在实际应用中，通过建立GIS气室内主要零部件材料成分数据库，将得到的放电异物成分输入数据库，即可筛选出放电异物对应的材料。将扫描电镜及其附带的能谱仪与计算机成像显示与分析软件结合使用，不但能观察GIS放电异物的宏观和微观形貌，还能对应宏观和微观形貌进行元素的定性与定量分析，是GIS异物放电研究和分析的利器。

GIS放电原因分析

GIS主要由断路器、电流互感器、隔离开关、接地开关、快速接地开关、电压互感器、避雷器、主母线、分支母线、带电显示装置、套管和(或)电缆终端等元器件组成，这些元器件全部封闭在接地良好的金属压力容器内，且容器内部充有规定压力值的 SF 6 绝缘气体，因而GIS也被称为 SF 6 全封闭式组合电器。 SF 6 气体具有灭弧能力强、耐电强度高、常温常压无液化问题以及化学稳定性好等优点，是迄今为止最理想的气体类灭弧及绝缘介质，目前已在各类高压开关设备中广泛使用，GIS的灭弧和绝缘性能均通过 SF 6 气体实现。

关于设备可靠性的统计表明，GIS绝缘故障中金属微粒及其他异物(以下称为放电异物)放电所引发的故障占据了很大比例，出现异物放电的主要原因是GIS在生产、装配、运输和开关动作等过程中GIS内部会不可避免地产生金属颗粒及其他异物，而金属微粒的自由运动会急剧降低 SF 6 气体的绝缘水平。GIS放电异物中金属微粒的存在形式主要有线形微粒、片形微粒和粉尘等。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；粉尘微粒由于尺寸太小，易吸附在设备部件表面。GIS内部放电异物等主要缺陷类型及引发故障比例如表1和图1所示。

表1 GIS内部主要缺陷类型及引发故障比例

％

图1 GIS内部主要缺陷示意图

GIS放电异物取样方式

对GIS放电异物进行分析时，有两种取样方式：

(1)在放电位置附近找到没有发生燃烧的金属微粒。

(2)在经过放电燃烧后的化学反应产物中取样。

SF 6 气体绝缘式高压开关通常从放电后 SF 6 气体与气室内金属材料高温燃烧的反应产物中取样。

放电点附近金属异物分析

在模拟耐压放电试验后，拆解GIS后发现绝缘筒内有金属异物，金属异物取样位置如图2所示。

图2 1号金属异物的取样位置

将该金属异物编号为1号。取出1号金属异物使用VHX-500K型数码显微镜进行观察，由图3可见，1号金属异物呈金黄色长丝状。

图3 1号金属异物的放大形貌

在该金属异物上取样，使用JEOL JSM-6510A型扫描电镜观察微观形貌，由图4可见，金属异物表面一半光滑，一半呈切割撕拉状。

图4 1号金属异物的SEM形貌

使用扫描电镜附带的能谱仪对图4中的001位置进行微区成分分析，结果如图5所示。可见1号金属异物中含有铜和铬，由此推测1号金属异物来自于灭弧室中的弧触头。

图5 1号金属异物的EDS分析结果

在模拟耐压放电试验后，发现放电绝缘筒内有金属异物并取样，金属异物取样位置如图6所示。

图6 2号金属异物的取样位置

将该金属异物编号为2号。分别在2号金属异物附有白亮色金属颗粒的A，B部位取样，试样分别编号为2-1，2-2号。使用JEOL JSM-6510A型扫描电镜观察两个试样的微观形貌，由图7和图8可见，试样中有白亮色颗粒。

图7 2-1号金属异物的SEM形貌

图8 2-2号金属异物的SEM形貌

使用扫描电镜附带的能谱仪对图7中a位置和图8中的b位置进行微区成分分析，结果如图9和图10所示。

图9 2-1号金属异物的EDS分析结果(图7中a位置)

图10 2-2号金属异物的EDS分析结果(图8中b位置)

可见2号金属异物的A，B部位都含有铝和氧，由此推测2号金属异物来自于铝导体。

放电后反应产物分析

某隔离接地开关放电拆解后，用碳导电胶带粘取放电后产生的粉末状反应产物(以下称为放电粉末)，其宏观形貌如图11所示。

图11 碳导电胶带上放电粉末的宏观形貌

在该粘有粉末的胶带的C，D部位取粉末试样，分别编号为3-1，3-2号。使用JEOL JSM-6510A型扫描电镜观察3-1，3-2号试样的微观形貌，由图12可见，试样中有絮状物和细小颗粒。

图12 3-1号放电粉末的SEM形貌

由图13可见，试样中有大片絮状物和细小颗粒。

图13 3-2号放电粉末的SEM形貌

使用扫描电镜附带的能谱仪对图12中002，003，004，005位置进行微区成分分析，结果如表2和图14(图14为002位置EDS分析结果)所示，可见3-1号试样中有铝和氟，由此推测3-1号试样为 SF 6 与导体铝放电反应后的产物。

表2 3-1号放电粉末不同位置(图12中)的EDS分析结果(质量分数)

％

图14 3-1号放电粉末的EDS分析结果(图12中002位置)

使用扫描电镜附带的能谱仪对图13中006位置进行微区成分分析，结果如图15所示，可见3-2号试样中有氟、铝、铬、铁、锌和银，由此推测3-2号试样为 SF 6 与ZL101A镀银件及35CrMo零件放电反应后的产物。

图15 3-2号放电粉末的EDS分析结果(图13中006位置)

综上可以推断图11中粉末是SF6气体与导体放电反应后的产物。

能谱准确性分析

为验证能谱分析GIS放电异物成分的准确性，从6种钢铁材料、3种铜材料、7种铝材料、7种表面处理材料、3种绝缘材料(材料名称见表4)中取样，使用JEOL JSM-6510A型扫描电镜及其附带的能谱仪分析微区成分，分析位置和分析结果如图16(因试样较多，此处仅列出表面处理材料的分析位置)和表4所示。

图16 不同表面处理试样的EDS分析位置

表4 不同材料试样能谱分析结果(质量分数)

使用PDA7000型光电直读光谱仪进行材料化学成分分析，将化学成分分析结果与能谱分析结果对比后发现两种结果一致，采用扫描电镜和能谱分析GIS放电异物成分得到的结果较准确。

结语

选自：《理化检验—物理分册》 Vol.56 2020.3