一種氣體絕緣金屬封閉開關設備放電異物分析數據庫建立與應用

史潤軍,王曉生,孫明道

(河南平芝高壓開關有限公司,平頂山467013)

隨著我國電力工業的發展,氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)在輸電網中應用日益廣泛,其在電力系統的安全穩定和經濟運行等方面起到了關鍵作用。由于GIS在設計、制造、安裝和運行維護等方面可能存在缺陷,其內部會發生局部放電甚至電弧放電(閃絡)。關于GIS可靠性的統計表明,GIS絕緣故障中金屬微粒等放電異物占相當大的比例,其主要原因是GIS在生產、裝配、運輸以及開關動作等環節會不可避免地在內部產生金屬顆粒及其他異物,這些金屬顆粒的自由運動會急劇降低SF6氣體的絕緣水平。在GIS閃絡事故調查中,研究人員選取放電部位附近的材料作為參照物,通過采用掃描電鏡和能譜分析技術,對放電異物和參照物進行了化學成分對比分析;對GIS放電異物的運動狀態電場計算仿真、絕緣結構優化、缺陷的在線或離線檢測、閃絡故障樹分析、SF6分解物等進行了研究,確定了放電類型和放電位置[1];采用有限元求解不均勻電場數值的方法,分析了放電異物(金屬顆粒)位置和大小對GIS的影響[2];針對金屬顆粒與斷路器尺寸懸殊的問題,建立三維電場有限元模型,解決了計算規模和計算精度的矛盾,發現是金屬顆粒導致了電場畸變,并通過金屬顆粒與放電故障的關系推斷出放電故障的原因[3]。但采用上述方法對放電異物來源和成分的研究還不夠完善,比如常規的放電異物分析方法是基于能譜分析技術對放電異物進行微區成分分析來推斷放電異物的成分和來源,至今沒有可靠的數據庫用來比對分析,只能得出放電異物所含的元素,對放電異物成分和來源的推斷存在不確定性。為此,筆者介紹了一種GIS放電異物分析數據庫的建立與應用方法,以期對放電事故的調查與故障分析提供參考。

1 理論依據

放電異物控制一直是GIS制造工藝中的重點問題。GIS放電異物通常為金屬微粒,其主要存在形式有線形微粒、片形微粒、粉塵等,其中線形微粒引起電場畸變的能力最強,因而其降低設備絕緣強度的作用也最大[4]。GIS絕緣故障中除了金屬微粒等異物在上述安裝等環節產生之外,有的是現場試驗后產生的,如觸頭磨損、屏蔽罩松動等。在電場或機械振動的作用下,異物會在GIS中移動,如果沒有設陷阱(如凹槽),異物將會移動到絕緣子表面隨電弧作用,最終形成放電事故。

通過調查發現放電異物的來源主要有兩方面:

(1)GIS管理,包括零部件管理、裝配管理、試驗管理與現場安裝管理。

(2)GIS關鍵結構與重點部位,包括連接部位、緊固部位、斷路器、隔離及接地開關、母線。

結合實踐依據,從GIS管理、GIS關鍵結構與重點部位來確定取樣材料來源試樣,可確保異物對比分析數據的系統性和完整性。取樣材料可分為以下幾大類:金屬材料、有機絕緣材料、表層處理層、放電生成物。對GIS相關材料(金屬材料、有機絕緣材料、表面處理層、放電生產物)進行能譜分析,建立成分數據庫十分必要。

在GIS閃絡事故調查中,通常需進行放電異物化學成分分析,即選取放電部位附近材料作為參照物,通過掃描電鏡和能譜分析技術,對放電異物和參照物進行化學元素對比分析[5]。針對已知材料,在GIS關鍵部位植入該材料(如金屬屑),模擬放電狀態產生異物進行能譜分析,建立已知材料成分和放電異物成分數據庫十分必要。

在已知材料成分和放電異物成分數據庫建立完成后,還需建立系統的放電異物分析方法。在實際工程應用中,在GIS閃絡事故后對放電異物取樣,試樣經處理后采用能譜分析技術進行成分分析,將分析結果納入數據庫進行對比分析,可快速準確得出放電異物的材料和來源,既可為放電事故調查分析提供可靠判據,也可在GIS的裝配、試驗、安裝環節預防放電異物再次混入,并提供系統可靠的理論依據。

