氣體絕緣金屬封閉開關(guān)(GIS)設備在裝配、運輸及運行等階段可能會產(chǎn)生金屬異物，這些金屬異物黏附在盆式絕緣子表面隨電弧作用，會產(chǎn)生沿面閃絡等放電事故。使用能譜儀(EDS)對放電異物取樣進行金屬微區(qū)成分分析，以確定導致GIS設備放電事故異物的來源。GIS設備的焊接殼體、連接導體、屏蔽件、盆式絕緣子等零部件中均含有 Al元素。在絕緣子上的放電點及放電通道上進行異物成分分析時，檢測出的W元素應是來源于銅鎢合金觸頭，檢測出的Cu或Ag元素應是來源于銅材料和表面鍍銀的零部件。環(huán)氧澆注絕緣件中含有C、O、Al等元素，充入的SF6氣體放電后的產(chǎn)物中含有F元素，因此，僅檢測出C、O、Al、F等元素時，無法準確判定放電異物的來源。研究人員對外來異物鋁絲進行放電試驗，排除了盆式絕緣子本體Al元素的含量，確定了異物來源，結(jié)果可為延長GIS設備的使用壽命提供理論基礎。
1、盆式絕緣子
1.1 盆式絕緣子的原材料
盆式絕緣子在環(huán)氧澆注絕緣件中屬于有機材料絕緣件，具有加工工藝性能良好、力學性能好、電氣性能優(yōu)良、耐熱性強、致密性高、免維護等優(yōu)點，主要應用于開關(guān)、斷路器等設備中，在GIS設備中起到隔離、支撐、固定、滅弧、改善電位梯度及保護導體等作用。盆式絕緣子的主要原材料為固態(tài)或液態(tài)環(huán)氧樹脂、酸酐類固化劑和填料等。對于填料的含量配比，各個生產(chǎn)廠家的配方并不相同。對研究人員公司常用的盆式絕緣子進行成分分析，其主要成分為雙酚A性環(huán)氧樹脂、鄰苯二甲酸酐、Al2O3、促進劑、增韌劑等。
1.2 盆式絕緣子本體成分分析
分別在不同澆注爐次(爐次1和爐次2)的盆式絕緣子凸面、中間層、凹面的碎塊上取樣，對試樣進行掃描電鏡(SEM)及能譜分析，結(jié)果如圖1和表1所示。由圖1和表1可知：爐次1中碎塊試樣的C元素質(zhì)量分數(shù)為58.45%~76.12%，O元素質(zhì)量分數(shù)為19.51% ~32.84%，Al元素質(zhì)量分數(shù)為0.37%~5.06%；爐次2中碎塊試樣的C元素質(zhì)量分數(shù)為61.49% ~76.35%，O元素質(zhì)量分數(shù)為20.81%~34.42%，Al元素質(zhì)量分數(shù)為0.11% ~4.42%，盆式絕緣子凸面、中間層、凹面處的化學成分沒有明顯差異。
考慮到放電時瞬時溫度較高，會對盆式絕緣子產(chǎn)生燒灼，造成成分比例改變，因此對2個爐次的碎塊進行坩堝試驗。將碎塊放在坩堝內(nèi)并標記爐次，然后放置在高溫爐內(nèi)，設定溫度為700℃，經(jīng)12h高溫燒灼后，碎塊變成粉末狀，對粉末試樣進行SEM及EDS分析，結(jié)果如圖2和表2所示。由圖2和表2可知：爐次1中粉末試樣的O元素質(zhì)量分數(shù)為53.14%~65.68%，Al元素質(zhì)量分數(shù)為21.63%~46.86%；爐次2中粉末試樣O元素質(zhì)量分數(shù)為43.21% ~59.16%，Al元素質(zhì)量分數(shù)為34.32%~49.20%。
2、外來異物鋁絲成分分析及放電試驗
2.1 成分分析
選取鋁絲為外來金屬異物，使用潤滑脂將鋁絲黏附在盆式絕緣子表面，充入SF6氣體，模擬GIS設備實際工況，進行雷電沖擊和工頻試驗，使用導電膠帶對放電后的產(chǎn)物進行成分分析，選取6根鋁絲，編號為1#~6#，6根鋁絲的規(guī)格均為0.13mm×3mm(直徑×長度)，對鋁絲進行SEM及EDS分析，鋁絲中Al元素的質(zhì)量分數(shù)大于90%(見圖3及表3)。
2.2 放電試驗
盆式絕緣子凹面的場強較高，絕緣裕度較小，疊加合成場強的法向數(shù)值較大，吸附異物能力強，有較高的放電風險。因此，將1#~6#鋁絲黏附在盆式絕緣子凹面進行放電試驗,鋁絲黏附位置如圖4所示，放電類型及電壓如表4所示，放電試驗結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：鋁絲放電后在盆式絕緣子上形成了放電通道，放電紋路呈樹枝狀或傘狀。
放電后，采集盆式絕緣子表面的異物。因放電電壓較高，瞬時溫度可達到1000℃以上，鋁絲在高溫下已經(jīng)熔解，故需使用強光手電進行目視觀察。金屬顆粒一般在放電點周圍和放電通道中間部位，極少數(shù)在末端和其他部位。采集異物時，首先采集表面的金屬顆粒，當沒有發(fā)現(xiàn)金屬顆粒時，則需要分別采集放電通道起始點、通道中間和末端位置。
1#~6#鋁絲放電后在盆式絕緣子表面產(chǎn)生的粉末狀或絲狀異物，對該異物進行EDS分析，結(jié)果如表5所示。由表5可知：異物中F元素為充入的SF6氣體經(jīng)放電沉淀的產(chǎn)物，C和O元素主要為盆式絕緣子放電析出的產(chǎn)物，Al元素為盆式絕緣子和鋁絲放電結(jié)合的產(chǎn)物，Al元素質(zhì)量分數(shù)為52.44%~90.57%，且放電電壓越高，Al元素的質(zhì)量分數(shù)越大。
綜上所述，盆式絕緣子本體在未經(jīng)過任何處理的情況下，Al元素的質(zhì)量分數(shù)最大為5.06%；經(jīng)過700℃，12h高溫灼燒后，盆式絕緣子呈粉末狀，Al元素的質(zhì)量分數(shù)最大為49.20%；加入外來異物鋁絲并進行放電試驗后，盆式絕緣子表面異物中Al元素的質(zhì)量分數(shù)最小為52.44%。放電試驗后，盆式絕緣子表面Al元素的含量大于盆式絕緣子本體的Al元素含量。
3 、結(jié)論
(1)在對鋁絲進行放電試驗時，放電電壓越高，Al元素的質(zhì)量分數(shù)越大。
(2)當盆式絕緣子表面Al元素的含量大于盆式絕緣子本體的Al元素含量時，可以確定異物為外來鋁材料吸附在盆式絕緣子表面產(chǎn)生放電所致。
作者：趙柯，熊明華，李要鋒，張壘，王延濤，張明英
單位：河南平芝高壓開關(guān)有限公司
來源：《理化檢驗-物理分冊》2023年第9期
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