天津大學科研人員發表電工環氧絕緣件缺陷無損檢測方法的研究進展

fans news 發佈 2022-01-22T15:59:30+00:00

超/特高壓輸變電技術迅速發展對電力設備絕緣性能提出了更高的要求。

超/特高壓輸變電技術迅速發展對電力設備絕緣性能提出了更高的要求。環氧絕緣件是電力設備絕緣系統的重要組成部分,但在生產、運行過程中都會產生不同程度的缺陷,在多場耦合作用下極易引發沿面閃絡或擊穿故障,威脅電力設備乃至電力系統的安全穩定運行,研究環氧絕緣件中缺陷的無損檢測及評價方法具有重要意義。

智能電網教育部重點實驗室 天津大學電氣自動化與信息工程學院、平高集團有限公司、國家電網有限公司的研究人員李進、趙仁勇、杜伯學、郝留成、邊凱,在2021年第21期《電工技術學報》上撰文,研究了環氧絕緣件在生產、運行過程中容易出現的缺陷類型,分析了不同缺陷對絕緣性能造成的影響。介紹了基於電學特性的缺陷檢測方法、高頻檢測方法和超聲波檢測方法的基本原理,並評估了不同方法對環氧絕緣件缺陷的檢測效果。從檢測精度以及優缺點等角度對相關檢測方法進行了綜合評價,並對未來環氧絕緣件缺陷檢測的研究和發展方向進行了展望。

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。環氧樹脂易於成型、化學性能穩定、耐熱性能好、機械韌性和電氣絕緣性能優異,因此被廣泛應用於高壓電工裝備絕緣。

環氧樹脂絕緣件主要包括澆注類和浸漬類,前者主要應用於電機、電器、高壓開關以及乾式變壓器等,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;後者則主要應用於電機線圈、絕緣拉杆和乾式套管等,例如絕緣拉杆主體採用纖維增強環氧樹脂複合材料製成,用於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,並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衝波形、擊穿電壓等放電特徵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衝波形的上升沿最小,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;採用特高頻法對實際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,並且裂縫寬度越小放電越劇烈。

對芳綸纖維增強型絕緣拉杆實體三維模型進行電場仿真分析表明,複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杆放電的主要原因。

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、準確的檢測有助於提高其使用壽命並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,並對基於電學特性檢測方法、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。

  • 脈衝電流法能夠檢測到缺陷導致的局部放電信號,便於實現絕緣系統在線實時監測,但是對於缺陷定位比較困難,檢測精度有待進一步提高。
  • 感應電荷層析成像法是一種新型檢測方法,能夠實現缺陷大小和位置可視化檢測,具備在線監測潛力,具有很大的應用前景,但是目前的研究還在仿真分析階段,仍需進一步探索以實現工程應用。
  • X射線檢測是無損檢測中最常用的方法之一,可直觀顯示缺陷形狀和尺寸,檢測結果便於長期保存,但是對於尺寸較小的裂紋、脫粘及應力集中等缺陷難以奏效,需要的設備體積大,在線檢測困難,並且射線對人員有損傷作用,必須採取防護措施。
  • 微波檢測法具有能耗低、穿透性強、無需耦合劑、易於小型化等優勢,可以進行動態檢測與實時處理,但是易受溫度、氣壓、取樣位置的影響,要求操作人員有比較熟練的技能。
  • 超聲脈衝反射法原理簡單,對工件內部缺陷有很高靈敏度,便於現場檢測,可及時獲得檢測結果,缺點是需要耦合劑,對材料表面要求較高,掃查複雜工件困難。
  • 相控陣超聲法是基於脈衝反射法原理而發展的,可以同時擁有許多角度的超聲波,就相當於擁有多種角度的探頭同時工作,檢測效率更高,同時可以通過建模,建立一個三維立體圖形,缺陷顯示直觀,缺點是對聲阻抗參數相差懸殊的複合材料界面缺陷還無法實現檢測。
  • 非線性超聲法是近年來興起的一種缺陷檢測方法,可有效檢測出環氧絕緣件拉伸塑性變形、蠕變損傷、閉合裂紋等早期缺陷,相較於傳統方法,檢測靈敏度更高,能夠達到微米級,但是在試件的邊緣會存在檢測盲區,並且檢測結果常受耦合狀態、干擾信號的影響,檢測成本較高。

他們最後指出,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採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後的發展方向。

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。

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