Analiza napak 35kV zunanjega vakuumnega preklopnika stolpične porcelanske rukave

Preklopnik ZW7 - 40.5 za odprto okolje uporablja vakuum kot sredstvo za ugasanje lok. Gibalni konec komore za ugasanje loka je povezan s hodičem pogonskega mehanizma preko štirice in izolacijskega čevlja. Splošna struktura preklopnika je tipa porcelanska cev.

Zgornja porcelanska cev služi kot porcelanska cev komore za ugasanje loka, spodnja pa kot podporni porcelanski cev. Tri faze porcelanskih cevi so nameščene na okvir, notranji transformatorji tokov so postavljeni znotraj spodnjih podpornih porcelanskih cevi in povezani s glavnim tokom preklopnika (kot prikazano na Sliki 1). Obema porcelanskima cevima sta napolnjeni z vakuumsko izolirno silikonsko maščobno maso z odličnimi izolacijskimi lastnostmi.

Porcelanske cevi visokonapetostnih preklopnikov so običajno izdelane iz visoko trdne aluminij oksidne keramike, ki ima dobro kemijsko stabilnost, odlične izolacijske lastnosti in visoko mehansko trdnost. Delovanje keramičnih cevi je neposredno povezano s življenjskim časom celotne opreme. Pogosti vzroki za nezadovoljive stanje zunanjih preklopnikov vključujejo razdiranje flanž, deformacijo in razdiranje porcelanskih cevi, širjenje cementa, staranje, roženje itd. V določeni 110kV prenosni liniji se je zgodilo sedem odpovedi preklopnikov, med katerimi odpovedi zaradi razdiranja porcelanskih cevi predstavljajo 41%.

Stanje odpovedi

V 110kV podnapelju je prasknila A-fazna porcelanska cev 35kV preklopnika. Del porcelanske cevi med tretjo ogrado in spodnjo flanžo se je odtrnil in odletel, notranja izolacijska silikonska maščobna masa pa je utekla, kar je prisililo opremo v ustavitev. Pri nadzoru odpovednega preklopnika na mestu je bilo ugotovljeno, da je neposredni vzrok odpovedi bil reakcija visokonapetostnega vodiča znotraj podporne porcelanske cevi preklopnika s porcelansko cevjo, kjer je visokotemperaturni lok, nastali zaradi razpada, povzročil praskanje porcelanske cevi in pretok notranje izolacijske silikonske maščobne mase.

Vzorčna analiza

Makroskopska pregledava

Dva tipična vzorca sta bila pridobljena z vzorčenjem porcelanske cevi, rezultati pregledave pa so naslednji:

Slika 2 prikazuje makroskopsko morfologijo vzorca 1, zajetega na mestu. Na notranji steni porcelanske cevi vzorca so vidne velike površine zgorelosti loka. Vse duž približno 50,89 mm dolgega prereza je večina prereza porcelanske cevi siva, na površini nekaterih območij pa so depositi drinja. Morfologija prereza je bistveno drugačna od ostalih delov. Tri dele vzorca 1 so bili pregledani ločeno, kot je prikazano na Slikah 2b, 2c in 2d.

Kot je vidno na Sliki 2b, je lonca na notranji steni vzorca bila izgorjena in stopljena, s tem so nastali mnogi jami različnih velikosti. Na robu končne ploskve je gladka površina, ki se razlikuje od sledi stopljenega lonca, kar kaže na odsotnost lonca ali neravnomerno sestavo materiala. Na Sliki 2c je rdeča območje na korenju ograde z gladko površino, tvrdim teksturo, mnogo majhnih luknji na površini, zadaj in na dnu pa je sivo bela.

Rdeči material ni ravnomerno porazen, površina je neravna, obstaja lokalni izboj, rob pa ima očiten črni meja z telom porcelana, kar kaže, da je material v tem območju nenormalen. Slika 2d je lokalno povečana slika normalnega območja prereza ograje. Kot je vidno na sliki, je na površini vzorca mnogo majhnih luknji, največja luknja pa meri približno 0,1 mm.

Slika 3 prikazuje makroskopsko videz vzorca 2#. Na notranji steni vzorca so vidni znaki lokalne zgorelosti loka in območje brez lonca, kot je označeno na delih 1 in 2 Slike 3a. Opazno je, da lonca na mestu zgorelosti loka vsebuje veliko por, ki so posledica stopljenja lonca zaradi višje temperature. Na mestu 2 na notranji steni je približno 17,92 mm dolgo in 2 mm globoko zapadlo območje. Barva tega območja se ujema s barvo tela porcelana, ki je sivo bela, kar nakazuje, da je površina brez lonca, to pa je originalni procesni defekt.

