盆式绝缘子表面混入金属异物大小对绝缘性能及射线探伤的影响*

张五杰，熊明华, 李要锋,王延涛，邵明艳,张明英,赵 柯，张 磊

（河南平芝高压开关有限公司,河南平顶山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）在输电网中的应用日益广泛,对电力系统的安全稳定和经济运行起到了关键作用。与传统敞开式电气设备相比,其具有结构紧凑、安装快、环境适应能力强、安全性高、维护工作量少、检验周期长等优点[1-5]。

目前,盆式绝缘子是以改性环氧树脂为主,渗入氧化铝颗粒,通过真空浇注工艺形成的一种复合材料。其环氧树脂是一类含有环氧基团的高分子集合物的总称,具有良好的介电性能、力学性能、理化特性和良好的可加工性,配合固化剂、填料、添加剂后,能满足不同的使用性能和工艺要求[6]。盆式绝缘子在出厂装配前必须通过外观尺寸检查、接地屏蔽导通试验、着色探伤、X射线检查、工频耐压、局部放电、水压试验、气密试验等工序,测试合格后才能装配到气体绝缘金属封闭开关设备上。

盆式绝缘子是气体绝缘金属封闭开关设备的重要绝缘部件,用来对GIS中的高电压导体进行支撑固定[7],在GIS设备中广泛运用,其绝缘状况与GIS的正常运行密切相关。导致绝缘子闪络的原因主要有以下4种：第一,盆式绝缘子表面出现裂纹、不平滑、划伤等原因造成其表面粗糙,导致表面电场发生畸变,从而使盆式绝缘子表面闪络电压降低；第二,盆式绝缘子存放环境湿度过大,造成盆式绝缘子表面吸附水分,进而在表面形成水膜,使沿面电压分布不均,使闪络电压显著降低；第三,GIS运行现场防尘措施不够完善,空气中弥漫的粉尘进入气室内部,粉尘微粒会在垂直气室和管道的水平盆式绝缘子的上表面不断积存,日积月累,附着在盆式绝缘子表面的杂质越积越多,造成盆式绝缘子表面电场分布不均,闪络电压降低,易发生闪络放电；第四,隔离开关或者断路器动作时触头碰撞会产生金属微粒,金属微粒在电场作用下附着在绝缘子表面,导致绝缘子表面电场畸变,使得闪络电压降低。可见上述4种绝缘子闪络的主要原因为装配环境、操作运行等过程产生的异物、碰伤及水分的变化造成,而对盆式绝缘子在生产制作过程中产生混入在高电位表面的金属异物大小对绝缘性能及射线探伤的影响,在前人研究中未提及。

本文主要针对盆式绝缘子在产品制造过程中产生混入在其表面的异物进行研究,在生产中挑选出存在镶嵌表面异物的绝缘盆,把存在异物的盆式绝缘进行装配,通过电气试验、EDS能谱分析、 X射线DR成像技术对其进行可视化检测。通过对比分析确认产品出厂试验可检测异物最小值,及存在的金属异物对产品电气性能的影响,可区别金属微粒附着在绝缘子表面引起的沿面闪络现象,为后续生产及排查异物来源工作做进一步的指导。

1 盆式绝缘子金属异物试验方案

异物控制一直是GIS制造工艺中重点问题,GIS 设备可靠性的统计表明,GIS 绝缘故障中异物及微粒放电占相当大的比例,其主要原因是GIS 设备在生产、装配、运输以及开关动作等过程中会不可避免地在设备内部产生金属颗粒及其他异物[8],这些金属颗粒的自由运动能够急剧降低SF6气体的绝缘水平。GIS绝缘故障中异物及微粒一方面是安装时留下的,在现场测试中未被检测到；另一种是现场试验后产生的,如触头磨损、屏蔽罩松动等。在电场或机械振动作用下,异物会在GIS中移动,如果没有设陷阱,异物将可能移动到绝缘子表面随电弧作用、触头烧损和金属颗粒产生,最终形成放电事故。三是绝缘盆零部件本身产生的异物,如绝缘盆内夹杂的金属异物、非金属异物,金属异物混入绝缘盆表面时,耐电压降低,异物尺寸若较小,采用X射线方法检测无法准确识别,如何控制该类异物,防止其降低整个产品的电气性能,需深入研究。

