基于紅外成像的缺陷復合絕緣子溫升特性分析

申 巍,宋治波,王 森,閆可為,趙海英,李 亮,朱明曦,楊 昊

(1.國網陜西省電力有限公司電力科學研究院,西安 710100;2.西安工程大學 電子信息學院,西安 710048;3.國網陜西省電力有限公司超高壓公司,西安 710026;4.國網陜西省電力有限公司西安供電公司,西安 710000)

復合絕緣子作為輸變電設備中應用最廣、數量最多、通用性最好的電氣元件之一,其可靠性會直接影響電力系統的安全穩定運行[1]。復合絕緣子在生產與運行過程中易產生內部缺陷,這些缺陷會導致其發生斷串或內部擊穿,嚴重時將引發大規模停電,造成巨大的經濟損失[2]。

復合絕緣子缺陷種類主要包括界面缺陷、內部芯棒缺陷、傘裙損傷缺陷等[3-5]。其中,界面缺陷包括芯棒-護套界面氣隙缺陷、芯棒-護套表面鐵屑附著等,其會引發絕緣子內部出現局部放電,加速芯棒及護套的老化;芯棒內部缺陷是指芯棒內存在的氣隙或雜物引起電流泄漏和局部高頻放電而帶來的破壞性蝕損[6];傘裙損傷缺陷主要包括傘裙裂紋與表面損傷等,是長期老化或外力侵蝕(如鳥啄)造成的[7]。

目前復合絕緣子缺陷的檢測方法主要包括泄漏電流法、吸水性試驗、紫外成像法以及紅外特征分析法等[8-11],其中紅外特征分析法具有便于操作、適用于多種現場及無損檢測的優點而受到廣泛應用。紅外成像原理為:當物質高于絕對零度時會向周圍輻射紅外線,被測物體溫度越高,輻射能量越多,而利用紅外檢測儀可將物體表面的溫度分布轉換成圖像[12-13]。

在紅外檢測技術方面,學者研究發現濕度對缺陷復合絕緣子的紅外檢測有較大影響,在低濕度、陰天或夜晚檢測效果最佳[15-16];戶外檢測時風會導致散熱的加快,因此也應考慮在內[17]。在復合絕緣子缺陷類型及發熱機理的研究方面,CHENG等[18]發現當芯棒內部存有氣隙時,外護套檢測結果為1 K溫升時其內部已有200 K 的溫升,已達到硅橡膠老化分解的溫度;彭向陽等[19]發現缺陷絕緣子受潮后發熱明顯,表面測得溫升可達27.6 K。現有復合絕緣子缺陷模擬主要通過仿真或人為設置缺陷進行研究,包括腐蝕芯棒、內部預埋金屬絲等[1-2,14],然而這些缺陷與生產實際有較大差距,對復合絕緣子生產裝配階段存在的初始缺陷缺乏考慮,內部初始缺陷不易被檢出。

因此文章基于生產階段實際工藝設計缺陷類型,通首至尾地模擬了芯棒-護套界面氣隙、芯棒內部氣隙以及工藝鐵屑殘留3種缺陷,搭建高壓試驗平臺,利用紅外特征分析技術捕捉并分析含缺陷復合絕緣子的紅外特性,為復合絕緣子在線診斷提供理論和試驗基礎。

1 缺陷類型及發熱機理

1.1 芯棒-護套界面氣隙缺陷

復合絕緣子芯棒與護套間黏接不良會導致界面出現氣隙。絕緣子缺陷類型及發熱機理如圖1所示,芯棒與護套界面存在氣隙時,泄漏電流增大,由于氣隙處電阻率大,泄漏電流流經后產生焦耳熱效應,熱量向絕緣子表面傳遞,形成溫升。高場強作用下氣隙處局部放電劇烈,更會加劇熱量的產生。

圖1 絕緣子缺陷類型及發熱機理

1.2 芯棒內部氣隙缺陷

玻纖紗內部有氣泡時,氣泡加熱固化后形成氣隙,其易受潮而使得缺陷處電導率增大,進而泄漏電流增大。由于水的介電常數較大,介質損耗發熱明顯,因此在泄漏電流熱效應及介質損耗發熱兩方面影響下缺陷處產生溫升。

