Анализ неисправностей 35кВ наружного вакуумного выключателя на опоре с фарфоровым изолятором

ZW7 - 40.5 наружный вакуумный выключатель использует вакуум в качестве среды для гашения дуги. Подвижный конец камеры гашения дуги соединен с выходным валом привода через кривошип и изолированный стержень. Общая конструкция выключателя выполнена в виде опорного фарфорового изолятора-столба.

Верхний фарфоровый изолятор служит фарфоровым изолятором камеры гашения дуги, а нижний — опорным фарфоровым изолятором. Три фазных фарфоровых изолятора установлены на раме, и трансформаторы тока трех фаз расположены внутри нижних опорных фарфоровых изоляторов и подключены к основной цепи выключателя (как показано на рисунке 1). Верхние и нижние фарфоровые изоляторы заполнены вакуумно-изолирующим силиконовым жиром с отличными изоляционными свойствами.

Фарфоровые изоляторы высоковольтных выключателей обычно изготавливаются из высокопрочных алюмосиликатных керамических материалов, которые обладают хорошей химической стабильностью, отличными изоляционными характеристиками и высокой механической прочностью. Производительность керамических изоляторов напрямую связана со сроком службы всего оборудования. Среди распространенных причин отказов наружных выключателей можно отметить трещины фланцев, деформацию и растрескивание фарфоровых изоляторов, расширение цемента, старение, коррозию и т.д. На одной из линий электропередачи 110 кВ произошло семь отказов выключателей, из которых 41% составляют отказы, связанные с растрескиванием фарфоровых изоляторов.

Ситуация с отказом

На подстанции 110 кВ произошел разрыв фарфорового изолятора фазы A 35-киловольтного выключателя. Часть фарфорового изолятора между третьей юбкой и нижним фланцем откололась и вылетела, внутренний изоляционный силиконовый жир вытек, что привело к остановке оборудования. При осмотре неисправного выключателя на месте было установлено, что непосредственной причиной отказа является реакция высоковольтного проводника внутри опорного фарфорового изолятора выключателя с фарфоровым изолятором, и высокотемпературная дуга, образованная при разряде, вызвала разрыв фарфорового изолятора и вытекание внутреннего изоляционного силиконового жира.

Анализ проб

Макроскопический осмотр

Для анализа были взяты две типичные пробы фарфорового изолятора, и результаты осмотра следующие:

Рисунок 2 показывает макроскопическую форму пробы 1, взятой на месте. На внутренней стенке фарфорового изолятора пробы видны большие области следов горения дуги. Вдоль участка примерно 50,89 мм поверхность разрыва фарфорового изолятора в основном серая, на некоторых участках поверхности есть следы копоти. Форма разрыва значительно отличается от других частей. Три части пробы 1 были осмотрены отдельно, как показано на рисунке 2b, 2c и 2d.

Как видно из рисунка 2b, глазурь на внутренней стенке пробы была прожжена и расплавлена, образуя множество ям различного размера. На кромке торца имеется гладкая поверхность, которая отличается от следов плавления глазури, указывая на отсутствие глазури или неравномерность материала. На рисунке 2c красная область у основания юбки имеет гладкую поверхность, твердую текстуру, множество маленьких отверстий на поверхности, задняя и нижняя части серовато-белого цвета.

Красный материал неравномерно распределен, поверхность неровная, местами наблюдается выпуклость, и край имеет явную черную границу с фарфоровым корпусом, что свидетельствует о том, что материал в этой области аномален. Рисунок 2d представляет собой увеличенное изображение нормальной области сечения юбки. Как видно из рисунка, на поверхности пробы множество маленьких отверстий, и самое большое отверстие имеет диаметр около 0,1 мм.

