復(fù)合絕緣子交界面缺陷及脈沖熱流遠(yuǎn)場無損檢測(cè)研究

郭晨鋆，張思達(dá)，舒越，廖瑞金，馬顯龍，馬儀，于虹

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

0 前言

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

交界面缺陷是復(fù)合絕緣子面臨的主要故障類型。電力部門的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，交界面缺陷導(dǎo)致的界面擊穿是復(fù)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(huì)導(dǎo)致復(fù)合絕緣子的局部發(fā)熱，進(jìn)而演變?yōu)楫惓嗔咽鹿?，?yán)重危害電網(wǎng)的運(yùn)行安全。

復(fù)合絕緣子異常溫升是由交界面缺陷引起的一類電網(wǎng)事故，廣東地區(qū)2001年在某批次現(xiàn)場抽檢的33 支絕緣子中發(fā)現(xiàn)9 支存在發(fā)熱現(xiàn)象，其中局部缺陷的最大溫差可達(dá)40 K 以上[3]，試驗(yàn)分析以證實(shí)電氣絕緣性能已嚴(yán)重下降，并且其發(fā)熱部位正是復(fù)合絕緣子內(nèi)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(duì)500 kV 線路中復(fù)合絕緣子的異常溫升現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明存在溫升故障的絕緣子運(yùn)行年限多在七年以內(nèi)，同一線路中絕緣子的發(fā)熱數(shù)量最多可達(dá)360支。

交界面粘接問題還被認(rèn)為是，近十年來困擾復(fù)合絕緣子的某類異常斷裂故障的重要原因。目前已知的復(fù)合絕緣子斷裂機(jī)理，主要包括復(fù)合絕緣子的通常斷裂和脆性斷裂[4-5]，而基于其斷裂機(jī)理研發(fā)的耐酸芯棒與壓接結(jié)構(gòu)可以使實(shí)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(fù)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(duì)于異常斷裂的起因，有大量的研究表明，護(hù)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(fù)合絕緣子芯棒中，芯棒的外部區(qū)域是劣化最為嚴(yán)重的區(qū)域。在潮濕環(huán)境中電流、放電會(huì)進(jìn)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(jī)械性能進(jìn)一步下降，直至斷裂的發(fā)生[7-9]。

考慮到復(fù)合絕緣子龐大的數(shù)量與交界面缺陷固有的偶發(fā)性與非關(guān)聯(lián)性，無損檢測(cè)方法更為適用于粘接缺陷的檢測(cè)?，F(xiàn)有大量無損檢測(cè)研究關(guān)注復(fù)合絕緣子交界面缺陷的檢測(cè)[10-11]，華南理工大學(xué)謝從珍等人利用相控陣超聲波檢測(cè)法實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合絕緣子中1 mm 交界面缺陷的可視化測(cè)量[12]。為解決線性超聲等機(jī)械波不易耦合、測(cè)量距離較短的問題，成立等人在提出了基于THz-TDS的復(fù)合絕緣子遠(yuǎn)場無損檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交界面0.4 mm 細(xì)微缺陷的無損檢測(cè)[13]。但是以上方法均為逐點(diǎn)檢測(cè)法，即單次僅能檢測(cè)絕緣子上某一個(gè)點(diǎn)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(shù)量眾多，逐點(diǎn)檢測(cè)法時(shí)間成本過于高昂，目前難以應(yīng)用于現(xiàn)場生產(chǎn)。

基于脈沖熱流技術(shù)[14]，本文提出了一種針對(duì)復(fù)合絕緣子交界面缺陷的快速遠(yuǎn)場檢測(cè)方法。文章首先建模分析了瞬態(tài)熱流在含空隙復(fù)合介質(zhì)內(nèi)部的傳播規(guī)律，然后搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過對(duì)含缺陷的平板與絕緣子樣品的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證實(shí)了理論研究結(jié)果。最后，作者對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的輻射量數(shù)據(jù)在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下進(jìn)行求導(dǎo)分析，將交界面缺陷的辨識(shí)能力擴(kuò)大為原有方法的7倍，識(shí)別精度較大提升。運(yùn)用此方法，可以在30 cm 外對(duì)現(xiàn)有復(fù)合絕緣子中的1 mm 缺陷進(jìn)行有效識(shí)別。

