一种气体绝缘金属封闭开关设备放电异物分析数据库建立与应用

史润军,王晓生,孙明道

(河南平芝高压开关有限公司,平顶山467013)

随着我国电力工业的发展,气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)在输电网中应用日益广泛,其在电力系统的安全稳定和经济运行等方面起到了关键作用。由于GIS在设计、制造、安装和运行维护等方面可能存在缺陷,其内部会发生局部放电甚至电弧放电(闪络)。关于GIS可靠性的统计表明,GIS绝缘故障中金属微粒等放电异物占相当大的比例,其主要原因是GIS在生产、装配、运输以及开关动作等环节会不可避免地在内部产生金属颗粒及其他异物,这些金属颗粒的自由运动会急剧降低SF6气体的绝缘水平。在GIS闪络事故调查中,研究人员选取放电部位附近的材料作为参照物,通过采用扫描电镜和能谱分析技术,对放电异物和参照物进行了化学成分对比分析;对GIS放电异物的运动状态电场计算仿真、绝缘结构优化、缺陷的在线或离线检测、闪络故障树分析、SF6分解物等进行了研究,确定了放电类型和放电位置[1];采用有限元求解不均匀电场数值的方法,分析了放电异物(金属颗粒)位置和大小对GIS的影响[2];针对金属颗粒与断路器尺寸悬殊的问题,建立三维电场有限元模型,解决了计算规模和计算精度的矛盾,发现是金属颗粒导致了电场畸变,并通过金属颗粒与放电故障的关系推断出放电故障的原因[3]。但采用上述方法对放电异物来源和成分的研究还不够完善,比如常规的放电异物分析方法是基于能谱分析技术对放电异物进行微区成分分析来推断放电异物的成分和来源,至今没有可靠的数据库用来比对分析,只能得出放电异物所含的元素,对放电异物成分和来源的推断存在不确定性。为此,笔者介绍了一种GIS放电异物分析数据库的建立与应用方法,以期对放电事故的调查与故障分析提供参考。

1 理论依据

放电异物控制一直是GIS制造工艺中的重点问题。GIS放电异物通常为金属微粒,其主要存在形式有线形微粒、片形微粒、粉尘等,其中线形微粒引起电场畸变的能力最强,因而其降低设备绝缘强度的作用也最大[4]。GIS绝缘故障中除了金属微粒等异物在上述安装等环节产生之外,有的是现场试验后产生的,如触头磨损、屏蔽罩松动等。在电场或机械振动的作用下,异物会在GIS中移动,如果没有设陷阱(如凹槽),异物将会移动到绝缘子表面随电弧作用,最终形成放电事故。

通过调查发现放电异物的来源主要有两方面:

(1)GIS管理,包括零部件管理、装配管理、试验管理与现场安装管理。

(2)GIS关键结构与重点部位,包括连接部位、紧固部位、断路器、隔离及接地开关、母线。

结合实践依据,从GIS管理、GIS关键结构与重点部位来确定取样材料来源试样,可确保异物对比分析数据的系统性和完整性。取样材料可分为以下几大类:金属材料、有机绝缘材料、表层处理层、放电生成物。对GIS相关材料(金属材料、有机绝缘材料、表面处理层、放电生产物)进行能谱分析,建立成分数据库十分必要。

在GIS闪络事故调查中,通常需进行放电异物化学成分分析,即选取放电部位附近材料作为参照物,通过扫描电镜和能谱分析技术,对放电异物和参照物进行化学元素对比分析[5]。针对已知材料,在GIS关键部位植入该材料(如金属屑),模拟放电状态产生异物进行能谱分析,建立已知材料成分和放电异物成分数据库十分必要。

在已知材料成分和放电异物成分数据库建立完成后,还需建立系统的放电异物分析方法。在实际工程应用中,在GIS闪络事故后对放电异物取样,试样经处理后采用能谱分析技术进行成分分析,将分析结果纳入数据库进行对比分析,可快速准确得出放电异物的材料和来源,既可为放电事故调查分析提供可靠判据,也可在GIS的装配、试验、安装环节预防放电异物再次混入,并提供系统可靠的理论依据。

