復合絕緣子交界面缺陷及脈沖熱流遠場無損檢測研究

郭晨鋆，張思達，舒越，廖瑞金，馬顯龍，馬儀，于虹

（1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明650200；2.重慶大學，重慶沙坪壩400044）

0 前言

我國正處于工業(yè)化快速發(fā)展時期，大氣污染問題在短期內尚難以得到解決，硅橡膠復合絕緣子因其優(yōu)異的防污閃性能以及強度高、不易破碎、重量輕便、易于安裝維護等眾多優(yōu)點，自20世紀80年代在我國電力系統(tǒng)中得到大量應用[1]。截至2014年，已有710萬支復合絕緣子運行在我國110 kV 及以上電壓等級的輸電線路中[2]。

交界面缺陷是復合絕緣子面臨的主要故障類型。電力部門的統(tǒng)計結果表明，交界面缺陷導致的界面擊穿是復合絕緣子面臨的主要缺陷，占電氣損壞總量的67%[3]。交界面缺陷的存在不僅會導致復合絕緣子的局部發(fā)熱，進而演變?yōu)楫惓嗔咽鹿剩瑖乐匚：﹄娋W的運行安全。

復合絕緣子異常溫升是由交界面缺陷引起的一類電網事故，廣東地區(qū)2001年在某批次現場抽檢的33 支絕緣子中發(fā)現9 支存在發(fā)熱現象，其中局部缺陷的最大溫差可達40 K 以上[3]，試驗分析以證實電氣絕緣性能已嚴重下降，并且其發(fā)熱部位正是復合絕緣子內部界面絕緣性能良好部位與絕緣性能已損壞部位的交界處。我國某地區(qū)對500 kV 線路中復合絕緣子的異常溫升現象進行統(tǒng)計，結果表明存在溫升故障的絕緣子運行年限多在七年以內，同一線路中絕緣子的發(fā)熱數量最多可達360支。

交界面粘接問題還被認為是，近十年來困擾復合絕緣子的某類異常斷裂故障的重要原因。目前已知的復合絕緣子斷裂機理，主要包括復合絕緣子的通常斷裂和脆性斷裂[4-5]，而基于其斷裂機理研發(fā)的耐酸芯棒與壓接結構可以使實際使用的絕緣子完全避免以上兩種斷裂的發(fā)生。近年來發(fā)生的幾起復合絕緣子異常斷裂事故中，芯棒的斷裂形式完全不同于脆性斷裂與通常斷裂。對于異常斷裂的起因，有大量的研究表明，護套與芯棒間的界面失效是異常斷裂的主要誘因[4-6]，即在發(fā)生異常斷裂的復合絕緣子芯棒中，芯棒的外部區(qū)域是劣化最為嚴重的區(qū)域。在潮濕環(huán)境中電流、放電會進一步造成玻璃鋼芯棒中環(huán)氧樹脂基體降解和玻璃纖維與環(huán)氧樹脂基體之間的界面失效，使芯棒機械性能進一步下降，直至斷裂的發(fā)生[7-9]。

考慮到復合絕緣子龐大的數量與交界面缺陷固有的偶發(fā)性與非關聯性，無損檢測方法更為適用于粘接缺陷的檢測。現有大量無損檢測研究關注復合絕緣子交界面缺陷的檢測[10-11]，華南理工大學謝從珍等人利用相控陣超聲波檢測法實現了對復合絕緣子中1 mm 交界面缺陷的可視化測量[12]。為解決線性超聲等機械波不易耦合、測量距離較短的問題，成立等人在提出了基于THz-TDS的復合絕緣子遠場無損檢測技術，實現了對交界面0.4 mm 細微缺陷的無損檢測[13]。但是以上方法均為逐點檢測法，即單次僅能檢測絕緣子上某一個點的缺陷程度，考慮到絕緣子尤其是超特高壓絕緣子長度較長（超過5 m），且絕緣子數量眾多，逐點檢測法時間成本過于高昂，目前難以應用于現場生產。

