盆式絕緣子表面混入金屬異物大小對絕緣性能及射線探傷的影響*

張五杰，熊明華, 李要鋒,王延濤，邵明艷,張明英,趙 柯，張 磊

（河南平芝高壓開關有限公司,河南平頂山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）在輸電網中的應用日益廣泛,對電力系統的安全穩定和經濟運行起到了關鍵作用。與傳統敞開式電氣設備相比,其具有結構緊湊、安裝快、環境適應能力強、安全性高、維護工作量少、檢驗周期長等優點[1-5]。

目前,盆式絕緣子是以改性環氧樹脂為主,滲入氧化鋁顆粒,通過真空澆注工藝形成的一種復合材料。其環氧樹脂是一類含有環氧基團的高分子集合物的總稱,具有良好的介電性能、力學性能、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外觀尺寸檢查、接地屏蔽導通試驗、著色探傷、X射線檢查、工頻耐壓、局部放電、水壓試驗、氣密試驗等工序,測試合格后才能裝配到氣體絕緣金屬封閉開關設備上。

盆式絕緣子是氣體絕緣金屬封閉開關設備的重要絕緣部件,用來對GIS中的高電壓導體進行支撐固定[7],在GIS設備中廣泛運用,其絕緣狀況與GIS的正常運行密切相關。導致絕緣子閃絡的原因主要有以下4種：第一,盆式絕緣子表面出現裂紋、不平滑、劃傷等原因造成其表面粗糙,導致表面電場發生畸變,從而使盆式絕緣子表面閃絡電壓降低；第二,盆式絕緣子存放環境濕度過大,造成盆式絕緣子表面吸附水分,進而在表面形成水膜,使沿面電壓分布不均,使閃絡電壓顯著降低；第三,GIS運行現場防塵措施不夠完善,空氣中彌漫的粉塵進入氣室內部,粉塵微粒會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越積越多,造成盆式絕緣子表面電場分布不均,閃絡電壓降低,易發生閃絡放電；第四,隔離開關或者斷路器動作時觸頭碰撞會產生金屬微粒,金屬微粒在電場作用下附著在絕緣子表面,導致絕緣子表面電場畸變,使得閃絡電壓降低。可見上述4種絕緣子閃絡的主要原因為裝配環境、操作運行等過程產生的異物、碰傷及水分的變化造成,而對盆式絕緣子在生產制作過程中產生混入在高電位表面的金屬異物大小對絕緣性能及射線探傷的影響,在前人研究中未提及。

本文主要針對盆式絕緣子在產品制造過程中產生混入在其表面的異物進行研究,在生產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行裝配,通過電氣試驗、EDS能譜分析、 X射線DR成像技術對其進行可視化檢測。通過對比分析確認產品出廠試驗可檢測異物最小值,及存在的金屬異物對產品電氣性能的影響,可區別金屬微粒附著在絕緣子表面引起的沿面閃絡現象,為后續生產及排查異物來源工作做進一步的指導。

1 盆式絕緣子金屬異物試驗方案

異物控制一直是GIS制造工藝中重點問題,GIS 設備可靠性的統計表明,GIS 絕緣故障中異物及微粒放電占相當大的比例,其主要原因是GIS 設備在生產、裝配、運輸以及開關動作等過程中會不可避免地在設備內部產生金屬顆粒及其他異物[8],這些金屬顆粒的自由運動能夠急劇降低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留下的,在現場測試中未被檢測到；另一種是現場試驗后產生的,如觸頭磨損、屏蔽罩松動等。在電場或機械振動作用下,異物會在GIS中移動,如果沒有設陷阱,異物將可能移動到絕緣子表面隨電弧作用、觸頭燒損和金屬顆粒產生,最終形成放電事故。三是絕緣盆零部件本身產生的異物,如絕緣盆內夾雜的金屬異物、非金屬異物,金屬異物混入絕緣盆表面時,耐電壓降低,異物尺寸若較小,采用X射線方法檢測無法準確識別,如何控制該類異物,防止其降低整個產品的電氣性能,需深入研究。

1.1 樣品篩選、電氣試驗

通過對大量絕緣盆外觀進行篩選檢查,挑選絕緣盆高電位表面存在混入典型異物夾雜的樣品,經對異物輕微打磨后發現有金屬光澤,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

為驗證此類異物對產品整體電氣性能的影響,對含金屬光澤異物的樣品進行雷電沖擊±1050kV各三次、工頻耐壓AC460kV、局放電壓AC176kV試驗,電氣試驗結果見表1。 從表1中可以看出,當該疑似金屬異物混入在環氧澆注件高電位表面時,其雷電沖擊試驗、工頻耐壓試驗均通過,無閃絡,且局部放電試驗局放值為2.3PC,即電氣試驗通過。

