張五杰，熊明華, 李要鋒,王延濤，邵明艷,張明英,趙 柯，張 磊

（河南平芝高壓開(kāi)關(guān)有限公司,河南平頂山467013）

隨著我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展,氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（GIS）在輸電網(wǎng)中的應(yīng)用日益廣泛,對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起到了關(guān)鍵作用。與傳統(tǒng)敞開(kāi)式電氣設(shè)備相比,其具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝快、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、安全性高、維護(hù)工作量少、檢驗(yàn)周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[1-5]。

目前,盆式絕緣子是以改性環(huán)氧樹(shù)脂為主,滲入氧化鋁顆粒,通過(guò)真空澆注工藝形成的一種復(fù)合材料。其環(huán)氧樹(shù)脂是一類含有環(huán)氧基團(tuán)的高分子集合物的總稱,具有良好的介電性能、力學(xué)性能、理化特性和良好的可加工性,配合固化劑、填料、添加劑后,能滿足不同的使用性能和工藝要求[6]。盆式絕緣子在出廠裝配前必須通過(guò)外觀尺寸檢查、接地屏蔽導(dǎo)通試驗(yàn)、著色探傷、X射線檢查、工頻耐壓、局部放電、水壓試驗(yàn)、氣密試驗(yàn)等工序,測(cè)試合格后才能裝配到氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備上。

盆式絕緣子是氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備的重要絕緣部件,用來(lái)對(duì)GIS中的高電壓導(dǎo)體進(jìn)行支撐固定[7],在GIS設(shè)備中廣泛運(yùn)用,其絕緣狀況與GIS的正常運(yùn)行密切相關(guān)。導(dǎo)致絕緣子閃絡(luò)的原因主要有以下4種：第一,盆式絕緣子表面出現(xiàn)裂紋、不平滑、劃傷等原因造成其表面粗糙,導(dǎo)致表面電場(chǎng)發(fā)生畸變,從而使盆式絕緣子表面閃絡(luò)電壓降低；第二,盆式絕緣子存放環(huán)境濕度過(guò)大,造成盆式絕緣子表面吸附水分,進(jìn)而在表面形成水膜,使沿面電壓分布不均,使閃絡(luò)電壓顯著降低；第三,GIS運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)防塵措施不夠完善,空氣中彌漫的粉塵進(jìn)入氣室內(nèi)部,粉塵微粒會(huì)在垂直氣室和管道的水平盆式絕緣子的上表面不斷積存,日積月累,附著在盆式絕緣子表面的雜質(zhì)越積越多,造成盆式絕緣子表面電場(chǎng)分布不均,閃絡(luò)電壓降低,易發(fā)生閃絡(luò)放電；第四,隔離開(kāi)關(guān)或者斷路器動(dòng)作時(shí)觸頭碰撞會(huì)產(chǎn)生金屬微粒,金屬微粒在電場(chǎng)作用下附著在絕緣子表面,導(dǎo)致絕緣子表面電場(chǎng)畸變,使得閃絡(luò)電壓降低?？梢?jiàn)上述4種絕緣子閃絡(luò)的主要原因?yàn)檠b配環(huán)境、操作運(yùn)行等過(guò)程產(chǎn)生的異物、碰傷及水分的變化造成,而對(duì)盆式絕緣子在生產(chǎn)制作過(guò)程中產(chǎn)生混入在高電位表面的金屬異物大小對(duì)絕緣性能及射線探傷的影響,在前人研究中未提及。

本文主要針對(duì)盆式絕緣子在產(chǎn)品制造過(guò)程中產(chǎn)生混入在其表面的異物進(jìn)行研究,在生產(chǎn)中挑選出存在鑲嵌表面異物的絕緣盆,把存在異物的盆式絕緣進(jìn)行裝配,通過(guò)電氣試驗(yàn)、EDS能譜分析、 X射線DR成像技術(shù)對(duì)其進(jìn)行可視化檢測(cè)。通過(guò)對(duì)比分析確認(rèn)產(chǎn)品出廠試驗(yàn)可檢測(cè)異物最小值,及存在的金屬異物對(duì)產(chǎn)品電氣性能的影響,可區(qū)別金屬微粒附著在絕緣子表面引起的沿面閃絡(luò)現(xiàn)象,為后續(xù)生產(chǎn)及排查異物來(lái)源工作做進(jìn)一步的指導(dǎo)。

