環氧樹脂澆注絕緣子的水壓及氣密性綜合試驗方法

王光明1, 牛建鴻1, 嚴 新1, 周清政, 張 輝

(1.西安西電高壓開關有限責任公司， 西安 710018; 2.平頂山市絕緣制品股份有限公司， 平頂山 467002)

氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)廣泛用于電力系統。GIS在運行時，其內部充有高壓六氟化硫(SF6)氣體，SF6氣體是一種良好的高壓設備絕緣介質，具有很高的電介質強度、出色的絕緣性能和滅弧性能。絕緣子(隔板)是GIS中使用最廣泛的關鍵零部件，其具有良好的電性能和優異的強度，在高電壓大電流導體與接地罐體之間起著隔離、支撐固定的作用[1-7]。GIS中絕緣子的重要作用之一就是把一個氣室與其他氣室隔離開。由于絕緣子兩側的壓力不同，絕緣子必須能承受規定壓力而不發生破裂。絕緣子中環氧樹脂固化后為脆性材料，如果使用氣體(通常為氮氣或SF6)進行壓力試驗，氣體壓縮性較大會導致環氧樹脂破裂后碎片飛濺造成人身傷害，因而一般使用水壓代替氣壓進行絕緣子壓力試驗。絕緣子通常用環氧樹脂通過澆注工藝包裹金屬導體得到。在絕緣子的質量檢測中，除了電性能之外，絕緣子的水壓及氣密性也是必檢項目[8-13]。絕緣子在出廠檢測時需進行水壓試驗和氣密性試驗，檢測效率較低，如果能夠將這兩種試驗合并進行，檢測效率將會提升。筆者介紹了一種將水壓試驗與氣密性試驗合并進行的綜合試驗方法。

1 水壓及氣密性的檢測要求

1.1 絕緣子的種類

高壓電氣系統中所用絕緣子按外形分為盤式絕緣子、盆式絕緣子等；按導體相數分為單相絕緣子、三相絕緣子等，如圖1所示。

圖1 不同種類的絕緣子宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of different kinds of insulators: a) single-phase dics insulator; b) three-phase disc insulator; c) single-phase basin insulator; d) three-phase bosin insulator

1.2 絕緣子水壓及氣密性的檢測要求

通常按照GB 7674-2008《額定電壓72.5 kV及以上氣體絕緣金屬封閉開關設備》通過壓力試驗和泄漏試驗對絕緣子的水壓和氣密性進行檢測。

GB 7674-2008將絕緣子的壓力試驗分為例行壓力試驗和型式壓力試驗。例行壓力試驗是在國家標準或行業標準下進行的出廠試驗、現場交接試驗或運行中的定期試驗；型式壓力試驗是在設計完成后，對試制出來的新產品進行的定型試驗，其試驗項目的數量比例行壓力試驗項目的多且試驗要求更加嚴格和苛刻。

GB 7674-2008對水壓的例行壓力試驗規定：每個隔板應承受兩倍設計壓力的壓力試驗1 min。GB 7674-2008對水壓的型式壓力試驗規定：型式試驗壓力應大于三倍的設計壓力試驗1 min。GB 7674-2008對例行水壓試驗、型式水壓試驗的升壓速率規定：壓力應以不超過400 Pa·min-1的速率上升直到試樣出現破裂。

GB 7674-2008對泄漏試驗規定：封閉壓力系統在設備運行壽命期間，每年從氣體絕緣金屬封閉開關設備的任意單個隔室到大氣或隔室間的漏氣率不應大于0.5%。

2 絕緣子水壓試驗方法

2.1 絕緣子水壓試驗原理

絕緣子水壓試驗原理：根據GB 7674-2008，將絕緣子裝入水壓檢測工裝后，采用升壓裝置將壓力以400 Pa·min-1的速率上升到設計壓力，如果絕緣子在該壓力下保持1 min未破裂，表明其符合設計要求。

2.2 絕緣子手動水壓試驗

升壓方式采用手動升壓的絕緣子水壓試驗稱為絕緣子手動水壓試驗。壓力以不大于400 Pa·min-1的速率上升到例行壓力試驗或型式壓力試驗對水壓的要求值并在該壓力下保持1 min后泄壓。該試驗方法的缺點為工作效率低，工作強度較大。

2.3 絕緣子電動水壓試驗

升壓方式采用電動泵升壓的絕緣子水壓試驗稱為絕緣子電動水壓試驗。該試驗的優點為工作效率高，工作強度較小；缺點為升壓速率高且不可調節，在1 min內可將水壓從0上升到2.4 MPa，會導致新問題，即升壓速率遠超過GB 7674-2008規定的“升壓速率應不超過400 Pa·min-1”，該試驗對升壓速率的控制有待進一步改進。

