基于微觀形貌和成分分析技術的GIS內部異物來源分析與應用

馬永福，包正紅，王生杰，陳 堯，任繼云，李子彬

（國網青海省電力公司電力科學研究院，青海 西寧 810008）

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關（Gas Insulated Switchgear，GIS）設備對內部清潔度的要求極為嚴苛，異物會使導體和筒體間的局部電場發生畸變進而導致絕緣擊穿[1]。據不完全統計，由于內部異物導致的絕緣擊穿故障占到所有故障類型的54%，是造成氣體絕緣設備故障的重要原因[2]。通常導致絕緣擊穿的異物會被電弧燒蝕，無法準確判斷其來源。本文結合一起330 kV GIS母線內由于異物導致的擊穿放電故障，通過引入掃描電鏡微觀形貌觀測和能譜儀成分分析技術，對故障氣室分解物、異物和非故障氣室異物比對檢測的方式，分析研究了異物來源，針對性提出了反事故建議措施。

1 技術原理

1.1 掃描電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）簡稱掃描電鏡，是一種用于觀測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掃描樣品，通過光束與物質間的相互作用，來激發反射相關物理信息，再對這些信息收集、放大、成像以達到顯現材料微觀形貌的目的，觀測能力介于透射電子顯微鏡和光學顯微鏡之間。

新型掃描電子顯微鏡的分辨率可以達到1 nm，放大倍數可以達到30萬倍及以上連續可調，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進行旋轉以及檢測過程對樣品無任何損傷等特點，已被廣泛應用于生命科學、司法等領域[3-4]，電氣工程領域已處于逐步應用狀態[5]。

1.2 能譜儀

能譜儀（Energy Dispersive Spectrometer, EDS）是一種用來對材料微區成分元素進行定性與定量分析的儀器，是掃描電鏡的重要附件。當高能電子束轟擊樣品，將樣品中原子的內層電子電離，此時的原子處于較高激發態，外層的高能量電子會向內層躍遷以填補內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，特征波長的大小則取決于能級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來進行成分分析[6]。

2 異物收集

2.1 故障氣室

某330 kV GIS設備發生擊穿故障，解體后對故障氣室內部進行檢查，發現筒體內壁、導體和支撐絕緣子表面附著有大量灰狀分解物，對分解物進行了現場收集，如圖1所示。經仔細檢查，在放電點附近灰狀分解物中發現一顆金屬小球、一片金屬碎片和一片非金屬雜質，如圖2所示。在離放電點較遠的位置發現大小不同、形狀相似的兩片金屬碎片，肉眼觀察其一側呈暗銀色，另一側呈亮銀色，此外還發現多片非金屬絮狀雜質，如圖3所示。

圖1 故障氣室灰狀分解物

圖2 放電點附近收集的異物

圖3 遠離放電點位置收集的異物

2.2 非故障氣室

該條母線共有四個氣室，自母線投運以來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與11氣室故障前具有相同運行工況的14氣室進行了檢查。結果發現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 檢測分析

3.1 灰狀分解物

對收集的灰狀分解物進行制樣，并在掃描電鏡下觀察，發現其在放大400倍時呈大小不同的毛絨顆粒狀，顆粒表面成像較差，表明該顆粒導電性較差，如圖5所示。劃定方格進行區域能譜分析，結果如圖6所示。

圖5 分解物放大400倍形貌

圖6 分解物能譜分析結果

對灰狀分解物進行掃描電鏡下的物像和能譜分析，發現其成分中主要含有F元素（50.34%，指區域質量分數，下同）和Al元素（15.93%），其余C元素和O元素均為常規元素，未發現其它雜質元素，即分解物主要成分是F和Al的化合物，判斷為故障時在電弧作用下SF6氣體與導體和筒體內壁鋁合金化合反應產生。

3.2 放電點附近異物

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1放大35倍形貌

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

3.3 遠離放電點位置異物

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

能譜分析結果顯示，兩金屬碎片主要成分為Al，區域質量分數為67.45%和76.51%，鋁片主體表面光滑平整，判斷為導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、相互獨立不粘連，能譜分析結果顯示附著物Ti元素區域質量分數為5.16%。經與設備廠家溝通，GIS筒體內壁涂刷的絕緣漆主要成分為環氧聚酰胺，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，進一步判斷在廠內生產階段筒體內壁噴涂絕緣漆前兩片鋁片已經存在但藏匿在角落，噴涂油漆時只被噴到邊沿部分，在廠內組裝和現場安裝階段均未被發現并清理，在長期運行時自然掉落到筒壁造成；非金屬雜質主要成分為C、O和Si，判斷為外部帶入的雜質。

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，凹坑內部有大量晶粒間隙，表面除兩側邊外其余部分被橙紅色附著物包覆，能譜分析結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%），判斷在廠內生產階段筒體噴涂絕緣漆前金屬小球已經存在，來源可能為筒體焊接時濺落的鋁液。

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，凹坑內部有大量晶粒間隙，能譜分析結果表明金屬小球主要成分為Al（62.47%），判斷來源為廠內生產階段筒體焊接時濺落的鋁液。

圖13 金屬小球3放大55倍形貌

4 ?結論

1）故障氣室灰狀分解物為F和Al的化合物，由SF6氣體與導體和筒體化合反應產生。

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

3）金屬異物表面橙紅色附著物為絕緣漆，此類異物來源于廠內生產階段。

4）掃描電鏡微觀形貌觀測和能譜儀成分分析技術可有效判斷GIS內部異物來源。

5 建議

1）加大基于掃描電鏡的微觀形貌觀測技術和基于能譜儀的成分分析技術在電氣工程領域的應用。

2）設備廠家嚴格把控廠內生產加工工藝，在導體和筒體鑄造、焊接完成后進行仔細檢查，尤其注意藏匿在角落的金屬異物。

3）提高現場安裝工藝，依據現場標準作業卡，從現場安裝環境、人員著裝、點檢等方面對安裝工藝進行嚴格把控、確認，保證GIS內部清潔度滿足要求，無外界異物進入。

4）針對內部異物較多以及運行時間較長的GIS設備，建議結合設備停電計劃開展內部檢查清潔工作，進一步提升設備運行可靠性。

5）在日常設備運維中，加強超聲波、特高頻局部放電等帶電檢測工作，及時發現設備內部隱患缺陷。