Рисунок 3 показывает макроскопический вид пробы 2#. На внутренней стенке пробы видны признаки местного горения дуги и неглазурованная область, как указано в частях 1 и 2 рисунка 3a. Заметно, что глазурь на месте горения дуги имеет множество пор, что является результатом плавления глазури под воздействием высоких температур. На внутренней стенке в месте 2 имеется углубление длиной около 17,92 мм и глубиной 2 мм. Цвет этой области соответствует цвету фарфорового корпуса, серовато-белый, что указывает на отсутствие глазури, представляя собой первоначальный технологический дефект.

Рисунок 3b показывает боковой макроскопический вид пробы 2#. Из рисунка видно, что часть боковой поверхности пробы имеет круглую и гладкую поверхность, контрастирующую с шероховатой нормальной поверхностью разрыва. Это указывает на то, что фарфоровый корпус в этой части непрерывен, что также является первоначальным технологическим дефектом.

Из результатов макроскопического осмотра проб можно сделать вывод, что неисправный фарфоровый изолятор имеет несколько первоначальных технологических дефектов, включая неравномерность материала, непрерывность фарфорового корпуса, неглазурованную поверхность и большое количество малых отверстий.

Анализ микроструктуры с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ)

СЭМ-анализ был проведен на образцах, взятых из нормального сечения, красной области, гладкой поверхности и внутренней поверхности разряда фарфорового изолятора. Сканирующие микроскопические изображения образцов представлены на рисунке 4.

Как показано на рисунке 4a, образец, взятый из нормального сечения фарфорового изолятора, имеет шероховатую поверхность с направленными текстурами разрушения. На нем равномерно распределено значительное количество пор, что указывает на то, что фарфор изолятора порист и имеет относительно низкую плотность.

Рисунок 4b показывает, что образец, взятый из красной области, также имеет множество пор. По сравнению с образцом нормального сечения, эти поры больше по размеру, менее плотно расположены, и плотность фарфора относительно выше. Это указывает на неравномерное спекание фарфорового материала внутри изолятора.

Как видно из рисунка 4c, образец с гладкой поверхностью также содержит большое количество пор, а также множество неровных ям, разбросанных по его поверхности. Тем не менее, общая поверхность выглядит относительно гладкой и плоской, что свидетельствует о том, что аномальные характеристики этого сечения существовали до разрушения.

Рисунок 4d показывает, что глазурь на поверхности, подвергшейся разряду, гладкая, но покрыта множеством пузырьков и ям. Эти особенности связаны с выбросом газов во время процесса плавления глазури, вызванного высокими температурами, возникшими при разряде.

Анализ микроструктуры с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ)

СЭМ-анализ был проведен на образцах, взятых из нормального сечения, красной области, гладкой поверхности и внутренней поверхности разряда фарфорового изолятора. Сканирующие микроскопические изображения образцов представлены на рисунке 4.

Как показано на рисунке 4a, образец, взятый из нормального сечения фарфорового изолятора, имеет шероховатую поверхность с направленными текстурами разрушения. На нем равномерно распределено значительное количество пор, что указывает на то, что фарфор изолятора порист и имеет относительно низкую плотность.

Рисунок 4b показывает, что образец, взятый из красной области, также имеет множество пор. По сравнению с образцом нормального сечения, эти поры больше по размеру, менее плотно расположены, и плотность фарфора относительно выше. Это указывает на неравномерное спекание фарфорового материала внутри изолятора.

Как видно из рисунка 4c, образец с гладкой поверхностью также содержит большое количество пор, а также множество неровных ям, разбросанных по его поверхности. Тем не менее, общая поверхность выглядит относительно гладкой и плоской, что свидетельствует о том, что аномальные характеристики этого сечения существовали до разрушения.

Рисунок 4d показывает, что глазурь на поверхности, подвергшейся разряду, гладкая, но покрыта множеством пузырьков и ям. Эти особенности связаны с выбросом газов во время процесса плавления глазури, вызванного высокими температурами, возникшими при разряде.

На основе анализа СЭМ микроструктуры можно сделать вывод, что фарфоровый изолятор имеет врожденные дефекты, такие как слабая структура фарфора, низкая плотность и аномальные сечения.