1 盆式絕緣子金屬異物試驗(yàn)方案

異物控制一直是GIS制造工藝中重點(diǎn)問(wèn)題,GIS 設(shè)備可靠性的統(tǒng)計(jì)表明,GIS 絕緣故障中異物及微粒放電占相當(dāng)大的比例,其主要原因是GIS 設(shè)備在生產(chǎn)、裝配、運(yùn)輸以及開(kāi)關(guān)動(dòng)作等過(guò)程中會(huì)不可避免地在設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生金屬顆粒及其他異物[8],這些金屬顆粒的自由運(yùn)動(dòng)能夠急劇降低SF6氣體的絕緣水平。GIS絕緣故障中異物及微粒一方面是安裝時(shí)留下的,在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中未被檢測(cè)到；另一種是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后產(chǎn)生的,如觸頭磨損、屏蔽罩松動(dòng)等。在電場(chǎng)或機(jī)械振動(dòng)作用下,異物會(huì)在GIS中移動(dòng),如果沒(méi)有設(shè)陷阱,異物將可能移動(dòng)到絕緣子表面隨電弧作用、觸頭燒損和金屬顆粒產(chǎn)生,最終形成放電事故。三是絕緣盆零部件本身產(chǎn)生的異物,如絕緣盆內(nèi)夾雜的金屬異物、非金屬異物,金屬異物混入絕緣盆表面時(shí),耐電壓降低,異物尺寸若較小,采用X射線方法檢測(cè)無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別,如何控制該類異物,防止其降低整個(gè)產(chǎn)品的電氣性能,需深入研究。

1.1 樣品篩選、電氣試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)大量絕緣盆外觀進(jìn)行篩選檢查,挑選絕緣盆高電位表面存在混入典型異物夾雜的樣品,經(jīng)對(duì)異物輕微打磨后發(fā)現(xiàn)有金屬光澤,疑似金屬異物,如圖1所示。

圖1 混入異物樣品Fig.1 Sample with a foreign body

為驗(yàn)證此類異物對(duì)產(chǎn)品整體電氣性能的影響,對(duì)含金屬光澤異物的樣品進(jìn)行雷電沖擊±1050kV各三次、工頻耐壓AC460kV、局放電壓AC176kV試驗(yàn),電氣試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。 從表1中可以看出,當(dāng)該疑似金屬異物混入在環(huán)氧澆注件高電位表面時(shí),其雷電沖擊試驗(yàn)、工頻耐壓試驗(yàn)均通過(guò),無(wú)閃絡(luò),且局部放電試驗(yàn)局放值為2.3PC,即電氣試驗(yàn)通過(guò)。

表1 電氣試驗(yàn)項(xiàng)目Table 1 Electrical test items

1.2 無(wú)損探傷

在進(jìn)行完電氣試驗(yàn)后,為驗(yàn)證該異物在無(wú)損檢測(cè)時(shí)（X射線探傷）能否被發(fā)現(xiàn),在缺陷部位用鐵絲做好明顯標(biāo)記,對(duì)該樣品缺陷部位進(jìn)行X射線探傷,通過(guò)調(diào)節(jié)X射線探傷機(jī)電壓,使其實(shí)時(shí)成像電子影像最清晰,以便檢測(cè)更細(xì)小的缺陷,結(jié)果如圖2所示。

圖2 X射線影像Fig.2 X ray image

從圖2 X射線影像中可以看出,用于標(biāo)記缺陷部位的金屬絲可明確識(shí)別,但其包裹范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)其他金屬夾雜或非金屬異物缺陷。