3 絕緣子氣密性試驗方法

3.1 絕緣子氣密性試驗原理

絕緣子氣密性試驗原理如圖2所示。將絕緣子裝入氣密性檢測工裝后抽真空，靜置檢測無泄漏后，充入氦氣或SF6氣體，檢測其氣密性，看是否符合GB 7674-2008對絕緣子氣密性的要求。

圖2 絕緣子氣密性試驗原理示意圖Fig.2 Principle schematic of insulator air tightness test

3.2 絕緣子氣密性試驗

絕緣子氣密性試驗中常用的檢漏方法包括泡沫檢漏法、氦質譜技術檢漏法、SF6氣體檢漏法等，上述檢漏方法在使用時要按檢漏要求的不同區分使用，以適應不同工況的要求。

(1) 泡沫檢漏法。將絕緣子裝在專用檢漏工裝上充氣加壓后，在絕緣子的環氧樹脂與嵌件的結合面(可能發生泄漏處)涂抹肥皂水，根據是否出現氣泡判斷是否漏氣。該方法的優點是檢測結果直觀可靠，缺點是工作量較大。

(2) 氦質譜技術檢漏法。將絕緣子放置于氦質譜技術檢漏設備中，抽真空后注入氦氣，檢測氦氣的漏氣率，檢測完成后回收氦氣。該方法的優點是檢漏效率高、靈敏度高、性能穩定、適用范圍寬，通常采用吸探頭法(又稱吸槍法)和護罩法，缺點是僅適用于小型絕緣子的檢漏。

(3) SF6氣體檢漏法。將絕緣子放置于SF6氣體檢漏設備之中，抽真空后注入SF6氣體，靜置一定時間后檢測SF6氣體的漏氣率，檢測完成后回收SF6氣體。該方法可分為主動式檢漏法和被動式檢漏法。主動式檢漏法主要包括鹵化物檢測法、激光成像法等；被動式檢漏法主要包括包扎檢測法、紅外成像法和傳感器測量法等。GIS電力設備用SF6氣體檢漏一般采用激光成像法、紅外成像法和傳感器測量法等。SF6氣體檢漏法的優點是成熟可靠，缺點是充入SF6氣體后必須靜置10～20 h，耗時較長。

4 絕緣子水壓及氣密性綜合試驗方法

在水壓工裝中注入潔凈的自來水，水的體積占整個工裝體積的90%，將絕緣子安裝在水壓工裝水中的最高點(接近水面處)，使隨后充入的氮氣集中在絕緣子金屬導體與環氧樹脂的結合面，放上護蓋，裝入水壓工裝絕緣子的宏觀形貌如圖3所示。連接相關管道及檢測儀表，將水壓工裝的升壓動力改為壓縮氮氣壓力源，按400 Pa·min-1的升壓速率將壓力升至例行壓力試驗要求的壓力，在該壓力下保持1 min后，將氣壓調節為設計壓力的1.5倍。根據絕緣子中心導體與環氧樹脂結合面處的氣泡情況判斷絕緣子的氣密性。如果在試驗中絕緣子有氣泡(見圖4)、開裂(見圖5)和異響等問題，即可判定絕緣子氣密性不合格，可進一步分析故障原因加以改進。

圖4 試驗中產生氣泡的絕緣子宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of insulator with air bubbles in the test

圖5 試驗中開裂的絕緣子宏觀形貌Fig.5 Macro morpholgy of insulator cracked in the test

該試驗方法中，氮氣集中在絕緣子金屬導體與環氧樹脂的結合面，氣體體積僅占到工裝總體積的1/10，避免了絕緣子破裂后大量壓縮氣體沖擊環氧樹脂碎片而造成人員傷害。氮氣由空氣分離得到，因而不存在SF6氣體使用不當造成的大氣污染以及溫室效應等問題。此外，對水壓要求相同的絕緣子，可通過氣壓分接接頭連接2～3件絕緣子同時進行試驗，提高了工作效率。雖然絕緣子水壓及氣密性綜合試驗方法無法和氦質譜技術檢漏法、SF6氣體檢漏法一樣進行準確的定量分析，但可對絕緣子的漏氣缺陷進行定性檢測，通過近4 a(年)的實踐觀察，該試驗方法可同時滿足對絕緣子的水壓及氣密性的檢測要求。

5 結論

采用絕緣子的水壓及氣密性綜合試驗方法，將絕緣子水壓試驗和氣密性試驗合并為一次試驗，提高了檢測效率，縮短了生產周期，實現了絕緣子質量檢測的安全、環保和節能。

建議結合使用自動控制系統進行自動升壓調控，并采用計算機控制攝像頭進行自動拍攝并將試驗記錄存入計算機以便查詢。