1.3 工藝鐵屑殘留缺陷

金屬絲、毛刺等鐵屑在裝配過程中附著在芯棒表面,鐵屑電導率較小,加壓后泄漏電流增大,相對于氣隙,鐵屑焦耳熱效應造成的溫升更高。受潮后介質損耗發熱逐漸增大,對絕緣子內部造成蝕損,缺陷不斷擴大,因此發熱愈發嚴重。鐵屑散熱能力較強,缺陷處熱量產生后更易傳遞至絕緣子外表面,因此更利于紅外檢測。

2 試驗室復合絕緣子制作工藝

2.1 芯棒制作與金具壓接階段

芯棒的主要材料為玻璃纖維(玻纖紗)及樹膠,玻璃纖維是絕緣性、抗腐蝕性良好的無機非金屬材料,樹膠則是一種良好的黏合劑和固化劑。芯棒制作流程如圖2所示,將分散的玻纖紗浸漬于樹脂膠中,浸膠后對玻纖紗真空抽拉預成型,而后將預成型的玻纖紗擠壓為長棒狀,并對已成型芯棒進行固化加熱,輸送至切割機進行分割,最后將芯棒與金具經膠合劑進行壓接,金具覆蓋芯棒部分不超過10 c m。

圖2 芯棒制作流程

2.2 硅橡膠硫化階段

采用平板硫化機將復合絕緣子模壓成型,避免真空注射帶來的窩氣、開裂及流痕問題[20]。絕緣硅橡膠由基礎膠及補強填料白炭黑組成,摻入1.2%～1.5%(質量百分比)的雙二五硫化劑,高溫高壓下引發橡膠分子鏈交聯。所用液壓平板硫化機如圖3所示,其壓力為1.5 MN,內部模具可加熱至165℃,滿足模壓生產復合絕緣子的參數要求。缺陷復合絕緣子模具以FXBW-110 k V 復合絕緣子為參考,如圖4所示,所制絕緣子性能參數以GB/T 19519—2004《標稱電壓高于1 000 V的交流架空線路用復合絕緣子定義、試驗方法及驗收標準》為參考。

圖3 液壓平板硫化機

圖4 FXBW-110 k V復合絕緣子結構

2.3 復合絕緣子制作流程

首先,對芯棒表面涂抹無水乙醇并用絲綢擦拭,去除芯棒表面雜質、毛刺,晾干后在芯棒表面涂覆偶聯劑,增加界面黏附性,靜置60 min后裹覆硅橡膠泥。最后,將其放入已加熱完成的硫化機模具中,合模、張開重復7次以排除硅橡膠泥中的氣泡并塑型,持續高溫硫化30 min后即可成型。復合絕緣子制作流程如圖5所示。

圖5 復合絕緣子制作流程

3試件制作與試驗方法

3.1 缺陷復合絕緣子制作

3.1.1 芯棒-護套界面氣隙缺陷設計

偶聯劑是芯棒-護套之間的黏接劑,生產過程中偶聯劑少涂、漏涂將造成界面黏接不良進而產生氣隙。水擴散試驗表明外護套與芯棒黏接不良時泄漏電流會增大[21]。為模擬界面氣隙缺陷,文章以控制偶聯劑涂覆的區域制造界面黏接性較差的條件,同時對無偶聯劑區域傘裙內緣物理扯拽使芯棒與外護套界面產生氣隙。如圖6所示,文章在規定區域內不涂覆偶聯劑,從而控制界面黏接不良的位置,設計制造界面氣隙缺陷。

圖6 芯棒-護套界面氣隙缺陷

3.1.2 芯棒內部氣隙缺陷設計

浸膠玻纖紗中可能含有氣泡,氣泡經加熱固化后形成氣隙缺陷,絕緣子芯棒氣隙處會發生局部放電現象。文章通過對芯棒打孔后利用同材料填料密封孔洞外表面使其內部產生氣隙的方式制作芯棒內部氣隙缺陷,制作實物如圖7所示。

3.1.3 工藝鐵屑殘留缺陷設計

金具表面存在毛刺、細絲等鐵屑,容易附著在芯棒表面,后被裹覆至絕緣子內部。選用不同大小鐵屑并控制鐵屑質量,按照制作程序正常處理芯棒后將鐵屑依靠偶聯劑的黏性附著在芯棒規定區域,鐵屑附著及所用鐵屑實物如圖8所示。