Slika 3b prikazuje makroskopsko morfologijo stranske strani vzorca 2#. Kot je vidno na sliki, ima en del stranske strani vzorca kroglo in gladko površino, ki se razlikuje od hrbeče normalne prerezne površine. To kaže, da je telo porcelana v tem delu neravnomerno, kar je še en originalni procesni defekt.

Iz rezultatov makroskopske pregledave vzorcev lahko zaključimo, da ima odpovedna porcelanska cev več originalnih procesnih defektov, vključno z neravnomernim materialom, neravnomernim telesom porcelana, površino brez lonca in veliko majhnih luknji.

Analiza mikroskopske morfologije s skenirno elektronsko mikroskopijo (SEM)

Na vzorceh iz normalnega prereza, rdečega območja, gladkega območja in notranje razpada porcelanske cevi je bila izvedena analiza SEM. Skenirne mikroskopske slike vzorcev so prikazane na Sliki 4.

Kot je prikazano na Sliki 4a, vzorec iz normalnega prereza porcelanske cevi prikazuje hrboče površino s smernimi prereznimi teksturami. Številne lukenje so ravnomerno porazene po njem, kar nakazuje, da je porcelan cevi porozna in ima relativno nizko gostoto.

Slika 4b razkriva, da vzorec iz rdečega območja tudi vsebuje veliko luknji. V primerjavi s vzorcem iz normalnega prereza so te luknje večje, manj gosto porazene in porcelan ima relativno višjo gostoto. To kaže na neravnomerno pečenje porcelanskega materiala znotraj cevi.

Iz Slike 4c je vidno, da vzorec z gladko površino tudi vsebuje veliko luknji, skupaj s številnimi neravnomernimi jami, razpršenimi po površini. Kljub temu je celotna površina relativno gladka in raven, kar nakazuje, da so abnormalne značilnosti tega prereza obstajale že pred prerezom.

Slika 4d prikazuje, da je lonca na površini, kjer je došlo do razpada, gladka, toda povišana z veliko mehurčkov in luknji. Te značilnosti so posledica izpuščanja plinov med procesom stopljenja lonca, ki je bil sprožen zaradi visokih temperatur, nastalih med dogodkom razpada.

Analiza mikroskopske morfologije s skenirno elektronsko mikroskopijo (SEM)

Na vzorceh iz normalnega prereza, rdečega območja, gladkega območja in notranje razpada porcelanske cevi je bila izvedena analiza SEM. Skenirne mikroskopske slike vzorcev so prikazane na Sliki 4.

Kot je prikazano na Sliki 4a, vzorec iz normalnega prereza porcelanske cevi prikazuje hrboče površino s smernimi prereznimi teksturami. Številne lukenje so ravnomerno porazene po njem, kar nakazuje, da je porcelan cevi porozna in ima relativno nizko gostoto.

Slika 4b razkriva, da vzorec iz rdečega območja tudi vsebuje veliko luknji. V primerjavi s vzorcem iz normalnega prereza so te luknje večje, manj gosto porazene in porcelan ima relativno višjo gostoto. To kaže na neravnomerno pečenje porcelanskega materiala znotraj cevi.

Iz Slike 4c je vidno, da vzorec z gladko površino tudi vsebuje veliko luknji, skupaj s številnimi neravnomernimi jami, razpršenimi po površini. Kljub temu je celotna površina relativno gladka in raven, kar nakazuje, da so abnormalne značilnosti tega prereza obstajale že pred prerezom.

Slika 4d prikazuje, da je lonca na površini, kjer je došlo do razpada, gladka, toda povišana z veliko mehurčkov in luknji. Te značilnosti so posledica izpuščanja plinov med procesom stopljenja lonca, ki je bil sprožen zaradi visokih temperatur, nastalih med dogodkom razpada.

S skenirno mikromorfološko analizo je mogoče zaključiti, da ima porcelanska cev vgrajene defekte, kot so slaba struktura porcelana, nizka gostota in abnormalni prerezi.

