空間電荷技術(shù)在復(fù)合絕緣子老化判斷中的應(yīng)用

梁棟，彭慶軍，李天福

(1.華北電力大學(xué)研究生工作站，昆明 650217;2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院博士后工作站，昆明 650217)

0 前言

復(fù)合絕緣子以其重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、表面憎水性強(qiáng)、耐污閃性能好等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用［1－4］。但是作為有機(jī)材料，硅橡膠傘裙材料不可避免的要受外界惡劣環(huán)境的影響而發(fā)生老化，從而影響絕緣子的絕緣性能，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)事故［5－6］。隨著復(fù)合絕緣子掛網(wǎng)時(shí)間的增加，其發(fā)生閃絡(luò)和損壞的事例也日趨增多。常見的復(fù)合絕緣子現(xiàn)場(chǎng)損壞原因主要可分為兩大類，第一類是機(jī)械方面的損壞，第二類是電氣性能的劣化，主要表現(xiàn)在泄漏電流增加、憎水性部分或全部喪失，可導(dǎo)致?lián)舸?、沿面閃絡(luò)等絕緣事故［7－11］。研究表明，傘套材料的老化是造成復(fù)合絕緣子性能劣化的重要因素［11－15］。因此，復(fù)合絕緣子運(yùn)行狀態(tài)即老化狀態(tài)的檢測(cè)診斷受到了運(yùn)行部門和相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注。

目前對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合絕緣子老化狀況的檢測(cè)方法主要有觀察復(fù)合絕緣子表面狀態(tài)、憎水性等級(jí)(hydrophobicity class，HC)噴水分級(jí)測(cè)試及硬度測(cè)試等，其中HC 噴水分級(jí)法在現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合絕緣子的老化特性評(píng)價(jià)中應(yīng)用最為廣泛。然而，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法如HC 噴水分級(jí)法是基于肉眼觀察的主觀判斷方法，其檢測(cè)結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)較大誤差［16，17］。同時(shí)，研究表明復(fù)合絕緣子的憎水性并不只與老化有關(guān)，還與氣候、溫度等多種因素有關(guān)［6］。傳統(tǒng)的老化分級(jí)方法并不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)復(fù)合絕緣子的老化狀態(tài)，探尋能準(zhǔn)確有效評(píng)估與判斷復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)的新方法是十分有意義的。

熱刺激電流(TSC)方法近幾年在研究介質(zhì)電傳導(dǎo)機(jī)理和電荷存儲(chǔ)現(xiàn)象中得到了廣泛應(yīng)用［13－15］。借助于熱刺激電流試驗(yàn)?zāi)軝z測(cè)到絕緣材料的微觀電特性，有望為復(fù)合絕緣子老化程度的診斷及評(píng)價(jià)提供新方法。

1 復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)評(píng)價(jià)現(xiàn)狀

復(fù)合絕緣子老化評(píng)估方法如下:

1)通過噴水分級(jí)法 (hydrophobicity class，HC)測(cè)量憎水性能，級(jí)別越高說明絕緣子老化程度越嚴(yán)重;

2)通過復(fù)合絕緣子的泄漏電流測(cè)量判斷硅橡膠的老化程度，泄漏電流越大說明老化程度越嚴(yán)重;

3)利用掃描電鏡(scanning electron microscope，SEM)觀察絕緣子表面的微觀鏡像，微觀表面孔洞、缺陷越多說明老化越嚴(yán)重;

4)通過能譜分析復(fù)合絕緣子各層面存在的化學(xué)元素，其他雜質(zhì)元素(尤其是金屬元素)含量越高說明老化越嚴(yán)重;

