气体绝缘金属封闭开关(GIS)设备在装配、运输及运行等阶段可能会产生金属异物，这些金属异物黏附在盆式绝缘子表面随电弧作用，会产生沿面闪络等放电事故。使用能谱仪(EDS)对放电异物取样进行金属微区成分分析，以确定导致GIS设备放电事故异物的来源。GIS设备的焊接壳体、连接导体、屏蔽件、盆式绝缘子等零部件中均含有 Al元素。在绝缘子上的放电点及放电通道上进行异物成分分析时，检测出的W元素应是来源于铜钨合金触头，检测出的Cu或Ag元素应是来源于铜材料和表面镀银的零部件。环氧浇注绝缘件中含有C、O、Al等元素，充入的SF6气体放电后的产物中含有F元素，因此，仅检测出C、O、Al、F等元素时，无法准确判定放电异物的来源。研究人员对外来异物铝丝进行放电试验，排除了盆式绝缘子本体Al元素的含量，确定了异物来源，结果可为延长GIS设备的使用寿命提供理论基础。
1、盆式绝缘子
1.1 盆式绝缘子的原材料
盆式绝缘子在环氧浇注绝缘件中属于有机材料绝缘件，具有加工工艺性能良好、力学性能好、电气性能优良、耐热性强、致密性高、免维护等优点，主要应用于开关、断路器等设备中，在GIS设备中起到隔离、支撑、固定、灭弧、改善电位梯度及保护导体等作用。盆式绝缘子的主要原材料为固态或液态环氧树脂、酸酐类固化剂和填料等。对于填料的含量配比，各个生产厂家的配方并不相同。对研究人员公司常用的盆式绝缘子进行成分分析，其主要成分为双酚A性环氧树脂、邻苯二甲酸酐、Al2O3、促进剂、增韧剂等。
1.2 盆式绝缘子本体成分分析
分别在不同浇注炉次(炉次1和炉次2)的盆式绝缘子凸面、中间层、凹面的碎块上取样，对试样进行扫描电镜(SEM)及能谱分析，结果如图1和表1所示。由图1和表1可知：炉次1中碎块试样的C元素质量分数为58.45%~76.12%，O元素质量分数为19.51% ~32.84%，Al元素质量分数为0.37%~5.06%；炉次2中碎块试样的C元素质量分数为61.49% ~76.35%，O元素质量分数为20.81%~34.42%，Al元素质量分数为0.11% ~4.42%，盆式绝缘子凸面、中间层、凹面处的化学成分没有明显差异。
考虑到放电时瞬时温度较高，会对盆式绝缘子产生烧灼，造成成分比例改变，因此对2个炉次的碎块进行坩埚试验。将碎块放在坩埚内并标记炉次，然后放置在高温炉内，设定温度为700℃，经12h高温烧灼后，碎块变成粉末状，对粉末试样进行SEM及EDS分析，结果如图2和表2所示。由图2和表2可知：炉次1中粉末试样的O元素质量分数为53.14%~65.68%，Al元素质量分数为21.63%~46.86%；炉次2中粉末试样O元素质量分数为43.21% ~59.16%，Al元素质量分数为34.32%~49.20%。
2、外来异物铝丝成分分析及放电试验
2.1 成分分析
选取铝丝为外来金属异物，使用润滑脂将铝丝黏附在盆式绝缘子表面，充入SF6气体，模拟GIS设备实际工况，进行雷电冲击和工频试验，使用导电胶带对放电后的产物进行成分分析，选取6根铝丝，编号为1#~6#，6根铝丝的规格均为0.13mm×3mm(直径×长度)，对铝丝进行SEM及EDS分析，铝丝中Al元素的质量分数大于90%(见图3及表3)。
2.2 放电试验
盆式绝缘子凹面的场强较高，绝缘裕度较小，叠加合成场强的法向数值较大，吸附异物能力强，有较高的放电风险。因此，将1#~6#铝丝黏附在盆式绝缘子凹面进行放电试验,铝丝黏附位置如图4所示，放电类型及电压如表4所示，放电试验结果如图5所示。由图5可知：铝丝放电后在盆式绝缘子上形成了放电通道，放电纹路呈树枝状或伞状。
放电后，采集盆式绝缘子表面的异物。因放电电压较高，瞬时温度可达到1000℃以上，铝丝在高温下已经熔解，故需使用强光手电进行目视观察。金属颗粒一般在放电点周围和放电通道中间部位，极少数在末端和其他部位。采集异物时，首先采集表面的金属颗粒，当没有发现金属颗粒时，则需要分别采集放电通道起始点、通道中间和末端位置。
1#~6#铝丝放电后在盆式绝缘子表面产生的粉末状或丝状异物，对该异物进行EDS分析，结果如表5所示。由表5可知：异物中F元素为充入的SF6气体经放电沉淀的产物，C和O元素主要为盆式绝缘子放电析出的产物，Al元素为盆式绝缘子和铝丝放电结合的产物，Al元素质量分数为52.44%~90.57%，且放电电压越高，Al元素的质量分数越大。
综上所述，盆式绝缘子本体在未经过任何处理的情况下，Al元素的质量分数最大为5.06%；经过700℃，12h高温灼烧后，盆式绝缘子呈粉末状，Al元素的质量分数最大为49.20%；加入外来异物铝丝并进行放电试验后，盆式绝缘子表面异物中Al元素的质量分数最小为52.44%。放电试验后，盆式绝缘子表面Al元素的含量大于盆式绝缘子本体的Al元素含量。
3 、结论
(1)在对铝丝进行放电试验时，放电电压越高，Al元素的质量分数越大。
(2)当盆式绝缘子表面Al元素的含量大于盆式绝缘子本体的Al元素含量时，可以确定异物为外来铝材料吸附在盆式绝缘子表面产生放电所致。
作者：赵柯，熊明华，李要锋，张垒，王延涛，张明英
单位：河南平芝高压开关有限公司
来源：《理化检验-物理分册》2023年第9期
