การวิเคราะห์ความผิดพลาดของตู้ป้องกันไฟฟ้าแรงสูง 35kV ที่ใช้สวิตช์วงจรไฟฟ้าแบบสุญญากาศภายนอกและปลอกเซรามิก

ZW7 - 40.5 เป็นวงจรตัดไฟภายนอกที่ใช้วาคัมเป็นสื่อในการดับอาร์กไฟฟ้า ปลายเคลื่อนของห้องดับอาร์กไฟฟ้าเชื่อมต่อกับเพลาขับของกลไกการทำงานผ่านแขนกระบอกและแท่งฉนวน โครงสร้างโดยรวมของวงจรตัดไฟเป็นแบบเสาชุบพอร์ซเลน

ชุบพอร์ซเลนบนสุดทำหน้าที่เป็นชุบพอร์ซเลนของห้องดับอาร์กไฟฟ้า ในขณะที่ชุบพอร์ซเลนล่างทำหน้าที่รองรับ ชุบพอร์ซเลนสามเฟสติดตั้งบนกรอบ และหม้อแปลงกระแสสามเฟสติดตั้งภายในชุบพอร์ซเลนรองรับล่างและเชื่อมต่อกับวงจรหลักของวงจรตัดไฟ (ดังแสดงในภาพที่ 1) ทั้งชุบพอร์ซเลนบนและล่างเติมสารฉนวนซิลิโคนที่มีสมบัติฉนวนที่ดีอยู่ภายใน

ชุบพอร์ซเลนของวงจรตัดไฟแรงสูงมักผลิตจากเซรามิกอะลูมินาที่มีความแข็งแรง มีความเสถียรทางเคมี การฉนวนที่ดี และความแข็งแรงทางกลที่สูง ประสิทธิภาพของชุบพอร์ซเลนส่งผลโดยตรงต่ออายุการใช้งานของอุปกรณ์ทั้งหมด สาเหตุการชำรุดที่พบบ่อยของวงจรตัดไฟภายนอกประกอบด้วยการแตกของฝาครอบ ชุบพอร์ซเลนเสียรูปหรือแตก การขยายตัวของซีเมนต์ การเสื่อมสภาพ และการเกิดสนิม เป็นต้น ในสายส่งไฟฟ้า 110kV บางแห่ง มีการชำรุดของวงจรตัดไฟเกิดขึ้น 7 ครั้ง โดยที่การชำรุดจากการแตกของชุบพอร์ซเลนคิดเป็น 41%

สถานการณ์ความผิดปกติ

ที่สถานีไฟฟ้า 110kV ชุบพอร์ซเลนเฟส A ของวงจรตัดไฟ 35kV ได้แตก ส่วนของชุบพอร์ซเลนระหว่างชั้นที่สามและฝาครอบล่างหลุดออกและพุ่งออกไป ทำให้สารฉนวนซิลิโคนภายในไหลออก ทำให้อุปกรณ์ต้องหยุดทำงาน การตรวจสอบวงจรตัดไฟที่ชำรุดที่ไซต์พบว่าสาเหตุโดยตรงของการชำรุดคือคอนดักเตอร์แรงสูงภายในชุบพอร์ซเลนรองรับของวงจรตัดไฟได้ปฏิกิริยากับชุบพอร์ซเลน และอาร์กไฟฟ้าที่เกิดจากความร้อนสูงจากการปล่อยประจุทำให้ชุบพอร์ซเลนแตกและสารฉนวนซิลิโคนภายในไหลออก

การวิเคราะห์ตัวอย่าง

การตรวจสอบด้วยตาเปล่า

ได้ทำการสุ่มตัวอย่างชุบพอร์ซเลนสองตัวอย่างที่เป็นตัวอย่างที่สำคัญ ผลการตรวจสอบดังนี้:

ภาพที่ 2 แสดงรูปร่างที่มองเห็นได้ของตัวอย่างที่ 1 ที่เก็บมาจากระบบที่เกิดเหตุ บนผนังภายในของชุบพอร์ซเลนมีร่องรอยการไหม้ด้วยอาร์กไฟฟ้าที่กว้างขวาง ตามส่วนที่ยาวประมาณ 50.89 มม. ผิวแตกของชุบพอร์ซเลนส่วนใหญ่เป็นสีเทา และมีเถ้าสะสมบนผิวบางส่วน รูปร่างของส่วนนี้แตกต่างอย่างมากจากส่วนอื่น ๆ ได้มีการตรวจสอบส่วนต่าง ๆ ของตัวอย่างที่ 1 แยกกัน ดังแสดงในภาพที่ 2b, 2c, และ 2d

