一種氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備放電異物分析數(shù)據(jù)庫建立與應(yīng)用

史潤軍,王曉生,孫明道

(河南平芝高壓開關(guān)有限公司,平頂山467013)

隨著我國電力工業(yè)的發(fā)展,氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)在輸電網(wǎng)中應(yīng)用日益廣泛,其在電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等方面起到了關(guān)鍵作用。由于GIS在設(shè)計(jì)、制造、安裝和運(yùn)行維護(hù)等方面可能存在缺陷,其內(nèi)部會(huì)發(fā)生局部放電甚至電弧放電(閃絡(luò))。關(guān)于GIS可靠性的統(tǒng)計(jì)表明,GIS絕緣故障中金屬微粒等放電異物占相當(dāng)大的比例,其主要原因是GIS在生產(chǎn)、裝配、運(yùn)輸以及開關(guān)動(dòng)作等環(huán)節(jié)會(huì)不可避免地在內(nèi)部產(chǎn)生金屬顆粒及其他異物,這些金屬顆粒的自由運(yùn)動(dòng)會(huì)急劇降低SF6氣體的絕緣水平。在GIS閃絡(luò)事故調(diào)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(shù),對放電異物和參照物進(jìn)行了化學(xué)成分對比分析;對GIS放電異物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)電場計(jì)算仿真、絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化、缺陷的在線或離線檢測、閃絡(luò)故障樹分析、SF6分解物等進(jìn)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(shù)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(jì)算規(guī)模和計(jì)算精度的矛盾,發(fā)現(xiàn)是金屬顆粒導(dǎo)致了電場畸變,并通過金屬顆粒與放電故障的關(guān)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(guī)的放電異物分析方法是基于能譜分析技術(shù)對放電異物進(jìn)行微區(qū)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫的建立與應(yīng)用方法,以期對放電事故的調(diào)查與故障分析提供參考。

1 理論依據(jù)

放電異物控制一直是GIS制造工藝中的重點(diǎn)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(qiáng),因而其降低設(shè)備絕緣強(qiáng)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(huán)節(jié)產(chǎn)生之外,有的是現(xiàn)場試驗(yàn)后產(chǎn)生的,如觸頭磨損、屏蔽罩松動(dòng)等。在電場或機(jī)械振動(dòng)的作用下,異物會(huì)在GIS中移動(dòng),如果沒有設(shè)陷阱(如凹槽),異物將會(huì)移動(dòng)到絕緣子表面隨電弧作用,最終形成放電事故。

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)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(yàn)管理與現(xiàn)場安裝管理。

(2)GIS關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與重點(diǎn)部位,包括連接部位、緊固部位、斷路器、隔離及接地開關(guān)、母線。

結(jié)合實(shí)踐依據(jù),從GIS管理、GIS關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與重點(diǎn)部位來確定取樣材料來源試樣,可確保異物對比分析數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性和完整性。取樣材料可分為以下幾大類:金屬材料、有機(jī)絕緣材料、表層處理層、放電生成物。對GIS相關(guān)材料(金屬材料、有機(jī)絕緣材料、表面處理層、放電生產(chǎn)物)進(jìn)行能譜分析,建立成分?jǐn)?shù)據(jù)庫十分必要。

在GIS閃絡(luò)事故調(diào)查中,通常需進(jìn)行放電異物化學(xué)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(shù),對放電異物和參照物進(jìn)行化學(xué)元素對比分析[5]。針對已知材料,在GIS關(guān)鍵部位植入該材料(如金屬屑),模擬放電狀態(tài)產(chǎn)生異物進(jìn)行能譜分析,建立已知材料成分和放電異物成分?jǐn)?shù)據(jù)庫十分必要。

在已知材料成分和放電異物成分?jǐn)?shù)據(jù)庫建立完成后,還需建立系統(tǒng)的放電異物分析方法。在實(shí)際工程應(yīng)用中,在GIS閃絡(luò)事故后對放電異物取樣,試樣經(jīng)處理后采用能譜分析技術(shù)進(jìn)行成分分析,將分析結(jié)果納入數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比分析,可快速準(zhǔn)確得出放電異物的材料和來源,既可為放電事故調(diào)查分析提供可靠判據(jù),也可在GIS的裝配、試驗(yàn)、安裝環(huán)節(jié)預(yù)防放電異物再次混入,并提供系統(tǒng)可靠的理論依據(jù)。