基于脈沖熱流技術[14]，本文提出了一種針對復合絕緣子交界面缺陷的快速遠場檢測方法。文章首先建模分析了瞬態(tài)熱流在含空隙復合介質內部的傳播規(guī)律，然后搭建了實驗平臺，通過對含缺陷的平板與絕緣子樣品的實驗，進一步證實了理論研究結果。最后，作者對實驗得到的輻射量數據在對數坐標下進行求導分析，將交界面缺陷的辨識能力擴大為原有方法的7倍，識別精度較大提升。運用此方法，可以在30 cm 外對現有復合絕緣子中的1 mm 缺陷進行有效識別。

1 理論基礎與仿真研究

由于缺陷導熱率（通常是空氣）與構成護套的硅橡膠材料以及構成芯棒的玻璃纖維與環(huán)氧樹脂材料存在一定差異，對復合絕緣子施加一定的熱激勵后，熱流在絕緣子內部的傳播過程將會受到缺陷的影響，缺陷處的熱傳導不連續(xù)將導致物體外表面溫度場的不連續(xù)，因此，外表面溫度場分布將受到內部不同介質幾何尺寸與導熱特性的影響。

為對傳熱過程進行深入分析，建立如圖3所示的一維數學模型以等效描述熱流在含缺陷絕緣子內部的傳遞。

圖3熱流在含缺陷復合介質內的傳播模型

在脈沖熱激勵條件下，等效密度熱流δ(t)垂直于模型表面進入硅橡膠與環(huán)氧樹脂復合介質組合，由于系統(tǒng)的傳熱過程處于非穩(wěn)定狀態(tài)，因此模型內部的溫度分布可以通過導熱微分方程（1）進行求解[13]：

方程中k為材料的導熱系數，ρ為材料密度，c為材料比熱容，Φ為材料中的內部熱通量，在沒有內部熱源的情況下，僅考慮熱流在x方向的傳遞，導熱微分方程可以簡化為（2）式：

假設檢測環(huán)境溫度為T0，初始條件為：

同時在模型上下表面滿足第三邊界條件：

邊界條件中h 表示材料表面的對流散熱系數，相比導熱項，對流項對表面溫差的分布響應小于3%，因此在近似計算中可以忽略。而不同材料之間的熱導率差異同樣不足以引起表面溫度分布的改變，在計算過程中可以用絕緣固體熱導率k代替。在初始條件下，將邊界條件帶入微分方程，可以求得無缺陷處，材料表面的溫度分布解：

式中I0表示脈沖熱流的能量。相比模型材料，缺陷的熱導率接近于0，脈沖熱流在短時間內無法通過缺陷區(qū)域，而在缺陷上表面聚集形成新的熱源，使原有熱流傳遞方向發(fā)生改變，即熱流在缺陷處發(fā)生反射，如圖3-b所示，其表面溫度分布解為：

根據有無缺陷處的表面溫差分布解，可以計算模型表面的溫度差，用于缺陷特征分析：

從溫差方程可以看出，在脈沖熱源激勵下，缺陷位置的表面溫度要高于正常位置，因此通過比較表面不同區(qū)域輻射量的差異即可對內部缺陷進行識別。同時，表面溫差的大小與缺陷深度相關，缺陷深度的增加將使表面溫差迅速下降，致使深層缺陷難以檢測。

相比一維模型，利用結合表面對流與輻射換熱的三維模型可以分析缺陷尺寸對表面溫度的影響，但其計算過程包括高階分量，需借用仿真軟件進行數值求解，計算不同情況下表面溫度的數值。