จากภาพที่ 2b สามารถเห็นได้ว่าผิวเคลือบภายในของตัวอย่างถูกเผาไหม้และละลาย ทำให้เกิดหลุมขนาดต่าง ๆ มากมาย ที่ขอบปลายด้านหนึ่งมีผิวเรียบ ซึ่งแตกต่างจากหลุมที่เกิดจากการละลายของผิวเคลือบ แสดงว่าไม่มีผิวเคลือบหรือวัสดุไม่สม่ำเสมอ ในภาพที่ 2c บริเวณที่เป็นสีแดงที่ฐานของชั้นรองมีผิวเรียบ เนื้อแข็ง มีหลุมเล็ก ๆ กระจายอยู่บนผิว ด้านหลังและด้านล่างเป็นสีเทาขาว

วัสดุสีแดงกระจายไม่สม่ำเสมอ ผิวไม่เรียบ มีเนินสูงขึ้นเล็กน้อย และขอบมีเส้นแบ่งสีดำชัดเจนกับเนื้อพอร์ซเลน แสดงว่าวัสดุในบริเวณนี้ผิดปกติ ภาพที่ 2d เป็นภาพขยายของส่วนที่ปกติของชั้นรอง สามารถเห็นได้ว่าบนผิวของตัวอย่างมีหลุมเล็ก ๆ มากมาย หลุมที่ใหญ่ที่สุดมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 0.1 มม.

ภาพที่ 3 แสดงรูปร่างที่มองเห็นได้ของตัวอย่างที่ 2 บนผนังภายในของตัวอย่างมีร่องรอยการไหม้ด้วยอาร์กไฟฟ้าและพื้นที่ที่ไม่มีผิวเคลือบ ตามที่ระบุในส่วน 1 และ 2 ของภาพที่ 3a ที่บริเวณที่ไหม้ด้วยอาร์กไฟฟ้ามีรูพรุนมากมาย เนื่องจากการละลายของผิวเคลือบหลังจากการเผาไหม้ด้วยความร้อนสูง ที่บริเวณที่ 2 บนผนังภายในมีหลุมลึกประมาณ 17.92 มม. และลึก 2 มม. สีของบริเวณนี้เหมือนกับสีของเนื้อพอร์ซเลน คือสีเทาขาว แสดงว่าผิวไม่มีการเคลือบ ซึ่งเป็นข้อบกพร่องจากกระบวนการผลิต

ภาพที่ 3b แสดงรูปร่างที่มองเห็นได้ของด้านข้างของตัวอย่างที่ 2 จากภาพจะเห็นว่าส่วนหนึ่งของด้านข้างของตัวอย่างมีผิวโค้งและเรียบ ต่างจากผิวแตกที่ปกติ แสดงว่าเนื้อพอร์ซเลนในส่วนนี้ไม่ต่อเนื่อง ซึ่งเป็นข้อบกพร่องจากกระบวนการผลิต

จากผลการตรวจสอบด้วยตาเปล่าของตัวอย่าง สามารถสรุปได้ว่าชุบพอร์ซเลนที่ชำรุดมีข้อบกพร่องจากกระบวนการผลิตหลายอย่าง เช่น วัสดุไม่สม่ำเสมอ เนื้อพอร์ซเลนไม่ต่อเนื่อง ผิวไม่มีการเคลือบ และมีหลุมเล็ก ๆ จำนวนมาก

การวิเคราะห์รูปร่างไมโครสโคปด้วยอิเล็กตรอนสแกน (SEM)

ได้ทำการวิเคราะห์ตัวอย่างจากส่วนที่ปกติ พื้นที่สีแดง พื้นที่ผิวเรียบ และผิวด้านในที่เกิดการปล่อยประจุของชุบพอร์ซเลน ภาพไมโครสโคปจากการสแกนของตัวอย่างแสดงในภาพที่ 4

ตามที่แสดงในภาพที่ 4a ตัวอย่างจากส่วนที่ปกติของชุบพอร์ซเลนมีผิวที่หยาบและมีลักษณะการแตกที่มีทิศทาง รูพรุนกระจายอย่างสม่ำเสมอ แสดงว่าชุบพอร์ซเลนมีโครงสร้างพรุนและมีความหนาแน่นต่ำ

ภาพที่ 4b แสดงว่าตัวอย่างจากพื้นที่สีแดงมีรูพรุนมากมาย เมื่อเทียบกับตัวอย่างจากส่วนที่ปกติ รูพรุนเหล่านี้มีขนาดใหญ่กว่า กระจายอยู่น้อยกว่า และความหนาแน่นของพอร์ซเลนสูงกว่า แสดงว่าวัสดุพอร์ซเลนภายในชุบพอร์ซเลนไม่ได้เผาอย่างสม่ำเสมอ