2 GIS放電異物分析數(shù)據(jù)庫的建立

放電異物分析數(shù)據(jù)庫的建立包括以下方面:

(1)采用能譜分析技術(shù),對GIS相關(guān)材料(金屬材料、有機(jī)絕緣材料、表面處理層、放電生產(chǎn)物)進(jìn)行能譜分析,建立已知材料成分?jǐn)?shù)據(jù)庫。

(2)采用能譜分析技術(shù),針對已知材料,在GIS關(guān)鍵部位植入該材料(如金屬屑),模擬放電狀態(tài)產(chǎn)生異物進(jìn)行能譜分析,建立放電異物成分?jǐn)?shù)據(jù)庫。

(3)建立GIS放電異物取樣、試樣處理、試樣數(shù)據(jù)分析、放電異物結(jié)果對比分析數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)方法(簡稱為GIS放電異物分析方法)。其中,放電異物結(jié)果對比分析數(shù)據(jù)庫的建立流程如圖1所示。

GIS放電異物分析數(shù)據(jù)庫方法的優(yōu)點(diǎn)為:形成放電異物分析系統(tǒng)判斷方法,使放電異物分析有理有據(jù)且快捷準(zhǔn)確;建立對比分析數(shù)據(jù)庫以系統(tǒng)化指導(dǎo)放電事故分析,準(zhǔn)確查明異物來源,防止以后類似放電事故的發(fā)生,提高產(chǎn)品質(zhì)量;實(shí)現(xiàn)降本增效。

3 GIS放電異物分析數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用

(1)根據(jù)GIS放電異物來源理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),將放電異物來源材料分為金屬材料、有機(jī)絕緣材料、表面處理層和放電生成物四類,從GIS管理和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及重點(diǎn)部位等方面分析放電異物來源,對其進(jìn)行取樣分析。

(2)針對金屬材料、有機(jī)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(shù)據(jù)庫,數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫如圖2所示。

圖1 放電異物對比分析數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫Fig.2 Comparative material database

(3)放電異物材料數(shù)據(jù)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(yīng)的能譜譜線,其中試樣的宏觀形貌放大倍數(shù)為30,掃描電鏡的微觀形貌放大倍數(shù)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(shù)據(jù)庫:對于較大試樣,要對其進(jìn)行加工,試樣尺寸為5～10 mm。能譜分析前進(jìn)行試樣超聲波清洗,清洗液為丙酮,清洗時(shí)間為15～20 min,再用無水乙醇清洗5～10 min。對非導(dǎo)電試樣要進(jìn)行噴金處理,對于粉末狀試樣,需粘附在導(dǎo)電膠帶上再實(shí)施噴金處理,記錄分析試樣在數(shù)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(jìn)行能譜分析,確定5～8個(gè)合適的采點(diǎn)位置。最終形成如圖2所示的對比材料數(shù)據(jù)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?cái)?shù)據(jù)表,對比試樣來源位置。

(5)實(shí)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(jìn)行前處理;判斷放電異物材料是否導(dǎo)電,確定是否進(jìn)行噴金處理;按照(4)中的步驟進(jìn)行能譜分析;使用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比分析,確定異物來源。放電異物分析方法實(shí)施流程如圖4所示。

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

4 結(jié)論

通過建立異物對比分析數(shù)據(jù)庫,將GIS相關(guān)已知材料及放電異物的成分?jǐn)?shù)據(jù)形成系統(tǒng)完善的數(shù)據(jù)庫。在分析放電異物時(shí),通過對放電異物成分?jǐn)?shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中已知材料的成分對比分析,可快速準(zhǔn)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(tǒng)可為GIS 制造廠及用戶現(xiàn)場放電事故的調(diào)查研究提供可靠的數(shù)據(jù)支撐,并可為GIS裝配、試驗(yàn)、安裝過程中如何預(yù)防放電異物的再次混入提供系統(tǒng)可靠的理論依據(jù)。