馬永福，包正紅，王生杰，陳 堯，任繼云，李子彬

（國(guó)網(wǎng)青海省電力公司電力科學(xué)研究院，青海 西寧 810008）

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)（Gas Insulated Switchgear，GIS）設(shè)備對(duì)內(nèi)部清潔度的要求極為嚴(yán)苛，異物會(huì)使導(dǎo)體和筒體間的局部電場(chǎng)發(fā)生畸變進(jìn)而導(dǎo)致絕緣擊穿[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，由于內(nèi)部異物導(dǎo)致的絕緣擊穿故障占到所有故障類型的54%，是造成氣體絕緣設(shè)備故障的重要原因[2]。通常導(dǎo)致絕緣擊穿的異物會(huì)被電弧燒蝕，無(wú)法準(zhǔn)確判斷其來(lái)源。本文結(jié)合一起330 kV GIS母線內(nèi)由于異物導(dǎo)致的擊穿放電故障，通過引入掃描電鏡微觀形貌觀測(cè)和能譜儀成分分析技術(shù)，對(duì)故障氣室分解物、異物和非故障氣室異物比對(duì)檢測(cè)的方式，分析研究了異物來(lái)源，針對(duì)性提出了反事故建議措施。

1 技術(shù)原理

1.1 掃描電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）簡(jiǎn)稱掃描電鏡，是一種用于觀測(cè)材料微觀形貌的精密儀器。其利用聚焦很窄的高能電子束來(lái)掃描樣品，通過光束與物質(zhì)間的相互作用，來(lái)激發(fā)反射相關(guān)物理信息，再對(duì)這些信息收集、放大、成像以達(dá)到顯現(xiàn)材料微觀形貌的目的，觀測(cè)能力介于透射電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡之間。

新型掃描電子顯微鏡的分辨率可以達(dá)到1 nm，放大倍數(shù)可以達(dá)到30萬(wàn)倍及以上連續(xù)可調(diào)，并且具有景深大、分辨率高、成像立體直觀、樣品可在三維空間內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以及檢測(cè)過程對(duì)樣品無(wú)任何損傷等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、司法等領(lǐng)域[3-4]，電氣工程領(lǐng)域已處于逐步應(yīng)用狀態(tài)[5]。

1.2 能譜儀

能譜儀（Energy Dispersive Spectrometer, EDS）是一種用來(lái)對(duì)材料微區(qū)成分元素進(jìn)行定性與定量分析的儀器，是掃描電鏡的重要附件。當(dāng)高能電子束轟擊樣品，將樣品中原子的內(nèi)層電子電離，此時(shí)的原子處于較高激發(fā)態(tài)，外層的高能量電子會(huì)向內(nèi)層躍遷以填補(bǔ)內(nèi)層空缺從而釋放能量，這部分輻射能量稱為特征X射線。每種元素都有自己的特征X射線波長(zhǎng)，特征波長(zhǎng)的大小則取決于能級(jí)躍遷過程中釋放出的特征能量△E，能譜儀就是利用不同元素X射線光子特征能量不同這一特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行成分分析[6]。

2 異物收集

2.1 故障氣室

某330 kV GIS設(shè)備發(fā)生擊穿故障，解體后對(duì)故障氣室內(nèi)部進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)筒體內(nèi)壁、導(dǎo)體和支撐絕緣子表面附著有大量灰狀分解物，對(duì)分解物進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)收集，如圖1所示。經(jīng)仔細(xì)檢查，在放電點(diǎn)附近灰狀分解物中發(fā)現(xiàn)一顆金屬小球、一片金屬碎片和一片非金屬雜質(zhì)，如圖2所示。在離放電點(diǎn)較遠(yuǎn)的位置發(fā)現(xiàn)大小不同、形狀相似的兩片金屬碎片，肉眼觀察其一側(cè)呈暗銀色，另一側(cè)呈亮銀色，此外還發(fā)現(xiàn)多片非金屬絮狀雜質(zhì)，如圖3所示。

圖1 故障氣室灰狀分解物

圖2 放電點(diǎn)附近收集的異物

圖3 遠(yuǎn)離放電點(diǎn)位置收集的異物

2.2 非故障氣室

該條母線共有四個(gè)氣室，自母線投運(yùn)以來(lái)11氣室（本次故障）和14氣室此前未曾開蓋，12和13氣室前期曾開展過檢修工作，因此在母線停電期間對(duì)與11氣室故障前具有相同運(yùn)行工況的14氣室進(jìn)行了檢查。結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩顆粒徑不同的金屬小球，如圖4所示。

圖4 兩顆金屬小球

3 檢測(cè)分析

3.1 灰狀分解物

對(duì)收集的灰狀分解物進(jìn)行制樣，并在掃描電鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)其在放大400倍時(shí)呈大小不同的毛絨顆粒狀，顆粒表面成像較差，表明該顆粒導(dǎo)電性較差，如圖5所示。劃定方格進(jìn)行區(qū)域能譜分析，結(jié)果如圖6所示。

圖5 分解物放大400倍形貌

圖6 分解物能譜分析結(jié)果

對(duì)灰狀分解物進(jìn)行掃描電鏡下的物像和能譜分析，發(fā)現(xiàn)其成分中主要含有F元素（50.34%，指區(qū)域質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）和Al元素（15.93%），其余C元素和O元素均為常規(guī)元素，未發(fā)現(xiàn)其它雜質(zhì)元素，即分解物主要成分是F和Al的化合物，判斷為故障時(shí)在電弧作用下SF6氣體與導(dǎo)體和筒體內(nèi)壁鋁合金化合反應(yīng)產(chǎn)生。