5)通過觀察表面粉化、測(cè)量硬度和抗拉能力等評(píng)估絕緣子老化狀態(tài)［16－19］。

近年來，新的老化狀態(tài)評(píng)估方法誕生，如基于熱刺激電流(thermally stimulated current，TSC)的檢測(cè)法，傅里葉紅外光譜分析法(fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR)、紫外成像老化檢測(cè)法、基于核磁共振的老化檢測(cè)法等也得到了較廣泛的應(yīng)用［20－26］。此外，也針對(duì)硅橡膠材料和復(fù)合絕緣子進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)室條件下老化特性及機(jī)理的研究，主要包括一些可造成復(fù)合絕緣子老化的作用因素，如表面放電(電暈放電、電弧放電)、潮濕、紫外線、溫度及污穢等，也包括伴隨著電暈放電的過程中產(chǎn)生的硝酸與臭氧這類影響因素［13－14，27－31］。但是，傳統(tǒng)方法所得到的測(cè)量結(jié)果受主觀因素影響較大，采用原有的基于憎水特性的評(píng)價(jià)方法并不能完全可靠的反映絕緣子的實(shí)際老化狀態(tài)。

2 復(fù)合絕緣子老化判斷新方法

2.1 熱刺激電流原理

電介質(zhì)中的缺陷能態(tài)的研究主要是通過介質(zhì)中的缺陷能態(tài)以及能態(tài)密度的分布分析判斷電介質(zhì)材料電氣性能的變化、電介質(zhì)的老化狀態(tài)。缺陷能態(tài)密度分布特性的不同，直接與材料微結(jié)構(gòu)(晶區(qū)、非晶區(qū)型界面、結(jié)構(gòu)晶相等)等相關(guān)，會(huì)直接制約材料的電氣特性，材料的老化等都與材料的缺陷能態(tài)以及能態(tài)密度的分布有一定的聯(lián)系，因此缺陷能態(tài)是一個(gè)將材料微觀特性及結(jié)構(gòu)與材料的電氣性能相結(jié)合的橋梁。現(xiàn)代材料中缺陷能態(tài)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，使得尋找這種橋梁以建立一種直接的聯(lián)系成為可能。

根據(jù)成因不同，一般地將陷阱分成兩類，即結(jié)構(gòu)(物理)陷阱和化學(xué)陷阱。對(duì)于高聚物來說，其大分子鏈正負(fù)電荷中心往往是重疊的，對(duì)外呈中性，而長(zhǎng)鏈的端部、添加的化學(xué)雜質(zhì)等往往形成化學(xué)陷阱，而晶體內(nèi)的裂縫、晶相與非晶相的界面等則成為結(jié)構(gòu)陷阱。當(dāng)在電暈放電的持續(xù)作用下，產(chǎn)生的高能粒子不斷碰撞試樣表面，引起高分子降解斷裂，熱電子與聚合物相互作用形成自由基和低分子，在臭氧的作用下會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生許多不飽和鍵和端基，這些過程必定會(huì)產(chǎn)生許多正負(fù)電荷中心不重合的基團(tuán)，吸引電荷，形成陷阱。同時(shí)，高能粒子的機(jī)械碰撞會(huì)引起試樣表面的微觀結(jié)構(gòu)的改變，破壞聚合物的結(jié)構(gòu)，形成結(jié)構(gòu)缺陷。

通常注入材料的電子會(huì)被不同能級(jí)的陷阱捕捉。在環(huán)境溫度變化時(shí)，隨著溫度的升高，被捕捉的電子獲得釋放，形成TSC 特性曲線。由TSC特性曲線可以確定陷阱電荷量、陷阱能級(jí)等參數(shù)，計(jì)算如公式(1)、(2)。其中β 為升溫速率，Tm為TSC 電流曲線峰值對(duì)應(yīng)的溫度，T 是半峰值對(duì)應(yīng)溫度的差值。通常硅橡膠材料的老化會(huì)使得陷阱電荷量增大，陷阱能級(jí)加深［14］。

2.2 熱刺激電流測(cè)試裝置

常見的TSC 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1 所示，主要分為五部分:

1)直流加壓部分;

2)電流的測(cè)量部分;

3)控溫部分;

4)真空環(huán)境部分;

