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马永福，包正红，王生杰，陈 尧，任继云，李子彬
（国网青海省电力公司电力科学研究院，青海 西宁 810008）
气体绝缘金属封闭开关（Gas Insulated Switchgear，GIS）设备对内部清洁度的要求极为严苛，异物会使导体和筒体间的局部电场发生畸变进而导致绝缘击穿[1]。据不完全统计，由于内部异物导致的绝缘击穿故障占到所有故障类型的54%，是造成气体绝缘设备故障的重要原因[2]。通常导致绝缘击穿的异物会被电弧烧蚀，无法准确判断其来源。本文结合一起330 kV GIS母线内由于异物导致的击穿放电故障，通过引入扫描电镜微观形貌观测和能谱仪成分分析技术，对故障气室分解物、异物和非故障气室异物比对检测的方式，分析研究了异物来源，针对性提出了反事故建议措施。
1.1 扫描电子显微镜
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）简称扫描电镜，是一种用于观测材料微观形貌的精密仪器。其利用聚焦很窄的高能电子束来扫描样品，通过光束与物质间的相互作用，来激发反射相关物理信息，再对这些信息收集、放大、成像以达到显现材料微观形貌的目的，观测能力介于透射电子显微镜和光学显微镜之间。
新型扫描电子显微镜的分辨率可以达到1 nm，放大倍数可以达到30万倍及以上连续可调，并且具有景深大、分辨率高、成像立体直观、样品可在三维空间内进行旋转以及检测过程对样品无任何损伤等特点，已被广泛应用于生命科学、司法等领域[3-4]，电气工程领域已处于逐步应用状态[5]。
1.2 能谱仪
能谱仪（Energy Dispersive Spectrometer, EDS）是一种用来对材料微区成分元素进行定性与定量分析的仪器，是扫描电镜的重要附件。当高能电子束轰击样品，将样品中原子的内层电子电离，此时的原子处于较高激发态，外层的高能量电子会向内层跃迁以填补内层空缺从而释放能量，这部分辐射能量称为特征X射线。每种元素都有自己的特征X射线波长，特征波长的大小则取决于能级跃迁过程中释放出的特征能量△E，能谱仪就是利用不同元素X射线光子特征能量不同这一特点来进行成分分析[6]。
2.1 故障气室
某330 kV GIS设备发生击穿故障，解体后对故障气室内部进行检查，发现筒体内壁、导体和支撑绝缘子表面附着有大量灰状分解物，对分解物进行了现场收集，如图1所示。经仔细检查，在放电点附近灰状分解物中发现一颗金属小球、一片金属碎片和一片非金属杂质，如图2所示。在离放电点较远的位置发现大小不同、形状相似的两片金属碎片，肉眼观察其一侧呈暗银色，另一侧呈亮银色，此外还发现多片非金属絮状杂质，如图3所示。
图1 故障气室灰状分解物
图2 放电点附近收集的异物
图3 远离放电点位置收集的异物
2.2 非故障气室
该条母线共有四个气室，自母线投运以来11气室（本次故障）和14气室此前未曾开盖，12和13气室前期曾开展过检修工作，因此在母线停电期间对与11气室故障前具有相同运行工况的14气室进行了检查。结果发现两颗粒径不同的金属小球，如图4所示。
图4 两颗金属小球
3.1 灰状分解物
对收集的灰状分解物进行制样，并在扫描电镜下观察，发现其在放大400倍时呈大小不同的毛绒颗粒状，颗粒表面成像较差，表明该颗粒导电性较差，如图5所示。划定方格进行区域能谱分析，结果如图6所示。
图5 分解物放大400倍形貌
图6 分解物能谱分析结果
对灰状分解物进行扫描电镜下的物像和能谱分析，发现其成分中主要含有F元素（50.34%，指区域质量分数，下同）和Al元素（15.93%），其余C元素和O元素均为常规元素，未发现其它杂质元素，即分解物主要成分是F和Al的化合物，判断为故障时在电弧作用下SF6气体与导体和筒体内壁铝合金化合反应产生。