Spektrometrijska analiza energije

Kot je opisano zgoraj, je bila spektrometrijska analiza energije izvedena na površinskih elementih in njihovi porazdelitvi na štirih različnih lokacijah vzorca. Slika 5 prikazuje podrobnejši primer diagrama porazdelitve površinskih elementov. Elementi na površini vzorcev iz normalnega prereza, gladke površine in dela razpada porcelanske cevi predvsem sestavljajo kiselek (O), kiselik (Si) in glin (Al).

Splošno je porazdelitev elementov na površini teh vzorcev relativno enakomerna. Vendar pa je porazdelitev elementov na površini vzorca iz rdečega območja neravnomerna. V desno-spodnjem delu tega vzorca se količina kislika (O), glina (Al) in kalija (K) zelo poveča, medtem ko ostane porazdelitev elementov kisika (Si) relativno enakomerna. To kaže, da med pečenjem tega območja ni bila porazdelitev elementov O, Al in K enakomerna.

Hkrati je bila opravljena primerjava glavnih elementov vseh štirih vzorcev, rezultati pa so prikazani v Tabeli 1. Količina elementa kisika (O) na površini vzorca iz normalnega prereza je bistveno višja kot pri ostalih treh vzorcih, medtem ko je količina elementa kisika (Si) nižja. To nakazuje, da se sestava materiala med različnimi deli vzorca porcelanske cevi razlikuje neravnomerno.

Vzorci iz rdečega območja imajo relativno visoko vsebnost kisika (Si) in najnižjo vsebnost kisika (O). Dodatno je na površini notranjega dela razpada porcelanske cevi zaznana značilna količina bakra (Cu). To je posledica topnjenja in parjenja bronasta v notranjosti porcelanske cevi pri visokih temperaturah med dogodkom razpada, sledil pa je štirpanje in depozicija na notranjo površino porcelanske cevi.

Skeniranje porazdelitve površinskih elementov vzorcev

Na podlagi spektrometrijske analize energije je možno trdno zaključiti, da je med pečenjem porcelanske cevi porazdelitev različnih elementov zelo neravnomerna. Ta neravnomernost neposredno nakazuje, da materiali različnih delov znotraj porcelanske cevi kažejo značilne razlike.

Zaključek in priporočila

Zaključek

S pomočjo makroskopske pregledave, SEM mikromorfološke analize in spektrometrijske analize energije je bilo določeno, da porcelanska cev kaže značilnosti, kot so relativno slaba struktura, notranja slojevanje, neravnomerna sestava in prisotnost mikroluknji. Poleg tega obstajajo tudi vgrajeni defekti na notranji površini porcelanske cevi, vključno z lokalnimi območji brez lonca in podstandardno kakovostjo proizvodnega procesa.

Zaradi teh makroskopskih in mikroskopskih defektov porcelanske cevi se med dolgoročno delovanjem na odprtem prostoru vanjska vlaga in plini postopoma penetrirajo v cev. Ta penetracija vodi k degradaciji izolacijskih lastnosti porcelanske cevi. Pod vplivom električnega polja se v notranjem vodiču in šibkih delih porcelanske cevi pojavlja električni razpad. Razpad generira lokalno visoke temperature znotraj porcelanske cevi in poslabša delovanje izolacijske silikonske maščobne mase. Končno, pod dejstvom notranjega tlaka, praskne porcelanska cev.

Priporočila

• Proizvajalcem porcelanskih cevi bi morali okrepiti nadzor kakovosti med pečenjem porcelanskih cevi, da bi zagotovili konzistentno in visokokakovostno izdelavo produktov.

• Med prevozom porcelanskih cevi je potrebno uvesti ustrezne zaščitne ukrepe. To je ključno, da se preprečijo resne vibracije ali trčenja, ki bi lahko poškodovali porcelanske cevi.

• Uporabnikom izdelkov bi bilo priporočljivo okrepiti vzorčno pregledovanje kakovosti porcelanskih cevi prihajajočih oprem. Ta praksa zagotavlja, da kakovost skladiščene opreme ustreza zahtevanim standardom.

• Treba je tesno spremljati delovno stanje skupine opreme. Zlasti za opremo, kjer je zaznana utrdba silikonske maščobne mase ali razdiranje porcelanske cevi, bi bilo treba hitro izvesti odpiranje napetosti, vzdrževanje in iskanje pomankljivosti, da se preprečijo morebitne odpovedi in zagotovi varno in zanesljivo delovanje električnega sistema.