近年來,超高壓、遠距離、大容量輸電技術迅速發展,對電力設備的絕緣性能提出了更高的要求,而設備小型化、緊湊化的發展趨勢使絕緣性能的重要性愈加突出。環氧樹脂易于成型、化學性能穩定、耐熱性能好、機械韌性和電氣絕緣性能優異,因此被廣泛應用于高壓電工裝備絕緣。
環氧樹脂絕緣件主要包括澆注類和浸漬類,前者主要應用于電機、電器、高壓開關以及干式變壓器等,比如環氧澆注盆式絕緣子在氣體絕緣開關設備(Gas Insulated Switchgear, GIS)中起著支撐載流導體母線、電氣絕緣及隔離氣室的作用;后者則主要應用于電機線圈、絕緣拉桿和干式套管等,例如絕緣拉桿主體采用纖維增強環氧樹脂復合材料制成,用于將運動從接地部分傳送到高電位部分,以實現電氣連接的通斷。
環氧絕緣件中一旦出現絕緣缺陷,運行過程中會導致局部電場畸變,甚至達到平均電場強度的數倍以上。電場畸變引起的局部放電容易使環氧絕緣件老化,絕緣性能下降,最終使高壓電力設備絕緣系統發生沿面閃絡、內部擊穿等故障,并嚴重威脅電力系統的安全穩定運行。
已有研究表明,GIS環氧絕緣件中裂紋、分層、氣泡三種不同缺陷下局部放電產生的脈沖波形、擊穿電壓等放電特征以及擊穿風險均存在差異,其中裂紋缺陷產生的局部放電脈沖波形的上升沿最小,其擊穿電壓也最小,在長期運行工況下擊穿風險最高。對GIS絕緣內部不同形狀氣隙缺陷處電場分布的有限元仿真分析發現,氣隙缺陷大小對電場強度畸變影響較小,而缺陷形狀以及所在位置為場強畸變的重要影響因素;采用特高頻法對實際GIS缺陷模型產生的局部放電進行檢測,發現裂縫缺陷下的放電比氣泡缺陷下的放電更為劇烈,并且裂縫寬度越小放電越劇烈。
對芳綸纖維增強型絕緣拉桿實體三維模型進行電場仿真分析表明,復合材料界面結合不佳引起的層間分離缺陷是運行中絕緣拉桿放電的主要原因。
上述研究均表明環氧絕緣件中存在的各類缺陷都會嚴重影響其絕緣性能,是導致高壓電力設備故障的重要原因。對環氧絕緣件中的缺陷進行有效、準確的檢測有助于提高其使用壽命并降低高壓電力設備運行維護成本。
天津大學等單位的科研人員根據國內外研究成果,介紹了環氧絕緣件中缺陷產生的機理以及相關的無損檢測方法,分析了生產過程、運行過程中容易出現的缺陷類型以及對絕緣性能造成的影響,并對基于電學特性檢測方法、高頻檢測方法和超聲波檢測方法進行了對比、總結和展望。
他們表示,目前國內外研究人員對電工環氧絕緣件缺陷提出了諸多檢測方法,但是都存在各自的局限性。
他們最后指出,環氧絕緣件的應用對高壓電力設備的絕緣性能和使用壽命有顯著的提升作用,但是環氧絕緣件中存在缺陷會導致電場發生嚴重畸變,引發局部放電,使環氧絕緣件逐漸劣化,最終使絕緣系統發生沿面閃絡、內部擊穿等故障。因此需要對環氧絕緣件中缺陷的有效檢測進行更深入的研究。
1)目前國內外對環氧絕緣件缺陷檢測主要采用單一手段進行缺陷檢測,大大限制了缺陷檢出的有效性和準確性。如何實現多種檢測手段協同作用,綜合評定絕緣件是否存在缺陷是今后的發展方向。
2)環氧絕緣件還會出現由填料分布不均或者交聯度不均等引起的潛伏性缺陷,目前還沒有方法能進行有效檢測。潛伏性缺陷通過影響表面電荷行為及改變介電參數分布造成局部電場集中,成為誘發絕緣件故障的重要原因。迫切需要開發更為先進的光電傳感器件與方法,實現電工環氧絕緣件潛伏性缺陷的早期預警。
以上研究成果發表在2021年第21期《電工技術學報》,論文標題為“電工環氧絕緣件缺陷無損檢測方法研究進展”,作者為李進、趙仁勇 等。