2 GIS放电异物分析数据库的建立

放电异物分析数据库的建立包括以下方面:

(1)采用能谱分析技术,对GIS相关材料(金属材料、有机绝缘材料、表面处理层、放电生产物)进行能谱分析,建立已知材料成分数据库。

(2)采用能谱分析技术,针对已知材料,在GIS关键部位植入该材料(如金属屑),模拟放电状态产生异物进行能谱分析,建立放电异物成分数据库。

(3)建立GIS放电异物取样、试样处理、试样数据分析、放电异物结果对比分析数据库系统方法(简称为GIS放电异物分析方法)。其中,放电异物结果对比分析数据库的建立流程如图1所示。

GIS放电异物分析数据库方法的优点为:形成放电异物分析系统判断方法,使放电异物分析有理有据且快捷准确;建立对比分析数据库以系统化指导放电事故分析,准确查明异物来源,防止以后类似放电事故的发生,提高产品质量;实现降本增效。

3 GIS放电异物分析数据库的应用

(1)根据GIS放电异物来源理论分析和实践经验,将放电异物来源材料分为金属材料、有机绝缘材料、表面处理层和放电生成物四类,从GIS管理和关键结构及重点部位等方面分析放电异物来源,对其进行取样分析。

(2)针对金属材料、有机绝缘材料、表面处理层和放电生成物四类材料,建立对比分析数据库,数据主要包括:试样制备、试样形貌记录、试样能谱分析,形成的对比材料数据库如图2所示。

图1 放电异物对比分析数据库的建立流程图Fig.1 Flow chart of establishing database for comparative analysis method of discharge foreign matter

图2 对比材料数据库Fig.2 Comparative material database

(3)放电异物材料数据库主要包含试样的宏观形貌、试样的扫描电镜微观形貌和试样对应的能谱谱线,其中试样的宏观形貌放大倍数为30,扫描电镜的微观形貌放大倍数为500,试样的能谱谱线如图3所示。

图3 试样能谱谱线示意图Fig.3 Schematic diagram of energy spectrum line of sample

(4)建立放电异物数据库:对于较大试样,要对其进行加工,试样尺寸为5～10 mm。能谱分析前进行试样超声波清洗,清洗液为丙酮,清洗时间为15～20 min,再用无水乙醇清洗5～10 min。对非导电试样要进行喷金处理,对于粉末状试样,需粘附在导电胶带上再实施喷金处理,记录分析试样在数码显微镜下观察到的宏观形貌和扫描电镜(SEM)下观察到的微观形貌。对试样进行能谱分析,确定5～8个合适的采点位置。最终形成如图2所示的对比材料数据库:包含对比材料试样的宏观形貌、微观形貌、能谱图、材料成分元素数据表,对比试样来源位置。

(5)实施放电异物分析方法:确定放电异物位置以及来源材料;对放电异物取样,避免异物污染;按照(4)中的步骤对取样异物进行前处理;判断放电异物材料是否导电,确定是否进行喷金处理;按照(4)中的步骤进行能谱分析;使用数据库进行对比分析,确定异物来源。放电异物分析方法实施流程如图4所示。

图4 放电异物分析方法实施流程图Fig.4 Flow chart of discharge foreign matter analysis method

4 结论

通过建立异物对比分析数据库,将GIS相关已知材料及放电异物的成分数据形成系统完善的数据库。在分析放电异物时,通过对放电异物成分数据与数据库中已知材料的成分对比分析,可快速准确地得出放电异物的材料和来源。该GIS放电异物分析方法及系统可为GIS 制造厂及用户现场放电事故的调查研究提供可靠的数据支撑,并可为GIS装配、试验、安装过程中如何预防放电异物的再次混入提供系统可靠的理论依据。