1.1 样品筛选、电气试验

通过对大量绝缘盆外观进行筛选检查,挑选绝缘盆高电位表面存在混入典型异物夹杂的样品,经对异物轻微打磨后发现有金属光泽,疑似金属异物,如图1所示。

图1 混入异物样品Fig.1 Sample with a foreign body

为验证此类异物对产品整体电气性能的影响,对含金属光泽异物的样品进行雷电冲击±1050kV各三次、工频耐压AC460kV、局放电压AC176kV试验,电气试验结果见表1。 从表1中可以看出,当该疑似金属异物混入在环氧浇注件高电位表面时,其雷电冲击试验、工频耐压试验均通过,无闪络,且局部放电试验局放值为2.3PC,即电气试验通过。

表1 电气试验项目Table 1 Electrical test items

1.2 无损探伤

在进行完电气试验后,为验证该异物在无损检测时（X射线探伤）能否被发现,在缺陷部位用铁丝做好明显标记,对该样品缺陷部位进行X射线探伤,通过调节X射线探伤机电压,使其实时成像电子影像最清晰,以便检测更细小的缺陷,结果如图2所示。

图2 X射线影像Fig.2 X ray image

从图2 X射线影像中可以看出,用于标记缺陷部位的金属丝可明确识别,但其包裹范围内未发现其他金属夹杂或非金属异物缺陷。

综合以上研究与分析,上述异物未对电气性能产生影响,且在X射线探伤检查时,不能被发现,为进一步深入研究,判断确定该异物成分,有必要对其进行定性分析,通过定性分析,明确该异物是否为金属异物,同时对定性后的异物进行X射线探伤,确定盆式绝缘子表面混入疑似金属异物大小对绝缘性能及射线探伤的影响,并为后续在制产品的检查提供依据,也为工厂内及现场放电事故调查分析研究提供可靠的理论依据。

2 试验验证与分析

2.1 样品成分分析

将绝缘盆中高电位部异物切割成φ50mm的试样2个,如图3、图4所示；利用扫描电镜能谱分析功能,对异物成分进行检测分析,首先将制好的试样利用导电胶带将异物连接放入扫描电镜,其次为准确反映异物整体成分,选取左右端及中间部位作为样点,通过EDS能谱分析对样点成分进行测量,试样取点部位如图5、图7所示,试样元素分析结果如图6、图8所示,试样元素含量值见表2、表3。

表2 试样1成分含量(%)Table 2 Component content of sample 1

表3 试样2成分含量(%)Table 3 Component content of sample 2

图3 取样部位 Fig.3 Sampling location

图4 试样Fig.4 Sample

图5 试样1取样姿态 Fig.5 Sampling attitude of sample 1

图6 试样1分析图Fig.6 Sample 1 analysis diagram

图7 试样2取样姿态 Fig.7 Sampling attitude of sample 2

图8 试样2分析图Fig.8 Sample 2 analysis diagram

从图6和图8中可以看出,试样1含有O、Al元素,试样2仅含有Fe元素,我们知道环氧树脂是指单分子中含有两个以上环氧基的化合物,其配合固化剂、填料、添加剂经真空浇注制成盆式绝缘子,考虑其填料为Al2O3含有Al元素,从表4能谱分析结果确定绝缘盆主要元素为C、O、Al,其中C含量占比最高,O其次,Al占比仅有7.8%,结合2和表3可以看出,试样1中O为异物表面可能存在的环氧树脂或者粘附有粉尘氧化物未清理干净,Al因占比高达达91.78%～93.67%,远高于绝缘盆本身填料Al占比,可确定试样1主要为金属Al元素,其为外部混入异物,非绝缘盆自身填料。试样2的主要元素为金属Fe元素,占比达到100%。

