高電壓接觸型光纖絕緣子的耐高壓研究

王敏吉，李川，張旭，熊新，趙振剛，謝濤，李英娜

(昆明理工大學信息工程與自動化學院，云南昆明650500)

高電壓接觸型光纖絕緣子的耐高壓研究

王敏吉，李川，張旭，熊新，趙振剛，謝濤，李英娜

(昆明理工大學信息工程與自動化學院，云南昆明650500)

在污染條件和凝露情況下，安裝在電氣設備上的二次元件會因為工頻過電壓或雷電過電壓造成電氣事故。利用硅橡膠憎水性材料和一體成型的結構方式，研制了一種高電壓接觸型光纖絕緣子，其特征是在光纖外表面包裹單片或多片絕緣子的憎水材料封裝體，光纖的頂端熔接光纖傳感裝置，尾部連接光纖連接頭。光纖絕緣子的使用增加了結構的爬電距離。對該光纖絕緣子分別進行無污染、凝露、污染環(huán)境下的工頻交流15kV耐高壓的測試試驗。試驗表明，高電壓接觸型光纖絕緣子可使用于15kV的高壓環(huán)境。

光纖;硅橡膠;光纖絕緣子;耐壓試驗;爬電距離

1 引言

電力系統(tǒng)中準確、安全地檢測出電氣設備的過熱點是確保安全供電的必要前提。特別在戶外電力系統(tǒng)中，電氣設備上安裝的二次元件在污染或凝露環(huán)境條件下的抗電壓能力隨之降低，發(fā)生閃絡擊穿的機率變大，容易造成電氣事故。因此，對二次元件的穩(wěn)定性提出了更為嚴格的要求。目前硅橡膠光纖絕緣子已用于高壓電力系統(tǒng)的檢測［1］，其特征在于光纖表面套裝單片或多片硅橡膠絕緣子，光纖的頂端熔接溫度傳感器，光纖的尾部設有光纖連接頭。光纖絕緣子由冷縮硅橡膠或熱縮硅橡膠材料制成。硅橡膠材料具有憎水性強、耐電性能強等特點，提高了光纖的耐工頻電壓、操作過電壓、雷電過電壓的強度，解決了光纖系統(tǒng)在惡劣運行環(huán)境中的安全問題。該結構絕緣子與光纖接口處容易出現(xiàn)封裝缺陷，這種缺陷在高壓、惡劣氣候條件下極容易出現(xiàn)接縫上局部電壓過大，由此產(chǎn)生擊穿問題［2-4］。

本文研制了一種高電壓接觸型光纖絕緣子，利用室溫硫化硅橡膠材料一體成型結構加工而成，并對其進行15kV工頻交流耐高壓試驗，對試驗結果進行分析。

2 高電壓接觸型光纖絕緣子的結構與研制

高電壓接觸型光纖絕緣子采用室溫硫化硅橡膠材料一體成型。該結構解決了接縫上局部電壓過大而可能產(chǎn)生的擊穿問題，提高了光纖檢測元件耐潮濕、耐污閃和耐電壓水平。光纖絕緣子的使用增加了結構的爬電距離，并加強了其在復雜自然環(huán)境下的安全性和穩(wěn)定性。

根據(jù)電力系統(tǒng)中電氣設備的絕緣要求，結合光纖的特征［5］，研制了高電壓接觸型光纖絕緣子，光纖絕緣子結構主要包括:絕緣子單元和光纖。在光纖的外表面包覆設置單片或者多片硅橡膠材料的絕緣子，光纖的一端熔接光纖傳感裝置，另一端熔接光纖連接頭。絕緣子片數(shù)由被測系統(tǒng)的電壓等級所決定。輸電線路中，絕緣子的絕緣水平由其種類、形狀、結構尺寸和串長決定，當絕緣子種類、形狀和結構尺寸確定時，每串絕緣子的片數(shù)為:

式中，m為絕緣子的片數(shù);λ為絕緣子的爬電比距; Um為系統(tǒng)最高運行線電壓或者系統(tǒng)的額定線電壓; Ke為絕緣子爬電距離的有效系數(shù);L0為每片懸式絕緣子的幾何爬電距離。

高電壓接觸型光纖絕緣子，采用硅橡膠材料作為絕緣子的主體，并使之與光纖一體成型。硅橡膠絕緣子的直徑為60mm;絕緣子的爬電比距λ= 3.1cm/kV;絕緣子爬電距離的有效系數(shù)Ke=0.97;每片絕緣子的幾何爬電距離L0=260mm;工頻交流耐高壓試驗系統(tǒng)的額定電壓Um=15kV，根據(jù)式(1)選擇絕緣子片數(shù)為5。高電壓接觸型光纖絕緣子結構如圖1所示。

圖1 高電壓接觸型光纖絕緣子的結構圖Fig．1Structure diagram of high voltage contact fiber-optic insulator

