Аналіз вад 35 кВ зовнішнього вакуумного вимикача на стовпі з фарфорової гільзи

Вакуумний вимикач ZW7 - 40.5 для зовнішнього використання використовує вакуум як середовище для гасіння дуги. Рухомий кінець камери гасіння дуги з'єднаний з вихідним валом механізму управління за допомогою кривошипа та ізоляційного стержня. Загальна конструкція вимикача є типу стовпова підставка з фарфоровими изоляторами.

Верхній фарфоровий изолятор служить як фарфоровий изолятор камери гасіння дуги, а нижній — як опорний фарфоровий изолятор. Трифазні фарфорові изолятори встановлені на рамі, а трифазні трансформатори струму монтується всередині нижніх опорних фарфорових изоляторів та з'єднуються з головною схемою вимикача (як показано на рисунку 1). Як верхні, так і нижні фарфорові изолятори заповнені вакуумно-ізоляційним силиконовим жиром з відмінними ізоляційними властивостями.

Фарфорові изолятори високовольтних вимикачів зазвичай виготовляються з високопрочного оксиду алюмінію, який має хорошу хімічну стабільність, відмінні ізоляційні властивості та високу механічну міцність. Виконання керамічних изоляторів прямо пов'язане з терміном служби всього обладнання. Спроби зовнішніх вимикачів часто включають тріщини фланців, деформацію та тріщини фарфорових изоляторів, розширення цементу, старіння, корозію тощо. На певному 110 кВ лінії передачі відбулося сім аварій вимикачів, з яких аварії тріщин фарфорових изоляторів становлять 41%.

Ситуація з несправностями

У підстанції 110 кВ фарфорова рукавичка фази A 35-кВ вимикача вибухнула. Частина фарфорової рукавички між третьою шишкою та нижнім фланцем відкололася і вилетіла, внутрішній ізоляційний силиконовий жир втек, що змусило обладнання зупинитися. При на місцевому огляді несправного вимикача було встановлено, що безпосередньою причиною аварії є реакція високовольтного провідника всередині опорного фарфорового изолятора вимикача з фарфоровим изолятором, при якій високотемпературна дуга, утворена при розряді, спричинила вибух фарфорового изолятора та витікання внутрішнього ізоляційного силиконового жиру.

Аналіз проб

Макроскопічний огляд

Дві типові зразки були отримані шляхом взяття проб фарфорового изолятора, результати огляду наступні:

Рисунок 2 показує макроскопічну морфологію зразка 1, взятого на місці. На внутрішній поверхні фарфорового изолятора зразка є велика область слідів горіння дуги. На відрізку довжиною приблизно 50,89 мм поверхня розриву фарфорового изолятора переважно сіра, на поверхні деяких областей є нагар. Морфологія поверхні значно відрізняється від інших частин. Три частини зразка 1 були окремо оглянуті, як показано на рисунке 2b, 2c та 2d.

Як видно з рисунка 2b, емалювання на внутрішній поверхні зразка було спалене та розплавлене, утворивши багато ямок різних розмірів. На краю торця є гладка поверхня, яка відрізняється від слідів розплавлення, що свідчить про відсутність емалі або нерівномірність матеріалу. На рисунку 2c червона область біля кореня шишки має гладку поверхню, тверду текстуру, багато малих отворів на поверхні, задня частина та дно є сіро-білого кольору.

Червоний матеріал розподілений нерівномірно, поверхня нерівна, є локальний випуклість, а край має очевидну чорну межу з фарфоровим тілом, що свідчить про аномальність матеріалу в цій області. Рисунок 2d — це локально збільшений зображення нормальної області перетину шишки. З рисунка видно, що на поверхні зразка є багато малих отворів, найбільший з яких має діаметр приблизно 0,1 мм.