5)電流和溫度的實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)［26－27］。

圖1 TSC 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

TSC 是一種熱激勵(lì)過程，先將試樣在某一溫度T1下，加外加電場(chǎng)極化一段時(shí)間后，維持電場(chǎng)強(qiáng)度不變，然后迅速將樣品冷卻至溫度T2(T2＜T1)，撤去極化電場(chǎng)，用升溫裝置使試樣線性升溫，并同時(shí)測(cè)量外電路的短路電流。該電流與溫度的曲線即為熱刺激電流的曲線。通過對(duì)TSC 曲線的相關(guān)處理與計(jì)算就可以確定出材料表面的陷阱參數(shù)。

2.3 熱刺激電流研究現(xiàn)狀

將TSC 技術(shù)用于復(fù)合絕緣子的研究［32，33］。其對(duì)不同極化電壓、不同極化溫度、不同極化時(shí)間下復(fù)合絕緣子的TSC 特性進(jìn)行研究，確定了適合用于復(fù)合絕緣子的試驗(yàn)參數(shù)，并對(duì)新舊絕緣子的TSC 特性、憎水性及SEM 微觀特性進(jìn)行綜合比對(duì)，研究表明TSC 特性可以用于判斷復(fù)合絕緣子的老化狀態(tài)。

對(duì)復(fù)合絕緣子的TSC 特性進(jìn)行了進(jìn)一步的研究［35－37］。研究證明了復(fù)合絕緣子老化會(huì)使TSC 特性發(fā)生變化，即運(yùn)行多年的絕緣子與新絕緣子相比陷阱電荷量增大，陷阱能級(jí)加深，同時(shí)所得結(jié)果與憎水性、紅外光譜、SEM 等結(jié)果又良好的對(duì)應(yīng)性。此外，對(duì)影響復(fù)合絕緣子老化的因素也做了一定的研究。研究表明，復(fù)合絕緣子的TSC 特性作為老化評(píng)價(jià)依據(jù)有其特有的優(yōu)勢(shì)。

建立了110kV 電壓等級(jí)復(fù)合絕緣子微觀運(yùn)行性能評(píng)估模型。并且分析了電場(chǎng)強(qiáng)度、運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行年限對(duì)復(fù)合絕緣子老化程度的影響，結(jié)果表明，試樣高壓端老化速度最快，低壓端次之，中間段最慢;重污區(qū)試樣的老化速度明顯較快，較輕污區(qū)試樣老化速度相對(duì)緩慢;隨著年限的增加，試樣的老化程度呈遞增趨勢(shì)。電場(chǎng)強(qiáng)度、運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行年限三種因素對(duì)復(fù)合絕緣子老化程度的影響由強(qiáng)到弱依次為:運(yùn)行年限－電場(chǎng)強(qiáng)度－運(yùn)行環(huán)境［38］。

2.4 制約TSC 技術(shù)應(yīng)用的因素

目前解決現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合絕緣子影響因素繁多的主要方法為人工加速老化試驗(yàn)，通過因素控制建立TSC 數(shù)據(jù)與老化時(shí)間的關(guān)系，并與現(xiàn)場(chǎng)試樣進(jìn)行年限等效，分析各個(gè)因素的權(quán)重，并將TSC 特性與其他老化判斷方法進(jìn)行比對(duì)，從而建立完整TSC 數(shù)據(jù)庫(kù)，以對(duì)TSC 特性進(jìn)行分級(jí)。

3 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的復(fù)合絕緣子老化判斷方法只關(guān)心試樣的宏觀性能，而且測(cè)試手段本身存在明顯的缺陷。TSC 技術(shù)作為一種以空間電荷測(cè)試手段，為研究材料微觀特性及結(jié)構(gòu)與材料的電氣性能提供了橋梁。但目前TSC 技術(shù)用于復(fù)合絕緣子老化判斷還處于探索階段，還需大量的試驗(yàn)補(bǔ)充完善數(shù)據(jù)庫(kù)，以得到統(tǒng)一的判斷方法。另外TSC 特性的機(jī)理研究也亟待解決。

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