จากภาพที่ 4c สามารถเห็นได้ว่าตัวอย่างที่ผิวเรียบมีรูพรุนจำนวนมากและมีหลุมไม่สม่ำเสมอกระจายอยู่บนผิว แม้ว่าผิวโดยรวมจะเรียบและเรียบ แต่ลักษณะผิดปกติของส่วนนี้มีอยู่ก่อนที่จะเกิดการแตก

ภาพที่ 4d แสดงว่าผิวเคลือบบนผิวด้านในที่เกิดการปล่อยประจุมีผิวเรียบแต่มีฟองอากาศและหลุมมากมาย ลักษณะเหล่านี้เกิดจากการปล่อยก๊าซระหว่างการละลายของผิวเคลือบ ซึ่งถูกกระตุ้นโดยความร้อนสูงที่เกิดจากการปล่อยประจุ

การวิเคราะห์รูปร่างไมโครสโคปด้วยอิเล็กตรอนสแกน (SEM)

ได้ทำการวิเคราะห์ตัวอย่างจากส่วนที่ปกติ พื้นที่สีแดง พื้นที่ผิวเรียบ และผิวด้านในที่เกิดการปล่อยประจุของชุบพอร์ซเลน ภาพไมโครสโคปจากการสแกนของตัวอย่างแสดงในภาพที่ 4

ตามที่แสดงในภาพที่ 4a ตัวอย่างจากส่วนที่ปกติของชุบพอร์ซเลนมีผิวที่หยาบและมีลักษณะการแตกที่มีทิศทาง รูพรุนกระจายอย่างสม่ำเสมอ แสดงว่าชุบพอร์ซเลนมีโครงสร้างพรุนและมีความหนาแน่นต่ำ

ภาพที่ 4b แสดงว่าตัวอย่างจากพื้นที่สีแดงมีรูพรุนมากมาย เมื่อเทียบกับตัวอย่างจากส่วนที่ปกติ รูพรุนเหล่านี้มีขนาดใหญ่กว่า กระจายอยู่น้อยกว่า และความหนาแน่นของพอร์ซเลนสูงกว่า แสดงว่าวัสดุพอร์ซเลนภายในชุบพอร์ซเลนไม่ได้เผาอย่างสม่ำเสมอ

จากภาพที่ 4c สามารถเห็นได้ว่าตัวอย่างที่ผิวเรียบมีรูพรุนจำนวนมากและมีหลุมไม่สม่ำเสมอกระจายอยู่บนผิว แม้ว่าผิวโดยรวมจะเรียบและเรียบ แต่ลักษณะผิดปกติของส่วนนี้มีอยู่ก่อนที่จะเกิดการแตก

ภาพที่ 4d แสดงว่าผิวเคลือบบนผิวด้านในที่เกิดการปล่อยประจุมีผิวเรียบแต่มีฟองอากาศและหลุมมากมาย ลักษณะเหล่านี้เกิดจากการปล่อยก๊าซระหว่างการละลายของผิวเคลือบ ซึ่งถูกกระตุ้นโดยความร้อนสูงที่เกิดจากการปล่อยประจุ

จากการวิเคราะห์รูปร่างไมโครสโคปด้วยอิเล็กตรอนสแกน สามารถสรุปได้ว่าชุบพอร์ซเลนมีข้อบกพร่องที่มีอยู่แล้ว เช่น โครงสร้างพอร์ซเลนคลาย ความหนาแน่นต่ำ และส่วนตัดที่ผิดปกติ

การวิเคราะห์สเปกตรัมพลังงาน

ตามที่อธิบายไว้ ได้ทำการวิเคราะห์สเปกตรัมพลังงานบนธาตุและรูปแบบการกระจายธาตุที่สี่ตำแหน่งต่าง ๆ ของตัวอย่าง ภาพที่ 5 แสดงแผนผังการกระจายธาตุบนผิว ธาตุบนผิวของตัวอย่างจากส่วนที่ปกติ ผิวเรียบ และส่วนที่เกิดการปล่อยประจุของชุบพอร์ซเลนส่วนใหญ่ประกอบด้วยออกซิเจน (O) ซิลิคอน (Si) และอะลูมิเนียม (Al)

โดยรวมแล้ว การกระจายธาตุบนผิวของตัวอย่างเหล่านี้ค่อนข้างสม่ำเสมอ แต่การกระจายธาตุบนผิวของตัวอย่างจากพื้นที่สีแดงไม่สม่ำเสมอ ในส่วนล่างขวาของตัวอย่างนี้ ปริมาณของออกซิเจน (O) อะลูมิเนียม (Al) และโพแทสเซียม (K) เพิ่มขึ้นอย่างมาก ในขณะที่การกระจายของธาตุซิลิคอน (Si) ยังคงสม่ำเสมอ แสดงว่าระหว่างกระบวนการเผาในส่วนนี้ การกระจายของธาตุ O, Al, และ K ไม่ได้สม่ำเสมอ