圖8 工藝鐵屑殘留缺陷

文章共制作13根含缺陷的復合絕緣子,其缺陷信息如表1所示。

表1 復合絕緣子試件的缺陷信息

3.2 試驗平臺及方法

3.2.1 試驗平臺

高壓試驗回路及主要設備如圖9所示。試驗中采取并聯方式懸掛兩個絕緣子,絕緣子低壓端與變壓器、電容分壓器以及調壓控制臺共地,接地銅板埋入接地試驗室的良好導電土壤中。紅外檢測儀型號為FLIR-T640;試驗變壓器參數為200 k V/1A;分壓器分壓比為988∶1。

圖9 試驗接線及主要設備

3.2.2 試驗方法

對人工缺陷復合絕緣子施加電壓,通過控制加壓時長對缺陷處進行激發使其發熱。考慮到環境溫度及濕度的影響,選取溫濕度相近的時間進行試驗并實時監測。具體試驗方法如下。

(1) 搭建高壓紅外試驗平臺,采集試驗室溫度與濕度,調整紅外檢測儀的溫度采集范圍、發射率、環境溫濕度等參數。

(2) 設置采集方式,將紅外檢測儀的溫度測量方式調整為中心點測量,可手動將中心點位置調整至缺陷處,以準確測量缺陷處溫度。

(3) 調整采集模式,當目標物體的各部分溫度接近時,輪廓之間、輪廓與背景之間區別較小,對紅外觀測會產生較大影響。試驗采用多波段動態成像模式(MSX)與熱成像模式搭配的方式采集圖像,如圖10所示。

圖10 MSX采集模式(左)與熱成像模式(右)采集的圖像

(4) 利用均勻升壓法以2 k V·s-1的速率進行加壓,加壓至110 k V 單相線電壓有效值后維持,加壓總時長為120 min。

4缺陷絕緣子溫升特征分析

4.1 不同缺陷的溫升特性

4.1.1 芯棒-護套界面氣隙缺陷溫升特性

如圖11所示為試驗過程中拍攝的試件溫升特性圖像。3種界面氣隙缺陷絕緣子加壓120 min后產生的溫升幅值如圖12所示,可見高壓端附近溫升幅值更大,氣隙缺陷區域越大溫升幅值越大。10 cm氣隙缺陷區域的高壓端附近溫升為1.4～2.2 K,而20 c m 氣隙則升至1.5～3.3 K,并隨著時間增加而趨于穩定,這與文獻[7]的結果類似。界面氣隙設置在絕緣子中間區域時的溫升并不明顯,最高溫升僅1.5 K。

圖11 典型缺陷的紅外特征圖像

圖12 芯棒-護套界面氣隙缺陷溫升幅值

界面氣隙缺陷面積較大,泄漏電流熱效應占主導,因此從圖11(a)可以看出發熱面積大但發熱幅值不大。氣隙缺陷處產生輕微溫升,在施加電壓120 min后溫升最高值為3.3 K,并且發熱主要集中在高壓端。

4.1.2 芯棒內部氣隙缺陷溫升特性

芯棒內部氣隙缺陷溫升幅值如圖13所示,芯棒內部設置直徑為3 mm 或5 mm,深度為9 mm 的孔洞,內部氣隙空間占比為孔洞的1/3,5 mm 孔洞下高壓端溫升達到了2.7～4 K,氣隙越大發熱幅值越大;高壓端的溫升效應更明顯,低壓端和中間位置的溫升幅值相對較小。

圖13 芯棒內部氣隙缺陷溫升幅值

芯棒內部存在氣隙時,有泄漏電流熱效應和介損發熱兩方面因素影響。從圖11(c),(d)和圖13可看出芯棒內部氣隙缺陷的溫升幅度為1～4 K,因氣隙大小和所處位置不同而不同。芯棒內部氣隙比較集中,因此檢測時呈現發熱集中且幅值大的現象。