1 理論基礎(chǔ)與仿真研究

由于缺陷導(dǎo)熱率（通常是空氣）與構(gòu)成護(hù)套的硅橡膠材料以及構(gòu)成芯棒的玻璃纖維與環(huán)氧樹脂材料存在一定差異，對(duì)復(fù)合絕緣子施加一定的熱激勵(lì)后，熱流在絕緣子內(nèi)部的傳播過程將會(huì)受到缺陷的影響，缺陷處的熱傳導(dǎo)不連續(xù)將導(dǎo)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(nèi)部不同介質(zhì)幾何尺寸與導(dǎo)熱特性的影響。

為對(duì)傳熱過程進(jìn)行深入分析，建立如圖3所示的一維數(shù)學(xué)模型以等效描述熱流在含缺陷絕緣子內(nèi)部的傳遞。

圖3熱流在含缺陷復(fù)合介質(zhì)內(nèi)的傳播模型

在脈沖熱激勵(lì)條件下，等效密度熱流δ(t)垂直于模型表面進(jìn)入硅橡膠與環(huán)氧樹脂復(fù)合介質(zhì)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(nèi)部的溫度分布可以通過導(dǎo)熱微分方程（1）進(jìn)行求解[13]：

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

假設(shè)檢測(cè)環(huán)境溫度為T0，初始條件為：

同時(shí)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(duì)流散熱系數(shù)，相比導(dǎo)熱項(xiàng)，對(duì)流項(xiàng)對(duì)表面溫差的分布響應(yīng)小于3%，因此在近似計(jì)算中可以忽略。而不同材料之間的熱導(dǎo)率差異同樣不足以引起表面溫度分布的改變，在計(jì)算過程中可以用絕緣固體熱導(dǎo)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(dǎo)率接近于0，脈沖熱流在短時(shí)間內(nèi)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(jù)有無缺陷處的表面溫差分布解，可以計(jì)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(lì)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(duì)內(nèi)部缺陷進(jìn)行識(shí)別。同時(shí)，表面溫差的大小與缺陷深度相關(guān)，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(cè)。

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

圖4缺陷寬度與表面溫差關(guān)系

仿真結(jié)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(dǎo)致的表面溫差也會(huì)隨之增大。

圖5缺陷厚度與表面溫差關(guān)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(dǎo)致的表面溫差對(duì)缺陷厚度的變化更加敏感。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與檢測(cè)樣品

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由熱激勵(lì)系統(tǒng)，紅外熱像儀，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成。熱激勵(lì)系統(tǒng)由兩個(gè)閃光燈構(gòu)成，其功率為5.9 kJ，在短時(shí)間內(nèi)對(duì)樣品施加一定的熱量，利用熱像儀檢測(cè)樣品受熱后的表面輻射量，并分析熱輻射量隨時(shí)間的變化規(guī)律，進(jìn)而研究絕緣子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)性缺陷。

圖6檢測(cè)原理圖

本文對(duì)含不同尺寸缺陷的平板與絕緣子樣品進(jìn)行了檢測(cè)，所用樣品編號(hào)及基本信息如表1所示。

表1樣品編號(hào)與基本信息

實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(xiàn)役絕緣子相同。環(huán)氧樹脂板上開有4個(gè)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(cè)觀察樣品缺陷，與熱圖結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(cè)主要是依靠熱流傳播規(guī)律進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于已被發(fā)現(xiàn)的實(shí)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(xiàn)顯著的改變，因此在研究初期，難以使用實(shí)際缺陷進(jìn)行研究。為了避免缺陷直接接觸外界氣體影響散熱，還原現(xiàn)場絕緣子實(shí)際檢測(cè)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(hù)套厚度為5.8 mm。

對(duì)于復(fù)合絕緣子樣品，為找到完全對(duì)稱的對(duì)比點(diǎn)，樣品布置方向如下圖所示，缺陷位置并不對(duì)準(zhǔn)紅外儀，而是偏離約30°。同時(shí)在對(duì)稱位置尋找一個(gè)對(duì)照點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 輻射量實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)平板樣品的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果如圖9所示。從熱圖中可以看出，平板上出現(xiàn)了明顯的條狀亮斑，形狀位置與缺陷相對(duì)應(yīng)，其輻射量要高于非缺陷區(qū)域，與理論計(jì)算（1-7）的計(jì)算結(jié)果一致。進(jìn)一步對(duì)亮斑進(jìn)行分析與比較可以發(fā)現(xiàn)，缺陷的厚度與寬度也會(huì)對(duì)表面溫度產(chǎn)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(hào)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(duì)比1號(hào)樣品與2號(hào)樣品，可以發(fā)現(xiàn)2號(hào)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，在相同熱源條件下，入射能量顯著降低，而且復(fù)合絕緣子護(hù)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(cè)難度。