2 GIS放電異物分析數據庫的建立

放電異物分析數據庫的建立包括以下方面:

(1)采用能譜分析技術,對GIS相關材料(金屬材料、有機絕緣材料、表面處理層、放電生產物)進行能譜分析,建立已知材料成分數據庫。

(2)采用能譜分析技術,針對已知材料,在GIS關鍵部位植入該材料(如金屬屑),模擬放電狀態產生異物進行能譜分析,建立放電異物成分數據庫。

(3)建立GIS放電異物取樣、試樣處理、試樣數據分析、放電異物結果對比分析數據庫系統方法(簡稱為GIS放電異物分析方法)。其中,放電異物結果對比分析數據庫的建立流程如圖1所示。

GIS放電異物分析數據庫方法的優點為:形成放電異物分析系統判斷方法,使放電異物分析有理有據且快捷準確;建立對比分析數據庫以系統化指導放電事故分析,準確查明異物來源,防止以后類似放電事故的發生,提高產品質量;實現降本增效。

3 GIS放電異物分析數據庫的應用

(1)根據GIS放電異物來源理論分析和實踐經驗,將放電異物來源材料分為金屬材料、有機絕緣材料、表面處理層和放電生成物四類,從GIS管理和關鍵結構及重點部位等方面分析放電異物來源,對其進行取樣分析。

(2)針對金屬材料、有機絕緣材料、表面處理層和放電生成物四類材料,建立對比分析數據庫,數據主要包括:試樣制備、試樣形貌記錄、試樣能譜分析,形成的對比材料數據庫如圖2所示。

圖1 放電異物對比分析數據庫的建立流程圖Fig.1 Flow chart of establishing database for comparative analysis method of discharge foreign matter

圖2 對比材料數據庫Fig.2 Comparative material database

(3)放電異物材料數據庫主要包含試樣的宏觀形貌、試樣的掃描電鏡微觀形貌和試樣對應的能譜譜線,其中試樣的宏觀形貌放大倍數為30,掃描電鏡的微觀形貌放大倍數為500,試樣的能譜譜線如圖3所示。

圖3 試樣能譜譜線示意圖Fig.3 Schematic diagram of energy spectrum line of sample

(4)建立放電異物數據庫:對于較大試樣,要對其進行加工,試樣尺寸為5～10 mm。能譜分析前進行試樣超聲波清洗,清洗液為丙酮,清洗時間為15～20 min,再用無水乙醇清洗5～10 min。對非導電試樣要進行噴金處理,對于粉末狀試樣,需粘附在導電膠帶上再實施噴金處理,記錄分析試樣在數碼顯微鏡下觀察到的宏觀形貌和掃描電鏡(SEM)下觀察到的微觀形貌。對試樣進行能譜分析,確定5～8個合適的采點位置。最終形成如圖2所示的對比材料數據庫:包含對比材料試樣的宏觀形貌、微觀形貌、能譜圖、材料成分元素數據表,對比試樣來源位置。

(5)實施放電異物分析方法:確定放電異物位置以及來源材料;對放電異物取樣,避免異物污染;按照(4)中的步驟對取樣異物進行前處理;判斷放電異物材料是否導電,確定是否進行噴金處理;按照(4)中的步驟進行能譜分析;使用數據庫進行對比分析,確定異物來源。放電異物分析方法實施流程如圖4所示。

圖4 放電異物分析方法實施流程圖Fig.4 Flow chart of discharge foreign matter analysis method

4 結論

通過建立異物對比分析數據庫,將GIS相關已知材料及放電異物的成分數據形成系統完善的數據庫。在分析放電異物時,通過對放電異物成分數據與數據庫中已知材料的成分對比分析,可快速準確地得出放電異物的材料和來源。該GIS放電異物分析方法及系統可為GIS 制造廠及用戶現場放電事故的調查研究提供可靠的數據支撐,并可為GIS裝配、試驗、安裝過程中如何預防放電異物的再次混入提供系統可靠的理論依據。