4.1.3 工藝鐵屑殘留缺陷溫升特性

工藝鐵屑內部殘留缺陷的溫升幅值較為明顯,其缺陷絕緣子高壓端溫升幅值如圖14所示。鐵屑附著后的溫升為0.7～4.5 K,大號切割鐵屑的溫升較40目鐵粉溫升更高,鐵屑的附著量也是影響溫升的主要因素。在兩端各附著1 g切割鐵屑的條件下,溫升幅值能夠達到1.7～4.5 K,從圖11(b)可以看出,高壓端缺陷處的發熱范圍已經延伸至第二傘裙處。在附著鐵屑情況下,自金具至傘裙處溫升較快,與其他缺陷處存在明顯區別。鐵屑附著芯棒缺陷絕緣子低壓端溫升幅值如表2所示,可見低壓端發熱幅值為0.6～3.4 K,鐵屑越大、質量越大則溫升越高。

表2 鐵屑附著芯棒缺陷絕緣子低壓端溫升幅值 K

圖14 工藝鐵屑殘留缺陷絕緣子高壓端溫升幅值

鐵屑具有較高的電導率且以分散形式分布,泄漏電流較大,導電介質的損耗發熱更嚴重,因此呈現發熱面積大,發熱幅值大的現象。發熱區域已延伸至高壓端兩個傘裙處,紅外檢測過程中能夠明顯發現此種發熱缺陷。

4.2 濕度對溫升幅值的影響

濕度是影響溫升的重要因素[22],隨著濕度增加,各類缺陷處的溫升均會有所提升,且濕度的影響會隨著時間增加而加重。不同濕度對缺陷處溫升的影響如圖15所示,濕度增加35%時,缺陷處的溫升有較大變化,其中工藝鐵屑附著缺陷隨濕度增加溫升幅度最小,而芯棒內部存在氣隙時溫升幅度最大。

環境濕度對紅外拍攝過程及缺陷發熱機理均有一定影響。常溫下,濕度越大,絕緣子整體表面溫度越低,絕緣子缺陷處發熱更明顯。

在發熱機理方面,絕緣子受潮后的介質損耗發熱功率可以表示為[23]

式中:ω為電壓角頻率;C為材料電容量;U為電壓幅值;tanδ為介損角正切值;缺陷處受潮后介損角增大,導致發熱功率增大[24]。

濕度較大時,缺陷處對于水分的吸收更明顯。水相比硅橡膠和芯棒具有更大的相對介電常數,硅橡膠干燥靜置后放入90%相對濕度以上環境中吸濕后,介電常數從4.09升至6.30,而介質損耗也從1.2%增加至13.2%,吸濕部分的介損發熱較為明顯[25]。缺陷處散熱主要依靠傳導、輻射和對流[26]。

式中:q1、q2、q3分別為傳導、對流和輻射的熱流密度;λ為導熱系數;dt/dx為溫度梯度;h為傳熱系數;Tw和Tf分別為固體表面溫度和周圍流體溫度,ε為發射率;σ為輻射常數,通過查詢熱學參數可以得數值。

結合式(1)～(4),在外界溫度不變的情況下,散熱條件不變,則式(2)～(4)求得的散熱功率屬于定值,不隨時間或外界情況而變化。當吸水增加后,材料受潮,介損角正切值增大,發熱功率增大,從而積累產生的溫升幅值越大,因此濕度對缺陷處發熱的影響是較為明顯的。

5結論

(1)當復合絕緣子存在芯棒-護套界面氣隙缺陷時,護套表面發熱較低,溫升為0.5～3.3 K;當存在芯棒內部氣隙時,絕緣子呈現集中性發熱,溫升為1～4 K;當存在鐵屑附著缺陷時,護套表面發熱幅值較大,達到了0.7～4.5 K。

(2) 復合絕緣子的3種缺陷類型發熱機理不同,紅外檢測圖像也有差別。芯棒-護套界面氣隙缺陷發熱面積大,發熱幅值較小;芯棒內部氣隙缺陷發熱集中,幅值較大;工藝鐵屑殘留缺陷發熱范圍廣泛,集中發熱區域幅值較大。

(3) 環境濕度對存在缺陷的復合絕緣子表面發熱影響明顯。試驗結果表明,隨著環境濕度的增加,絕緣子護套表面溫升明顯。當環境濕度增加35%時,絕緣子表面溫升幅值提高了73.67%。