綜合以上研究與分析,上述異物未對(duì)電氣性能產(chǎn)生影響,且在X射線探傷檢查時(shí),不能被發(fā)現(xiàn),為進(jìn)一步深入研究,判斷確定該異物成分,有必要對(duì)其進(jìn)行定性分析,通過(guò)定性分析,明確該異物是否為金屬異物,同時(shí)對(duì)定性后的異物進(jìn)行X射線探傷,確定盆式絕緣子表面混入疑似金屬異物大小對(duì)絕緣性能及射線探傷的影響,并為后續(xù)在制產(chǎn)品的檢查提供依據(jù),也為工廠內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)放電事故調(diào)查分析研究提供可靠的理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

2.1 樣品成分分析

將絕緣盆中高電位部異物切割成φ50mm的試樣2個(gè),如圖3、圖4所示；利用掃描電鏡能譜分析功能,對(duì)異物成分進(jìn)行檢測(cè)分析,首先將制好的試樣利用導(dǎo)電膠帶將異物連接放入掃描電鏡,其次為準(zhǔn)確反映異物整體成分,選取左右端及中間部位作為樣點(diǎn),通過(guò)EDS能譜分析對(duì)樣點(diǎn)成分進(jìn)行測(cè)量,試樣取點(diǎn)部位如圖5、圖7所示,試樣元素分析結(jié)果如圖6、圖8所示,試樣元素含量值見(jiàn)表2、表3。

表2 試樣1成分含量(%)Table 2 Component content of sample 1

表3 試樣2成分含量(%)Table 3 Component content of sample 2

圖3 取樣部位 Fig.3 Sampling location

圖4 試樣Fig.4 Sample

圖5 試樣1取樣姿態(tài) Fig.5 Sampling attitude of sample 1

圖6 試樣1分析圖Fig.6 Sample 1 analysis diagram

圖7 試樣2取樣姿態(tài) Fig.7 Sampling attitude of sample 2

圖8 試樣2分析圖Fig.8 Sample 2 analysis diagram

從圖6和圖8中可以看出,試樣1含有O、Al元素,試樣2僅含有Fe元素,我們知道環(huán)氧樹(shù)脂是指單分子中含有兩個(gè)以上環(huán)氧基的化合物,其配合固化劑、填料、添加劑經(jīng)真空澆注制成盆式絕緣子,考慮其填料為Al2O3含有Al元素,從表4能譜分析結(jié)果確定絕緣盆主要元素為C、O、Al,其中C含量占比最高,O其次,Al占比僅有7.8%,結(jié)合2和表3可以看出,試樣1中O為異物表面可能存在的環(huán)氧樹(shù)脂或者粘附有粉塵氧化物未清理干凈,Al因占比高達(dá)達(dá)91.78%～93.67%,遠(yuǎn)高于絕緣盆本身填料Al占比,可確定試樣1主要為金屬Al元素,其為外部混入異物,非絕緣盆自身填料。試樣2的主要元素為金屬Fe元素,占比達(dá)到100%。

表4 絕緣盆成分含量(%)Table 4 Composition of insulating basin

綜合上述分析,可以判定試樣1和試樣2異物為金屬異物。

2.2 異物大小測(cè)量

經(jīng)掃描電鏡對(duì)異物成分進(jìn)行確定后,為便于觀察測(cè)量異物的形狀和大小,利用數(shù)碼顯微鏡,將試樣放大50倍,校準(zhǔn)該倍數(shù)下的標(biāo)尺,并對(duì)試樣1、試樣2中表面異物形狀、大小、面積進(jìn)行觀察及測(cè)量,測(cè)量姿態(tài)如圖9、圖10所示,測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表5。

圖9 試樣1測(cè)量姿態(tài) Fig.9 Sample 1 measurement attitude

圖10 試樣2測(cè)量姿態(tài)Fig.10 Sample 2 measurement attitude

表5 試樣1、試樣2測(cè)量值Table 5 Measurement values of sample 1 and sample 2

從圖9可以看出,試樣1外形粗細(xì)較均勻,中間部位稍寬,類似棒狀異物；從圖10可以看出,試樣2外形呈現(xiàn)一頭粗一頭細(xì)特征,類似針狀異物；結(jié)合表5的測(cè)量值,確定異物最大面積為0.0626 mm2。