Рисунок 3 показує макроскопічний вигляд зразка 2#. На внутрішній поверхні зразка є ознаки локального горіння дуги та невідфарбованої області, як показано в частинах 1 та 2 рисунка 3a. Очевидно, що емалювання на місці горіння дуги має багато пор, що є результатом розплавлення емалі після підпалу від високої температури. На місці 2 на внутрішній поверхні є заглиблення довжиною приблизно 17,92 мм та глибиною 2 мм. Колір цієї області відповідає коліру фарфорового тіла, будучи сіро-білим, що свідчить про відсутність емалювання, що є первинною процесною дефектом.

Рисунок 3b показує макроскопічну морфологію бокової поверхні зразка 2#. З рисунка видно, що частина бокової поверхні зразка має круглу та гладку поверхню, що контрастує з грубим нормальним поверхнею розриву. Це свідчить про неперервність фарфорового тіла в цій частині, що є ще одним первинним процесним дефектом.

З результатів макроскопічного огляду зразків можна зробити висновок, що несправний фарфоровий изолятор має кілька первинних процесних дефектів, включаючи нерівномірний матеріал, неперервність фарфорового тіла, невідфарбовану поверхню та велику кількість малих отворів.

Аналіз мікроморфології сканування електронного мікроскопа (SEM)

Аналіз SEM був проведений на зразках з нормального перетину, червоної області, гладкої поверхні та внутрішньої поверхні розряду фарфорового изолятора. Сканувальні мікроскопічні зображення зразків представлені на рисунку 4.

Як показано на рисунку 4a, зразок з нормального перетину фарфорового изолятора має грубу поверхню з напрямковими текстурами розриву. Багато пор рівномірно розподілені по ньому, що свідчить про те, що фарфор изолятора пористий та має відносно низьку густоту.

Рисунок 4b показує, що зразок з червоної області також має багато пор. Порівняно з зразком нормального перетину, ці пори більші за розміром, менш щільно розташовані, а густота фарфору відносно вища. Це свідчить про нерівномірне обпікання матеріалу фарфору всередині изолятора.

З рисунка 4c видно, що зразок з гладкої поверхні також містить велику кількість пор, разом з багатьма нерівномірними ямками, розкиданими по його поверхні. Незважаючи на це, загальна поверхня виглядає відносно гладкою та рівною, що свідчить про те, що аномальні характеристики цього перетину існували до розриву.

Рисунок 4d показує, що емалювання на поверхні розряду є гладким, але посіпане багатьма бульбашками та ямками. Ці особливості пояснюються виділенням газів під час процесу розплавлення емалі, спричиненого високими температурами, що виникають під час події розряду.

Аналіз мікроморфології сканування електронного мікроскопа (SEM)

Аналіз SEM був проведений на зразках з нормального перетину, червоної області, гладкої поверхні та внутрішньої поверхні розряду фарфорового изолятора. Сканувальні мікроскопічні зображення зразків представлені на рисунку 4.

Як показано на рисунку 4a, зразок з нормального перетину фарфорового изолятора має грубу поверхню з напрямковими текстурами розриву. Багато пор рівномірно розподілені по ньому, що свідчить про те, що фарфор изолятора пористий та має відносно низьку густоту.

Рисунок 4b показує, що зразок з червоної області також має багато пор. Порівняно з зразком нормального перетину, ці пори більші за розміром, менш щільно розташовані, а густота фарфору відносно вища. Це свідчить про нерівномірне обпікання матеріалу фарфору всередині изолятора.

З рисунка 4c видно, що зразок з гладкої поверхні також містить велику кількість пор, разом з багатьма нерівномірними ямками, розкиданими по його поверхні. Незважаючи на це, загальна поверхня виглядає відносно гладкою та рівною, що свідчить про те, що аномальні характеристики цього перетину існували до розриву.

Рисунок 4d показує, що емалювання на поверхні розряду є гладким, але посіпане багатьма бульбашками та ямками. Ці особливості пояснюються виділенням газів під час процесу розплавлення емалі, спричиненого високими температурами, що виникають під час події розряду.

На основі аналізу мікроформи сканування електронного мікроскопа можна зробити висновок, що фарфоровий рукав має вбудовані дефекти, такі як розрідженість фарфорової структури, низька густота та аномальні перетини.

