 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 seções anormais.
Análise Espectral de Energia
Como descrito acima, foi realizada análise espectral 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 de oxigênio (O), silício (Si) e alumínio (Al).
No 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 dessa 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 foi homogênea.
Além disso, foi feita uma comparação dos principais conteúdos de elementos das quatro amostras, e os resultados são apresentados na Tabela 1. O conteúdo de elemento de oxigênio (O) na superfície da amostra da seção normal é notavelmente maior do que o das outras três amostras, enquanto o conteúdo de elemento de silício (Si) é menor. Isso sugere que a composição do material varia de forma irregular em diferentes partes da amostra de manga de porcelana.
As amostras da região vermelha têm um teor de silício (Si) relativamente alto e o menor teor de oxigênio (O). Além disso, foi detectada uma quantidade significativa de cobre (Cu) na superfície da parte interna de descarga da manga de porcelana. Isso é devido ao derretimento e evaporação do bronze dentro 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 Elementos de Superfície de Amostras por Varredura
Com base na análise espectral 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 seções dentro da manga de porcelana apresentam disparidades significativas.
Conclusão e Sugestões
Conclusão
Através da inspeção macroscópica, análise microscópica por MEV e análise espectral de energia, foi determinado 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 subpadrão.
Devido a esses defeitos macroscópicos e microscópicos na manga de porcelana, durante sua operação externa de longo prazo, a umidade e os gases externos gradualmente penetram na manga. Essa 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 dentro da manga de porcelana e deteriora o desempenho do silicone isolante. Eventualmente, sob a ação da pressão interna, a manga de porcelana estoura.
Sugestões
Os fabricantes de mangas de porcelana devem melhorar o controle de qualidade durante o processo de queima de mangas de porcelana para garantir a produção consistente e de alta qualidade.
Medidas de proteção apropriadas devem ser implementadas durante o transporte de produtos de mangas de porcelana. Isso é crucial para evitar vibrações severas ou colisões que possam potencialmente danificar as mangas de porcelana.
É recomendável que os usuários de produtos fortaleçam a inspeção de amostragem de qualidade das mangas de porcelana de equipamentos recém-chegados. Essa prática garante que a qualidade do equipamento armazenado cumpra os padrões exigidos.
Deve-se prestar atenção especial ao estado operacional do lote de equipamentos. Em particular, para equipamentos com vazamento de silicone isolante ou rachaduras na manga de porcelana, deve-se realizar manutenção de desligamento e detecção de falhas imediatamente, para evitar falhas potenciais e garantir a operação segura e confiável do sistema elétrico.