圖7絕緣子樣頻測(cè)量布置方法

圖8絕緣子樣品輻射量檢測(cè)結(jié)果

從絕緣子輻射量檢測(cè)結(jié)果可以看出，對(duì)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(duì)于厚度較大的缺陷，可以進(jìn)行一定程度的區(qū)分，但相比平板樣品結(jié)果不理想，現(xiàn)場條件下容易受到環(huán)境的變化而難以進(jìn)行。

為研究樣品表面輻射量的數(shù)值變化過程，我們?cè)跇悠返娜毕輩^(qū)域與參考區(qū)域各選取3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行輻射量分析，以樣品編號(hào)-取樣區(qū)域-取樣點(diǎn)編號(hào)的形式來表述取樣點(diǎn)，例如3-D-1為3號(hào)樣品，缺陷區(qū)域的第一個(gè)取樣點(diǎn)。從缺陷區(qū)域與非缺陷區(qū)域點(diǎn)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(jì)算的結(jié)果相符，但是差別非常細(xì)微，差值相對(duì)變化量小于5%，難以滿足實(shí)際測(cè)量要求，因此有必要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理。

3.2 輻射量變化率實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)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(diǎn)，適宜于對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸下進(jìn)行分析。此外為更深入的分析散熱過程，提高檢測(cè)精度，可以嘗試研究缺陷對(duì)輻射量變化率的影響。綜上，對(duì)輻射量在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下求導(dǎo)，分析輻射量變化率隨時(shí)間變化的規(guī)律。結(jié)果如圖9所示。

從求導(dǎo)后的結(jié)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(dǎo)熱性較差的空氣阻隔，熱量可以更快速的在物體內(nèi)部達(dá)到平衡，致使無缺陷區(qū)域在降溫開始時(shí)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(dǎo)后有無缺陷區(qū)域的結(jié)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(duì)燈光角度的差異（事實(shí)上，在現(xiàn)場測(cè)量時(shí)，也很難確保不同樣品相對(duì)熱源角度完全一致），不同樣品的結(jié)果之間沒有可比性，測(cè)試結(jié)果對(duì)樣品位置十分敏感。

為更直觀表現(xiàn)求導(dǎo)處理后檢測(cè)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(duì)值的最低值（如圖9-A 中3-R-3）作為參考，計(jì)算樣品上其余點(diǎn)的相對(duì)參考曲線的最大偏差百分比。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖9絕緣子樣品輻射量變化率結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，缺陷對(duì)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(zhǔn)，當(dāng)偏差不超過15%時(shí)，可以認(rèn)為絕緣子內(nèi)部不存在可識(shí)別缺陷，當(dāng)偏差為15%-30%時(shí)，絕緣子內(nèi)部缺陷尺寸小于1 mm，當(dāng)偏差超過30%時(shí)，認(rèn)為絕緣子內(nèi)部存在明顯的氣隙缺陷。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種基于熱流傳播差異的復(fù)合絕緣子交界面缺陷遠(yuǎn)場識(shí)別方法。研究結(jié)果表明：

1）對(duì)復(fù)合絕緣子施加一個(gè)瞬態(tài)熱激勵(lì)后，內(nèi)部缺陷對(duì)熱流在樣品內(nèi)的擴(kuò)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(kuò)散，樣品表面將更快接近平衡溫度，因此在可以觀測(cè)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(shù)值，輻射量變化率對(duì)缺陷更加敏感。對(duì)絕緣子進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，以輻射量變化率絕對(duì)值最低的樣品為參考，得到其余位置的最大偏差量，當(dāng)最大偏差不超過15%時(shí)，可以認(rèn)為絕緣子內(nèi)部不存在可識(shí)別缺陷，當(dāng)最大偏差為15%-30%時(shí)，絕緣子內(nèi)部缺陷尺寸小于1mm，當(dāng)最大偏差超過30%時(shí)，認(rèn)為絕緣子內(nèi)部存在明顯的氣隙缺陷。