Аналіз енергетичного спектру

Як описано вище, аналіз енергетичного спектру був проведений на поверхневих елементах та їх розподілі в чотирьох різних місцях зразка. Рисунок 5 ілюструє детальний приклад розподілу поверхневих елементів. Елементи на поверхні зразків з нормального перетину, гладкої поверхні та частини розряду фарфорового рукава переважно складаються з кисню (O), кремнію (Si) та алюмінію (Al).

Загалом, розподіл елементів на поверхні цих зразків є відносно рівномірним. Однак, розподіл елементів на поверхні зразка з червоної області нерівномірний. У нижньому правому регіоні цього зразка зміст кисню (O), алюмінію (Al) та калію (K) значно зростає, тоді як розподіл елементів кремнію (Si) залишається відносно стабільним. Це свідчить про те, що під час процесу обпікання цього регіону розподіл елементів O, Al та K був нерівномірним.

Окрім того, було проведено порівняння основних елементів чотирьох зразків, результати якого представлені в таблиці 1. Зміст кисню (O) на поверхні зразка з нормального перетину значно вищий, ніж у решти трьох зразків, тоді як зміст кремнію (Si) нижчий. Це свідчить про те, що склад матеріалу відрізняється нерівномірно в різних частинах зразка фарфорового рукава.

Зразки з червоної області мають відносно високий зміст кремнію (Si) та найнижчий зміст кисню (O). Окрім того, на поверхні внутрішньої частини розряду фарфорового рукава було виявлено значну кількість міді (Cu). Це пояснюється розплавленням та випаровуванням бронзи всередині фарфорового рукава при високих температурах під час процесу розряду, після чого вона розкидалася та осідала на внутрішній поверхні фарфорового рукава.

Сканування розподілу поверхневих елементів зразків

На основі аналізу енергетичного спектру можна зробити висновок, що під час процесу обпікання фарфорового рукава розподіл різних елементів був надзвичайно нерівномірним. Ця нерівномірність прямо вказує на те, що матеріали різних секцій всередині фарфорового рукава мають значні відмінності.

Висновки та рекомендації

Висновки

На основі макроскопічного огляду, аналізу мікроморфології сканування електронного мікроскопа та аналізу енергетичного спектру було встановлено, що фарфоровий рукав має такі характеристики, як відносно розріджена структура, внутрішні шари, нерівномірний склад та наявність мікроотворів. Крім того, на внутрішній поверхні фарфорового рукава є вбудовані дефекти, включаючи локальні невідфарбовані області та погану якість виробництва.

Завдяки цим макроскопічним та мікроскопічним дефектам фарфорового рукава, під час його тривалої зовнішньої експлуатації зовнішня волога та гази поступово проникають всерединь рукава. Це проникнення призводить до виродження ізоляційних властивостей фарфорового рукава. Під впливом електричного поля відбувається електричний розряд між внутрішнім провідником та слабкими областями фарфорового рукава. Розряд генерує локальні високі температури всередині фарфорового рукава та погіршує властивості ізоляційного силиконового жиру. Врешті-решт, під дією внутрішнього тиску фарфоровий рукав розривається.

Рекомендації

• Виробники фарфорових рукавів повинні покращити контроль якості під час процесу обпікання фарфорових рукавів, щоб забезпечити постійну та високоякісну продукцію.

• Потрібно реалізувати відповідні заходи захисту під час транспортування продукції фарфорових рукавів. Це важливо для запобігання сильним вібраціям або зіткненням, які можуть потенційно пошкодити фарфорові рукави.

• Користувачам продукції радиться посилити контроль якості за допомогою взяття проб фарфорових рукавів надходження обладнання. Ця практика забезпечує, що якість зберігається обладнання відповідає вимогам.

• Необхідно приділити увагу стану роботи партії обладнання. Особливо, для обладнання з наявними витіканнями силиконового жиру або тріщинами фарфорових рукавів, треба негайно провести відключення електропостачання, технічне обслуговування та контроль недоліків, щоб уникнути потенційних аварій та забезпечити безпечну та надійну роботу електричної системи.