圖4缺陷寬度與表面溫差關系

仿真結果表明，隨著缺陷區(qū)域面積的增大，即缺陷寬度的增加，由缺陷導致的表面溫差也會隨之增大。

圖5缺陷厚度與表面溫差關系

表面溫差同樣受缺陷大小（厚度）的影響，隨缺陷厚度的減小，缺陷引起的表面溫差也逐漸下降。相比缺陷寬度尺寸，由缺陷導致的表面溫差對缺陷厚度的變化更加敏感。

2 實驗設備與檢測樣品

實驗平臺由熱激勵系統(tǒng)，紅外熱像儀，數據處理系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成。熱激勵系統(tǒng)由兩個閃光燈構成，其功率為5.9 kJ，在短時間內對樣品施加一定的熱量，利用熱像儀檢測樣品受熱后的表面輻射量，并分析熱輻射量隨時間的變化規(guī)律，進而研究絕緣子內部的結構性缺陷。

圖6檢測原理圖

本文對含不同尺寸缺陷的平板與絕緣子樣品進行了檢測，所用樣品編號及基本信息如表1所示。

表1樣品編號與基本信息

實驗所使用的平板樣品由硅橡膠與環(huán)氧樹脂板在高溫下使用開姆洛克608進行粘接制成，硅橡膠厚度為3.5 mm，環(huán)氧樹脂板厚度為3 mm，其制作工藝與現役絕緣子相同。環(huán)氧樹脂板上開有4個不同寬度的槽，其寬度分別為5 mm、4 mm、3 mm、2 mm，由于環(huán)氧板有一定的透光性，因此可以從環(huán)氧板側觀察樣品缺陷，與熱圖結果進行對比。

典型絕緣子中的缺陷為厚度較小、寬度較寬的弓形。由于檢測主要是依靠熱流傳播規(guī)律進行檢測，對于已被發(fā)現的實際缺陷，其缺陷處空氣與外界大氣連通，熱波在其中的傳播規(guī)律將出現顯著的改變，因此在研究初期，難以使用實際缺陷進行研究。為了避免缺陷直接接觸外界氣體影響散熱，還原現場絕緣子實際檢測工況，特別制造了一批含有空氣缺陷的絕緣子，芯棒直徑為18 mm，護套厚度為5.8 mm。

對于復合絕緣子樣品，為找到完全對稱的對比點，樣品布置方向如下圖所示，缺陷位置并不對準紅外儀，而是偏離約30°。同時在對稱位置尋找一個對照點。

3 實驗結果與討論

3.1 輻射量實驗結果

通過分析輻射量熱圖，可以直接得到各種樣品表面輻射量的分布規(guī)律。首先對平板樣品的測試結果進行分析，結果如圖9所示。從熱圖中可以看出，平板上出現了明顯的條狀亮斑，形狀位置與缺陷相對應，其輻射量要高于非缺陷區(qū)域，與理論計算（1-7）的計算結果一致。進一步對亮斑進行分析與比較可以發(fā)現，缺陷的厚度與寬度也會對表面溫度產生影響，相比窄而薄的缺陷，隨著缺陷寬度與厚度的增加，由缺陷引起的表面溫度變化更加明顯，例如2號樣品中上面的缺陷寬度較大，因此表面溫度也較高，在熱圖中更加明顯。在缺陷寬度一致的前提下，對比1號樣品與2號樣品，可以發(fā)現2號樣品的缺陷區(qū)域溫度差異更加明顯。

相比平板樣品，絕緣子樣品結構復雜，在相同熱源條件下，入射能量顯著降低，而且復合絕緣子護套厚度超過5 mm，缺陷深度相比平板樣品有所增加，因此增大了檢測難度。

圖7絕緣子樣頻測量布置方法

圖8絕緣子樣品輻射量檢測結果

從絕緣子輻射量檢測結果可以看出，對于厚度較小的缺陷，在熱圖中難以直接分出缺陷帶來的表面輻射差異，對于厚度較大的缺陷，可以進行一定程度的區(qū)分，但相比平板樣品結果不理想，現場條件下容易受到環(huán)境的變化而難以進行。