3.2 放电点附近异物
金属小球1的直径约为1.15 mm，金属碎片1的尺寸约为（4×1.5×0.3）mm，非金属杂质1的尺寸约为（3×1.5×0.8）mm，三者扫描电镜形貌如图7至图9所示。
图7 金属小球1放大70倍形貌
图8 金属碎片1放大35倍形貌
图9 非金属杂质1放大35倍形貌
能谱分析结果显示，金属小球和金属碎片主要成分为Al（81.77%），金属小球表面相对光滑且呈熔炼重塑状，判断为故障电弧烧蚀导体或筒体内壁铝合金熔融造成；
金属碎片表面及边缘形状较为规则、无熔炼痕迹，判断来源于导体或筒体表面；
非金属杂质主要成分为C和O，判断为外部带入的杂质。
3.3 远离放电点位置异物
金属碎片2尺寸约为（3×1.5×0.4）mm，金属碎片3尺寸约为（2×1.0×0.4）mm，扫描电镜形貌如图10和图11所示。非金属杂质2形貌与图9相似。
图10 金属碎片2放大50倍形貌
图11 金属碎片3放大35倍形貌
能谱分析结果显示，两金属碎片主要成分为Al，区域质量分数为67.45%和76.51%，铝片主体表面光滑平整，判断为导体或筒体表面剐蹭掉落。边沿有橙红色液体喷溅状附着物，金属碎片3表面居多，该附着物中间厚边缘薄、相互独立不粘连，能谱分析结果显示附着物Ti元素区域质量分数为5.16%。经与设备厂家沟通，GIS筒体内壁涂刷的绝缘漆主要成分为环氧聚酰胺，呈橙红色，由氧化铁、钛白粉（主要成分为TiO2，作颜料和粘附剂）和其它原料制成，由此可以判断附着物为绝缘漆，进一步判断在厂内生产阶段筒体内壁喷涂绝缘漆前两片铝片已经存在但藏匿在角落，喷涂油漆时只被喷到边沿部分，在厂内组装和现场安装阶段均未被发现并清理，在长期运行时自然掉落到筒壁造成；
非金属杂质主要成分为C、O和Si，判断为外部带入的杂质。
3.4 非故障气室异物
金属小球2直径约为1.59 mm，扫描电镜形貌如图12所示，表面呈熔炼重塑状，存在较多气孔和凹坑，凹坑内部有大量晶粒间隙，表面除两侧边外其余部分被橙红色附着物包覆，能谱分析结果显示金属小球主要成分为Al（48.43%），橙红色附着物主要成分为Ti（0.99%），判断在厂内生产阶段筒体喷涂绝缘漆前金属小球已经存在，来源可能为筒体焊接时溅落的铝液。
图12 金属小球2放大70倍形貌
金属小球3直径约为1.33 mm，扫描电镜形貌如图13所示，表面呈熔炼重塑状，存在较多气孔和凹坑，凹坑内部有大量晶粒间隙，能谱分析结果表明金属小球主要成分为Al（62.47%），判断来源为厂内生产阶段筒体焊接时溅落的铝液。
图13 金属小球3放大55倍形貌
1）故障气室灰状分解物为F和Al的化合物，由SF6气体与导体和筒体化合反应产生。
2）金属小球由铝合金熔融形成，金属碎片来源于导体或筒体表面，非金属杂质由外部带入。
3）金属异物表面橙红色附着物为绝缘漆，此类异物来源于厂内生产阶段。
4）扫描电镜微观形貌观测和能谱仪成分分析技术可有效判断GIS内部异物来源。
1）加大基于扫描电镜的微观形貌观测技术和基于能谱仪的成分分析技术在电气工程领域的应用。
2）设备厂家严格把控厂内生产加工工艺，在导体和筒体铸造、焊接完成后进行仔细检查，尤其注意藏匿在角落的金属异物。
3）提高现场安装工艺，依据现场标准作业卡，从现场安装环境、人员着装、点检等方面对安装工艺进行严格把控、确认，保证GIS内部清洁度满足要求，无外界异物进入。
4）针对内部异物较多以及运行时间较长的GIS设备，建议结合设备停电计划开展内部检查清洁工作，进一步提升设备运行可靠性。
5）在日常设备运维中，加强超声波、特高频局部放电等带电检测工作，及时发现设备内部隐患缺陷。
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