3.2 放電點(diǎn)附近異物

金屬小球1的直徑約為1.15 mm，金屬碎片1的尺寸約為（4×1.5×0.3）mm，非金屬雜質(zhì)1的尺寸約為（3×1.5×0.8）mm，三者掃描電鏡形貌如圖7至圖9所示。

圖7 金屬小球1放大70倍形貌

圖8 金屬碎片1放大35倍形貌

圖9 非金屬雜質(zhì)1放大35倍形貌

能譜分析結(jié)果顯示，金屬小球和金屬碎片主要成分為Al（81.77%），金屬小球表面相對(duì)光滑且呈熔煉重塑狀，判斷為故障電弧燒蝕導(dǎo)體或筒體內(nèi)壁鋁合金熔融造成；金屬碎片表面及邊緣形狀較為規(guī)則、無(wú)熔煉痕跡，判斷來(lái)源于導(dǎo)體或筒體表面；非金屬雜質(zhì)主要成分為C和O，判斷為外部帶入的雜質(zhì)。

3.3 遠(yuǎn)離放電點(diǎn)位置異物

金屬碎片2尺寸約為（3×1.5×0.4）mm，金屬碎片3尺寸約為（2×1.0×0.4）mm，掃描電鏡形貌如圖10和圖11所示。非金屬雜質(zhì)2形貌與圖9相似。

圖10 金屬碎片2放大50倍形貌

圖11 金屬碎片3放大35倍形貌

能譜分析結(jié)果顯示，兩金屬碎片主要成分為Al，區(qū)域質(zhì)量分?jǐn)?shù)為67.45%和76.51%，鋁片主體表面光滑平整，判斷為導(dǎo)體或筒體表面剮蹭掉落。邊沿有橙紅色液體噴濺狀附著物，金屬碎片3表面居多，該附著物中間厚邊緣薄、相互獨(dú)立不粘連，能譜分析結(jié)果顯示附著物Ti元素區(qū)域質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.16%。經(jīng)與設(shè)備廠家溝通，GIS筒體內(nèi)壁涂刷的絕緣漆主要成分為環(huán)氧聚酰胺，呈橙紅色，由氧化鐵、鈦白粉（主要成分為TiO2，作顏料和粘附劑）和其它原料制成，由此可以判斷附著物為絕緣漆，進(jìn)一步判斷在廠內(nèi)生產(chǎn)階段筒體內(nèi)壁噴涂絕緣漆前兩片鋁片已經(jīng)存在但藏匿在角落，噴涂油漆時(shí)只被噴到邊沿部分，在廠內(nèi)組裝和現(xiàn)場(chǎng)安裝階段均未被發(fā)現(xiàn)并清理，在長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)自然掉落到筒壁造成；非金屬雜質(zhì)主要成分為C、O和Si，判斷為外部帶入的雜質(zhì)。

3.4 非故障氣室異物

金屬小球2直徑約為1.59 mm，掃描電鏡形貌如圖12所示，表面呈熔煉重塑狀，存在較多氣孔和凹坑，凹坑內(nèi)部有大量晶粒間隙，表面除兩側(cè)邊外其余部分被橙紅色附著物包覆，能譜分析結(jié)果顯示金屬小球主要成分為Al（48.43%），橙紅色附著物主要成分為Ti（0.99%），判斷在廠內(nèi)生產(chǎn)階段筒體噴涂絕緣漆前金屬小球已經(jīng)存在，來(lái)源可能為筒體焊接時(shí)濺落的鋁液。

圖12 金屬小球2放大70倍形貌

金屬小球3直徑約為1.33 mm，掃描電鏡形貌如圖13所示，表面呈熔煉重塑狀，存在較多氣孔和凹坑，凹坑內(nèi)部有大量晶粒間隙，能譜分析結(jié)果表明金屬小球主要成分為Al（62.47%），判斷來(lái)源為廠內(nèi)生產(chǎn)階段筒體焊接時(shí)濺落的鋁液。

圖13 金屬小球3放大55倍形貌

4 ?結(jié)論

1）故障氣室灰狀分解物為F和Al的化合物，由SF6氣體與導(dǎo)體和筒體化合反應(yīng)產(chǎn)生。

2）金屬小球由鋁合金熔融形成，金屬碎片來(lái)源于導(dǎo)體或筒體表面，非金屬雜質(zhì)由外部帶入。

3）金屬異物表面橙紅色附著物為絕緣漆，此類異物來(lái)源于廠內(nèi)生產(chǎn)階段。

4）掃描電鏡微觀形貌觀測(cè)和能譜儀成分分析技術(shù)可有效判斷GIS內(nèi)部異物來(lái)源。

5 建議

1）加大基于掃描電鏡的微觀形貌觀測(cè)技術(shù)和基于能譜儀的成分分析技術(shù)在電氣工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

2）設(shè)備廠家嚴(yán)格把控廠內(nèi)生產(chǎn)加工工藝，在導(dǎo)體和筒體鑄造、焊接完成后進(jìn)行仔細(xì)檢查，尤其注意藏匿在角落的金屬異物。

3）提高現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)卡，從現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境、人員著裝、點(diǎn)檢等方面對(duì)安裝工藝進(jìn)行嚴(yán)格把控、確認(rèn)，保證GIS內(nèi)部清潔度滿足要求，無(wú)外界異物進(jìn)入。

4）針對(duì)內(nèi)部異物較多以及運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的GIS設(shè)備，建議結(jié)合設(shè)備停電計(jì)劃開展內(nèi)部檢查清潔工作，進(jìn)一步提升設(shè)備運(yùn)行可靠性。

5）在日常設(shè)備運(yùn)維中，加強(qiáng)超聲波、特高頻局部放電等帶電檢測(cè)工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部隱患缺陷。