按照尺寸大小使用硅橡膠材料加工光纖絕緣子一體成型封裝，如圖2所示。

圖2 模型加工尺寸圖和實物圖Fig．2Diagram of model size and real insulator

將模型放入一個比聚四氟乙烯模型稍大些的長方形盒子中，選用石灰粉和水以1∶5混合，混合后液體澆入長方形盒子當中，如圖3所示。

圖3 制作澆注用陰模的過程圖Fig．3Process diagram of production mold

采用室溫硫化硅橡膠與固化劑以100∶1的比例混合［6］，混合后液體澆注到模具中，如圖4所示。

圖4 室溫硫化硅橡膠澆注一體成型光纖絕緣子過程Fig．4Diagram of room temperature vulcanization of silicone rubber casting insulator

高電壓接觸型光纖絕緣子如圖5所示，其一端熔接光纖跳線，另一端熔接光纖裝置。

圖5 一體成型光纖絕緣子Fig．5Physical diagram of insulator

3 高電壓接觸型光纖絕緣子的耐高壓測試

工頻交流耐壓試驗通過控制臺控制變壓器和感應調(diào)壓器將220V交流電壓轉(zhuǎn)換為平滑穩(wěn)定的15kV工頻交流電壓，并將感應調(diào)壓器高電壓和低電壓端分別連接試驗品兩端［7］，如圖6所示。

圖6 工頻交流耐壓試驗原理Fig．6Principle of AC voltage test

高電壓接觸型光纖絕緣子頂端即熔接光纖裝置的一端加高電壓，其尾部即連接光纖連接頭的一端接地，如圖7所示。試驗要求對具有絕緣子保護的高電壓接觸型傳感器中的絕緣子封裝體分別進行無污染、凝露以及污穢情況下的工頻交流15kV耐壓試驗。試驗在海拔1970m地區(qū)進行，屬于高海拔地區(qū)。高海拔地區(qū)空氣稀薄、氣壓較低，空氣中的離子更容易被電離形成電?。?］。另外高海拔地區(qū)空氣密度低，散熱困難，絕緣擊穿電壓也會隨之下降。海拔條件對于污染絕緣放電特性的影響主要體現(xiàn)在氣壓的影響，污染絕緣子的直流和交流閃絡電壓會隨著氣壓的降低而有所下降，污閃電壓U與氣壓P之間成非線性關系，可以表示為:

式中，U0為常壓P0時的污閃電壓;下降指數(shù)n的大小反應氣壓對于污閃電壓的影響程度。

圖7 高電壓接觸型光纖絕緣子的連接實物圖Fig．7Connection diagram of high voltage contact fiber-optic insulator

無污染情況下，工頻交流15kV耐壓試驗耐受電壓的施加方法為:首先施加約75%的規(guī)定試驗電壓(即11kV)，之后以每秒約2%的試驗電壓的速率上升(即每秒提高3kV)，直至規(guī)定的耐受電壓，保持5min［9］。在無污染情況下，絕緣子封裝無擊穿響聲(或斷續(xù)放電聲)、冒煙、出氣、焦臭、閃絡、燃燒等現(xiàn)象。

凝露情況下，工頻交流耐壓試驗前要確保絕緣子封裝表面有一層薄薄的水膜，然后進行工頻交流15kV耐壓試驗，耐受電壓施加方法與無污染情況下的施加方法相同。凝露的主要危害表現(xiàn)在:使試驗品的電氣絕緣性能下降，在高電壓情況下引發(fā)閃絡現(xiàn)象，甚至喪失絕緣性能［10］。在凝露情況下，絕緣子封裝無擊穿響聲(或斷續(xù)放電聲)、冒煙、出氣、焦臭、閃絡、燃燒等現(xiàn)象。

污染情況下，工頻交流15kV耐壓試驗的目的在于檢驗高電壓接觸型光纖絕緣子在污染條件下是否依然滿足電氣設備的絕緣性能要求。污染情況工頻交流耐壓試驗前，將40g高嶺土與附鹽密度為0.07mg/cm2的鹽水混合，達到I級污穢等級，并用軟的細毛刷把污穢均勻地涂在絕緣子表面，然后進行工頻電壓為15kV、時間為1min的工頻交流耐壓試驗［11］。在污染情況下，絕緣子封裝無擊穿響聲(或斷續(xù)放電聲)、冒煙、出氣、焦臭、閃絡、燃燒等現(xiàn)象。試驗結果見表1。

表1 工頻交流耐壓試驗結果Tab．1Results of AC voltage test

根據(jù)GB/T 11022-1999，絕緣材料在無污染、凝露以及污染的試驗條件下，通過相關耐高壓測試的條件是無擊穿響聲(或斷續(xù)放電聲)、冒煙、出氣、焦臭、閃絡、燃燒等現(xiàn)象［9］。因此，本測試表明高電壓接觸型光纖絕緣子可滿足15kV的高壓環(huán)境。