นอกจากนี้ ได้ทำการเปรียบเทียบปริมาณธาตุหลักของตัวอย่างทั้งสี่ และผลลัพธ์แสดงในตารางที่ 1 ปริมาณของธาตุออกซิเจน (O) บนผิวของตัวอย่างจากส่วนที่ปกติสูงกว่าตัวอย่างอื่น ๆ แต่ปริมาณของธาตุซิลิคอน (Si) ต่ำกว่า แสดงว่าส่วนผสมของวัสดุแตกต่างกันในส่วนต่าง ๆ ของตัวอย่างชุบพอร์ซเลน

ตัวอย่างจากพื้นที่สีแดงมีปริมาณธาตุซิลิคอน (Si) สูงและปริมาณธาตุออกซิเจน (O) ต่ำ นอกจากนี้ ยังตรวจพบปริมาณทองแดง (Cu) ที่สำคัญบนผิวด้านในที่เกิดการปล่อยประจุของชุบพอร์ซเลน ซึ่งเกิดจากการหลอมละลายและการระเหิดของบรอนซ์ภายในชุบพอร์ซเลนในภาวะความร้อนสูงระหว่างการปล่อยประจุ แล้วถูกสเปอร์และสะสมบนผิวด้านในของชุบพอร์ซเลน

การกระจายธาตุบนผิวของตัวอย่าง

จากผลการวิเคราะห์สเปกตรัมพลังงาน สามารถสรุปได้ว่าระหว่างกระบวนการเผาของชุบพอร์ซเลน การกระจายของธาตุต่าง ๆ ไม่ได้สม่ำเสมอ ความไม่สม่ำเสมอนี้หมายความว่าวัสดุในส่วนต่าง ๆ ของชุบพอร์ซเลนมีความแตกต่างอย่างมาก

สรุปและข้อเสนอแนะ

สรุป

จากการตรวจสอบด้วยตาเปล่า การวิเคราะห์รูปร่างไมโครสโคปด้วยอิเล็กตรอนสแกน และการวิเคราะห์สเปกตรัมพลังงาน พบว่าชุบพอร์ซเลนมีลักษณะโครงสร้างคลาย การแยกชั้นภายใน การกระจายธาตุไม่สม่ำเสมอ และมีรูพรุนขนาดเล็ก นอกจากนี้ ยังมีข้อบกพร่องที่ผิวด้านในของชุบพอร์ซเลน เช่น พื้นที่ที่ไม่มีการเคลือบและคุณภาพการผลิตที่ไม่ดี

เนื่องจากข้อบกพร่องทั้งในระดับแมโครและไมโครของชุบพอร์ซเลน ระหว่างการทำงานระยะยาวในสภาพภายนอก ความชื้นและก๊าซภายนอกค่อย ๆ ซึมเข้าไปในชุบพอร์ซเลน ทำให้สมบัติการฉนวนของชุบพอร์ซเลนลดลง ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า จะเกิดการปล่อยประจุระหว่างคอนดักเตอร์ภายในกับส่วนที่อ่อนแอของชุบพอร์ซเลน การปล่อยประจุทำให้เกิดความร้อนสูงภายในชุบพอร์ซเลนและทำให้สมบัติของสารฉนวนซิลิโคนแย่ลง สุดท้าย ภายใต้แรงดันภายใน ชุบพอร์ซเลนจะแตก

ข้อเสนอแนะ

• ผู้ผลิตชุบพอร์ซเลนควรเพิ่มการควบคุมคุณภาพระหว่างกระบวนการเผาชุบพอร์ซเลน เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีคุณภาพสม่ำเสมอและสูง

• ต้องมีมาตรการป้องกันที่เหมาะสมระหว่างการขนส่งผลิตภัณฑ์ชุบพอร์ซเลน เพื่อป้องกันการสั่นสะเทือนหรือการกระทบกระแทกที่อาจทำให้ชุบพอร์ซเลนเสียหาย

• ผู้ใช้ผลิตภัณฑ์ควรเพิ่มการตรวจสอบตัวอย่างคุณภาพของชุบพอร์ซเลนของอุปกรณ์ที่เข้ามา เพื่อให้แน่ใจว่าคุณภาพของอุปกรณ์ที่จัดเก็บสอดคล้องกับมาตรฐานที่กำหนด

• ควรให้ความสนใจอย่างใกล้ชิดกับสถานะการทำงานของกลุ่มอุปกรณ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์ที่มีการรั่วไหลของสารฉนวนซิลิโคนหรือชุบพอร์ซเลนแตก ควรดำเนินการบำรุงรักษาและตรวจสอบข้อบกพร่องทันท่วงที เพื่อป้องกันความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นและรับประกันการทำงานที่ปลอดภัยและเชื่อถือได้ของระบบไฟฟ้า