Энергодисперсионный анализ

Как описано выше, энергодисперсионный анализ был проведен на элементах поверхности и их распределении в четырех различных местах образца. Рисунок 5 иллюстрирует подробный пример диаграммы распределения элементов на поверхности. Элементы на поверхности образцов, взятых из нормального сечения, гладкой поверхности и части разряда фарфорового изолятора, в основном состоят из кислорода (O), кремния (Si) и алюминия (Al).

В целом, распределение элементов на поверхности этих образцов относительно равномерное. Однако распределение элементов на поверхности образца, взятого из красной области, неравномерное. В правой нижней части этого образца содержание кислорода (O), алюминия (Al) и калия (K) значительно увеличивается, тогда как распределение элементов кремния (Si) остается относительно постоянным. Это указывает на то, что во время процесса спекания в этом регионе распределение элементов O, Al и K было неравномерным.

Также было проведено сравнение основного содержания элементов четырех образцов, и результаты представлены в таблице 1. Содержание кислорода (O) на поверхности образца нормального сечения заметно выше, чем у других трех образцов, тогда как содержание кремния (Si) ниже. Это свидетельствует о том, что состав материала неравномерно варьируется в разных частях образца фарфорового изолятора.

Образцы, взятые из красной области, имеют относительно высокое содержание кремния (Si) и самое низкое содержание кислорода (O). Кроме того, на поверхности внутренней части разряда фарфорового изолятора обнаружено значительное количество меди (Cu). Это связано с плавлением и испарением бронзы внутри фарфорового изолятора при высоких температурах во время разряда, за которым следует распыление и осаждение на внутреннюю поверхность фарфорового изолятора.

Сканирующее распределение элементов поверхности образцов

На основе энергодисперсионного анализа можно с уверенностью заключить, что во время процесса спекания фарфорового изолятора распределение различных элементов сильно неравномерно. Эта неравномерность прямо указывает на то, что материалы различных секций внутри фарфорового изолятора имеют значительные различия.

Заключение и рекомендации

Заключение

На основе макроскопического осмотра, анализа микроструктуры СЭМ и энергодисперсионного анализа было установлено, что фарфоровый изолятор имеет характеристики, такие как относительно слабая структура, внутреннее расслоение, неравномерный состав и наличие микропор. Кроме того, на внутренней поверхности фарфорового изолятора присутствуют врожденные дефекты, включая местное отсутствие глазури и низкое качество производственного процесса.

Из-за этих макро- и микродефектов фарфорового изолятора, в течение длительного времени работы на открытом воздухе, внешняя влага и газы постепенно проникают в изолятор. Это приводит к ухудшению изоляционных свойств фарфорового изолятора. Под воздействием электрического поля происходит разряд между внутренним проводником и слабыми областями фарфорового изолятора. Разряд создает локальные высокие температуры внутри фарфорового изолятора и ухудшает характеристики изоляционного силиконового жира. В конечном итоге, под действием внутреннего давления, фарфоровый изолятор разрывается.

Рекомендации

• Производителям фарфоровых изоляторов следует усилить контроль качества во время процесса обжига фарфоровых изоляторов, чтобы обеспечить последовательное и высокое качество выпускаемой продукции.

• Необходимо принять соответствующие защитные меры при транспортировке фарфоровых изоляторов. Это важно для предотвращения серьезных вибраций или столкновений, которые могут повредить фарфоровые изоляторы.

• Пользователи продукции должны усилить контроль качества выборочных проб фарфоровых изоляторов входящего оборудования. Это гарантирует, что качество хранимого оборудования соответствует требуемым стандартам.

• Необходимо внимательно следить за состоянием работы партии оборудования. В частности, для оборудования с уже имеющимися утечками силиконового жира или трещинами фарфоровых изоляторов, необходимо своевременно проводить плановые отключения для технического обслуживания и контроля дефектов, чтобы избежать потенциальных отказов и обеспечить безопасную и надежную работу электроэнергетической системы.