4 結論

本文利用硅橡膠憎水性材料和一體成型的結構方式，研制一種高電壓接觸型光纖絕緣子。對加工好的高電壓接觸型光纖絕緣子進行工頻交流15kV耐高壓試驗。在無污染、凝露以及污染試驗條件下，高電壓接觸型光纖絕緣子的絕緣子封裝均無擊穿響聲(或斷續(xù)放電聲)、冒煙、出氣、焦臭、閃絡、燃燒等現(xiàn)象。試驗表明，高電壓接觸型光纖絕緣子可使用于15kV的高壓環(huán)境。

［1］干耀生(Gan Yaosheng)．硅橡膠光纖絕緣子(Silicone rubber fiber-optic insulator)［P］．中國專利: 200520026255.1．

［2］李川，曹敏，王達達，等(Li Chuan，Cao Min，Wang Dada，et al．)．具有絕緣子保護的光纖Bragg光柵高電壓接觸型傳感器(The fiber Bragg grating contact sensor with insulator protected used in high voltage)［P］．中國專利:201020655414.5．

［3］Jahromi A N，Cherney E A，Jayaram S H，et al．Aging characteristics of RTV silicone rubber insulator coatings［J］．IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2008，15(2):444-451．

(，cont．on p.57)(，cont．from p.46)

［4］Zhao Linjie，Li Chengrong，Xiong Jun，et al．Online hydrophobicity measurement for silicone rubber insulators on transmission lines［J］．IEEE Transactions on Power Delivery，2009，24(2):806-813．

［5］李川，張以謨，趙永貴，等(Li Chuan，Zhang Yimo，Zhao Yonggui，et al．)．光纖光柵:原理、技術與傳感應用(Fiber grating:principle，technology and sensing applications)［M］．北京:科學出版社(Beijing: Science Press)，2005.114-116，161-163．

［6］郭浩(Guo Hao)．室溫硫化涂料的老化及研究新進展(The coating aging and new development of room temperature vulcanized)［J］．電力設備(Power Equipment)，2006，7(1):36-38．

［7］李衛(wèi)國，屠志剛(Li Weiguo，Tu Zhigang)．電氣設備絕緣試驗與檢測(Insulation testing and detection of electrical equipment)［M］．北京:中國電力出版社(Beijing:China Electric Power Press)，2006.158-162．

［8］王晉根(Wang Jingen)．高海拔對高低壓電器性能影響的探討(Discussion of the high-altitude performance impact of high and low voltage apparatus)［J］．高壓電器技術信息(High-voltage Electrical and Technical Information)，2005，1(4):33-36．

［9］GB/T 11022-1999，高壓開關設備和控制設備標準的共同技術要求(Common specifications for high-voltage switch gear and control gear standards)［S］．

［10］GB/T 16434-1996，高壓架空線路和發(fā)電廠、變電所環(huán)境污區(qū)分級及外絕緣選擇標準(Environmental pollution classification and external insulation selection for high voltage transmission line power plant and substation)［S］．

［11］GB/T 4585-2004，交流系統(tǒng)用高壓絕緣子的人工污穢試驗(Artificial pollution tests on high-voltage insulators to be used on a.c.systems)［S］．

High voltage withstanding study of high voltage contact fiber-optic insulator

WANG Min-ji，LI Chuan，ZHANG Xu，XIONG Xin，ZHAO Zhen-gang，XIE Tao，LI Ying-na
(Faculty of Information Engineering and Automation，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China)

In the case of pollution and dewing，power frequency and lightning overvoltage will cause electrical accidents to the secondary components installed in electrical equipment．By using the silicone rubber hydrophobic material and the structure mode of integral mold，we develop a high voltage contact fiber-optic insulator．The high voltage contact fiber-optic insulator has some features that a single or some covers which are used to cover the insulator cover the fiber-optic’s surface．Besides，a sensing device is welded at the top of the fiber-optic and a fiber-optic connector is installed at tail of the fiber-optic．Using of the fiber-optic insulator increases the creep distance of the structure．The fiber-optic insulator was tested by the AC 15kV high voltage in the pollution-free，dew and pollution environment．The tests showed that the high voltage contact fiber-optic insulator can be used for 15kV high voltage environment．

fiber;silicone rubber;fiber-optic insulator;voltage test;creep distance

TP212

A

1003-3076(2014)10-0044-03

2013-03-05

王敏吉(1987-)，男，江蘇籍，碩士研究生，主要研究方向為儀器儀表工程、光纖光柵傳感器;李川(1971-)，男，四川籍，教授/博導，博士，主要從事光纖傳感器、檢測技術與自動化裝置研究(通信作者)。