表1 電氣試驗項目Table 1 Electrical test items

1.2 無損探傷

在進行完電氣試驗后,為驗證該異物在無損檢測時（X射線探傷）能否被發現,在缺陷部位用鐵絲做好明顯標記,對該樣品缺陷部位進行X射線探傷,通過調節X射線探傷機電壓,使其實時成像電子影像最清晰,以便檢測更細小的缺陷,結果如圖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,用于標記缺陷部位的金屬絲可明確識別,但其包裹范圍內未發現其他金屬夾雜或非金屬異物缺陷。

綜合以上研究與分析,上述異物未對電氣性能產生影響,且在X射線探傷檢查時,不能被發現,為進一步深入研究,判斷確定該異物成分,有必要對其進行定性分析,通過定性分析,明確該異物是否為金屬異物,同時對定性后的異物進行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絕緣性能及射線探傷的影響,并為后續在制產品的檢查提供依據,也為工廠內及現場放電事故調查分析研究提供可靠的理論依據。

2 試驗驗證與分析

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,如圖3、圖4所示；利用掃描電鏡能譜分析功能,對異物成分進行檢測分析,首先將制好的試樣利用導電膠帶將異物連接放入掃描電鏡,其次為準確反映異物整體成分,選取左右端及中間部位作為樣點,通過EDS能譜分析對樣點成分進行測量,試樣取點部位如圖5、圖7所示,試樣元素分析結果如圖6、圖8所示,試樣元素含量值見表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 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 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,我們知道環氧樹脂是指單分子中含有兩個以上環氧基的化合物,其配合固化劑、填料、添加劑經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氧樹脂或者粘附有粉塵氧化物未清理干凈,Al因占比高達達91.78%～93.67%,遠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 異物大小測量

經掃描電鏡對異物成分進行確定后,為便于觀察測量異物的形狀和大小,利用數碼顯微鏡,將試樣放大50倍,校準該倍數下的標尺,并對試樣1、試樣2中表面異物形狀、大小、面積進行觀察及測量,測量姿態如圖9、圖10所示,測量結果見表5。

圖9 試樣1測量姿態 Fig.9 Sample 1 measurement attitude

圖10 試樣2測量姿態Fig.10 Sample 2 measurement attitude

表5 試樣1、試樣2測量值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外形呈現一頭粗一頭細特征,類似針狀異物；結合表5的測量值,確定異物最大面積為0.0626 mm2。

在電網運行中,由于異物導致的放電故障發生次數最多,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放電,通常盆式絕緣子澆注后嚴禁有剝離、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,通過上述的分析與驗證,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、棒狀金屬異物對產品雷電沖擊、工頻耐壓、局部放電試驗無影響,電氣試驗通過。

盆式絕緣子在加工制造時,應對其進行X射線探傷檢查,通過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品缺陷,為進一步驗證金屬異物在X射線探傷時能發現的最小直徑,本文進行了下述研究。

2.3 無損探傷檢測

通過已知異物材料成分、大小,根據金屬異物的材質和大小情況,選取異物寬度最大值0.112mm作為參考值,分別制作Fe、Al材質不同線徑的標準金屬絲,金屬絲粗細依次為0.4、0.32、0.25、0.20、0.16、0.125、0.10 mm,對應編號為10～16,如圖11、表6所示。根據絕緣盆厚度分布情況,將上述不同金屬絲同時放置在絕緣盆高電位部上進行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,調節設備電壓值,對比確認同樣工況下,X射線探傷可發現混入環氧樹脂絕緣盆中金屬異物的大小,進一步控制產品制造的質量,減少因金屬異物引起的放電事故。

圖11 Fe、Al材質金屬絲Fig.11 Fe, Al material wire

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

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

結果表明絕緣盆在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材質金屬絲可在射線照片中識別；從圖14可以看出,0.125、0.16、0.20、0.25、0.32、0.4 mm的Fe材質金屬絲可在射線照片中識別。對于在X射線探傷中可識別的金屬異物缺陷,是不允許存在的,對于不能識別的缺陷,只能通過肉眼確認其外觀。

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

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

3 結論

（1）對于厚度15～40mm絕緣盆在X射線探傷下,其混入0.16mm以下的Al材質金屬異物及0.125mm的Fe材質金屬異物無法識別,需通過肉眼進行外觀檢查,在?50mm范圍內,可允許混入環氧樹脂表面的導電性異物大小面積為0.0626mm2以下,形狀可為針狀、棒狀的導電性異物,該范圍內異物大小對電氣性能無影響。

（2）盆式絕緣子沿面閃絡放電現象,可確定為表面異物導致,為進一步查找真實放電原因提供依據,對后期查明異物來源指引方向。