表4 绝缘盆成分含量(%)Table 4 Composition of insulating basin

综合上述分析,可以判定试样1和试样2异物为金属异物。

2.2 异物大小测量

经扫描电镜对异物成分进行确定后,为便于观察测量异物的形状和大小,利用数码显微镜,将试样放大50倍,校准该倍数下的标尺,并对试样1、试样2中表面异物形状、大小、面积进行观察及测量,测量姿态如图9、图10所示,测量结果见表5。

图9 试样1测量姿态 Fig.9 Sample 1 measurement attitude

图10 试样2测量姿态Fig.10 Sample 2 measurement attitude

表5 试样1、试样2测量值Table 5 Measurement values of sample 1 and sample 2

从图9可以看出,试样1外形粗细较均匀,中间部位稍宽,类似棒状异物；从图10可以看出,试样2外形呈现一头粗一头细特征,类似针状异物；结合表5的测量值,确定异物最大面积为0.0626 mm2。

在电网运行中,由于异物导致的放电故障发生次数最多,故障影响最大,占29%[9-11],其中包含因绝缘盆表面异物引起的沿面闪络放电,通常盆式绝缘子浇注后严禁有剥离、气泡、气孔和裂纹等缺陷,尤其要避免针状、棒状金属异物的存在,通过上述的分析与验证,目前可以得知在绝缘盆高电位部,混入面积为0.0626mm2大小的针状、棒状金属异物对产品雷电冲击、工频耐压、局部放电试验无影响,电气试验通过。

盆式绝缘子在加工制造时,应对其进行X射线探伤检查,通过X射线电子影像,排除剥离、气泡、气孔和裂纹及金属异物等产品缺陷,为进一步验证金属异物在X射线探伤时能发现的最小直径,本文进行了下述研究。

2.3 无损探伤检测

通过已知异物材料成分、大小,根据金属异物的材质和大小情况,选取异物宽度最大值0.112mm作为参考值,分别制作Fe、Al材质不同线径的标准金属丝,金属丝粗细依次为0.4、0.32、0.25、0.20、0.16、0.125、0.10 mm,对应编号为10～16,如图11、表6所示。根据绝缘盆厚度分布情况,将上述不同金属丝同时放置在绝缘盆高电位部上进行X射线拍照,照射方式为上方为放射源,中间为绝缘盆,下方为接收器,如图12所示,调节设备电压值,对比确认同样工况下,X射线探伤可发现混入环氧树脂绝缘盆中金属异物的大小,进一步控制产品制造的质量,减少因金属异物引起的放电事故。

图11 Fe、Al材质金属丝Fig.11 Fe, Al material wire

表6 金属丝直径(mm)与编号Table 6 Wire diameter and number

图12 X射线拍照姿态 Fig.12 X-ray imaging posture

结果表明绝缘盆在15～40 mm厚度的情况下,从图13可以看出,0.16、0.20、0.25、0.32、0.4 mm的Al材质金属丝可在射线照片中识别；从图14可以看出,0.125、0.16、0.20、0.25、0.32、0.4 mm的Fe材质金属丝可在射线照片中识别。对于在X射线探伤中可识别的金属异物缺陷,是不允许存在的,对于不能识别的缺陷,只能通过肉眼确认其外观。

图13 AI材质金属丝探伤电子图像 Fig.13 Al material wire flaw detection electronic image

图14 Fe材质金属丝探伤电子图像Fig.14 Fe material wire flaw detection electronic image

3 结论

（1）对于厚度15～40mm绝缘盆在X射线探伤下,其混入0.16mm以下的Al材质金属异物及0.125mm的Fe材质金属异物无法识别,需通过肉眼进行外观检查,在ø50mm范围内,可允许混入环氧树脂表面的导电性异物大小面积为0.0626mm2以下,形状可为针状、棒状的导电性异物,该范围内异物大小对电气性能无影响。

（2）盆式绝缘子沿面闪络放电现象,可确定为表面异物导致,为进一步查找真实放电原因提供依据,对后期查明异物来源指引方向。