在電網(wǎng)運(yùn)行中,由于異物導(dǎo)致的放電故障發(fā)生次數(shù)最多,故障影響最大,占29%[9-11],其中包含因絕緣盆表面異物引起的沿面閃絡(luò)放電,通常盆式絕緣子澆注后嚴(yán)禁有剝離、氣泡、氣孔和裂紋等缺陷,尤其要避免針狀、棒狀金屬異物的存在,通過(guò)上述的分析與驗(yàn)證,目前可以得知在絕緣盆高電位部,混入面積為0.0626mm2大小的針狀、棒狀金屬異物對(duì)產(chǎn)品雷電沖擊、工頻耐壓、局部放電試驗(yàn)無(wú)影響,電氣試驗(yàn)通過(guò)。

盆式絕緣子在加工制造時(shí),應(yīng)對(duì)其進(jìn)行X射線探傷檢查,通過(guò)X射線電子影像,排除剝離、氣泡、氣孔和裂紋及金屬異物等產(chǎn)品缺陷,為進(jìn)一步驗(yàn)證金屬異物在X射線探傷時(shí)能發(fā)現(xiàn)的最小直徑,本文進(jìn)行了下述研究。

2.3 無(wú)損探傷檢測(cè)

通過(guò)已知異物材料成分、大小,根據(jù)金屬異物的材質(zhì)和大小情況,選取異物寬度最大值0.112mm作為參考值,分別制作Fe、Al材質(zhì)不同線徑的標(biāo)準(zhǔn)金屬絲,金屬絲粗細(xì)依次為0.4、0.32、0.25、0.20、0.16、0.125、0.10 mm,對(duì)應(yīng)編號(hào)為10～16,如圖11、表6所示。根據(jù)絕緣盆厚度分布情況,將上述不同金屬絲同時(shí)放置在絕緣盆高電位部上進(jìn)行X射線拍照,照射方式為上方為放射源,中間為絕緣盆,下方為接收器,如圖12所示,調(diào)節(jié)設(shè)備電壓值,對(duì)比確認(rèn)同樣工況下,X射線探傷可發(fā)現(xiàn)混入環(huán)氧樹(shù)脂絕緣盆中金屬異物的大小,進(jìn)一步控制產(chǎn)品制造的質(zhì)量,減少因金屬異物引起的放電事故。

圖11 Fe、Al材質(zhì)金屬絲Fig.11 Fe, Al material wire

表6 金屬絲直徑(mm)與編號(hào)Table 6 Wire diameter and number

圖12 X射線拍照姿態(tài) Fig.12 X-ray imaging posture

結(jié)果表明絕緣盆在15～40 mm厚度的情況下,從圖13可以看出,0.16、0.20、0.25、0.32、0.4 mm的Al材質(zhì)金屬絲可在射線照片中識(shí)別；從圖14可以看出,0.125、0.16、0.20、0.25、0.32、0.4 mm的Fe材質(zhì)金屬絲可在射線照片中識(shí)別。對(duì)于在X射線探傷中可識(shí)別的金屬異物缺陷,是不允許存在的,對(duì)于不能識(shí)別的缺陷,只能通過(guò)肉眼確認(rèn)其外觀。

圖13 AI材質(zhì)金屬絲探傷電子圖像 Fig.13 Al material wire flaw detection electronic image

圖14 Fe材質(zhì)金屬絲探傷電子圖像Fig.14 Fe material wire flaw detection electronic image

3 結(jié)論

（1）對(duì)于厚度15～40mm絕緣盆在X射線探傷下,其混入0.16mm以下的Al材質(zhì)金屬異物及0.125mm的Fe材質(zhì)金屬異物無(wú)法識(shí)別,需通過(guò)肉眼進(jìn)行外觀檢查,在?50mm范圍內(nèi),可允許混入環(huán)氧樹(shù)脂表面的導(dǎo)電性異物大小面積為0.0626mm2以下,形狀可為針狀、棒狀的導(dǎo)電性異物,該范圍內(nèi)異物大小對(duì)電氣性能無(wú)影響。

（2）盆式絕緣子沿面閃絡(luò)放電現(xiàn)象,可確定為表面異物導(dǎo)致,為進(jìn)一步查找真實(shí)放電原因提供依據(jù),對(duì)后期查明異物來(lái)源指引方向。