為研究樣品表面輻射量的數值變化過程，我們在樣品的缺陷區(qū)域與參考區(qū)域各選取3個點進行輻射量分析，以樣品編號-取樣區(qū)域-取樣點編號的形式來表述取樣點，例如3-D-1為3號樣品，缺陷區(qū)域的第一個取樣點。從缺陷區(qū)域與非缺陷區(qū)域點輻射量的變化可以看出，缺陷區(qū)域熱輻射量要普遍高于參考區(qū)域的熱輻射量，與理論計算的結果相符，但是差別非常細微，差值相對變化量小于5%，難以滿足實際測量要求，因此有必要對其進行進一步的分析處理。

3.2 輻射量變化率實驗結果

樣品表面的輻射量大小正比于溫度的四次方，因此輻射量為一條先快速下降，再緩慢下降，最后趨于穩(wěn)定的曲線，變化規(guī)律與圖8得到的結果相符合。由于輻射量存在前期變化快、差異大，后期變化慢、差異小的特點，適宜于對數坐標軸下進行分析。此外為更深入的分析散熱過程，提高檢測精度，可以嘗試研究缺陷對輻射量變化率的影響。綜上，對輻射量在對數坐標下求導，分析輻射量變化率隨時間變化的規(guī)律。結果如圖9所示。

從求導后的結果可以看出，在降溫過程中，無缺陷區(qū)域的輻射量變化速率低于有缺陷區(qū)域。這主要是由于無導熱性較差的空氣阻隔，熱量可以更快速的在物體內部達到平衡，致使無缺陷區(qū)域在降溫開始時就較快地接近了平衡溫度，因此在大部分降溫過程中變化較慢。比較輻射量（圖8）以及輻射量變化率（圖9）可以看出，求導后有無缺陷區(qū)域的結果差異更加明顯。需要指出的是，由于不同樣品擺放位置以及相對燈光角度的差異（事實上，在現場測量時，也很難確保不同樣品相對熱源角度完全一致），不同樣品的結果之間沒有可比性，測試結果對樣品位置十分敏感。

為更直觀表現求導處理后檢測精度的提升，比較2 種方法的精確度，分別以輻射量最低值（如圖8-A 中的3-R-3）以及輻射量變化率絕對值的最低值（如圖9-A 中3-R-3）作為參考，計算樣品上其余點的相對參考曲線的最大偏差百分比。計算結果如表2所示。

圖9絕緣子樣品輻射量變化率結果

表2最大偏差百分比

表中Φr表示參考區(qū)域輻射量的最大偏差，Φd表示缺陷區(qū)域輻射量的最大偏差，Φ'r表示參考區(qū)域輻射量變化率的最大偏差，Φ'd表示缺陷區(qū)域輻射量變化率的最大偏差。實驗結果顯示，缺陷對樣品輻射量變化率的影響更為顯著，以偏差15%與30%作為基準，當偏差不超過15%時，可以認為絕緣子內部不存在可識別缺陷，當偏差為15%-30%時，絕緣子內部缺陷尺寸小于1 mm，當偏差超過30%時，認為絕緣子內部存在明顯的氣隙缺陷。

4 結束語

本文介紹了一種基于熱流傳播差異的復合絕緣子交界面缺陷遠場識別方法。研究結果表明：

1）對復合絕緣子施加一個瞬態(tài)熱激勵后，內部缺陷對熱流在樣品內的擴散存在影響，致使缺陷區(qū)域表面溫度高于無缺陷區(qū)域。

2）輻射量變化率前期極快，后期較慢。由于無缺陷阻礙熱流擴散，樣品表面將更快接近平衡溫度，因此在可以觀測的大部分降溫區(qū)間，無缺陷區(qū)域的輻射量變化速度低于有缺陷區(qū)域。

3）相比輻射量數值，輻射量變化率對缺陷更加敏感。對絕緣子進行檢測時，以輻射量變化率絕對值最低的樣品為參考，得到其余位置的最大偏差量，當最大偏差不超過15%時，可以認為絕緣子內部不存在可識別缺陷，當最大偏差為15%-30%時，絕緣子內部缺陷尺寸小于1mm，當最大偏差超過30%時，認為絕緣子內部存在明顯的氣隙缺陷。