基于電力絕緣材料老化現場測試技術分析

吳 峰 ，柯 銳 ，董中強 ，朱曉東 ，梅 端

（1.南瑞集團有限公司，江蘇 南京 211000；2.武漢南瑞電力工程技術裝備有限公司，湖北 武漢 430415；3.武漢南瑞有限責任公司，湖北 武漢 430074）

0 引 言

隨著國民經濟的不斷發(fā)展，全社會對電力供應的需求及要求不斷提升，這種要求推動了電力系統(tǒng)的快速發(fā)展。與此同時，由于溫度、濕度以及紫外線等因素的影響，電力絕緣材料不可避免的出現老化情況，而電力系統(tǒng)的快速發(fā)展則會增加電力絕緣材料老化的現場測試工作量，提高對人員技術水平的要求。電力絕緣材料作為一種導電惰性材料，可以有效阻止導體內部的電流與外部連通，進而保障電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。但電力絕緣材料在具體應用過程中出現老化等質量問題，會嚴重影響其絕緣性能。針對此種情況，各地區(qū)電力系統(tǒng)均需要定期檢測分析電力絕緣材料的老化程度及絕緣性能，及時發(fā)現電力絕緣材料存在的各類問題，早發(fā)現早解決，避免電力系統(tǒng)的正常運行受到影響?；诖耍疚难芯糠治鲭娏^緣材料老化現場測試技術，進一步提高電力絕緣材料老化現場測試效率及效果，具有重要的現實意義。

1 電力絕緣材料工作機理及老化原因

現階段，電力絕緣材料大多為高分子橡膠絕緣材料，其屬于高分子電介質，具有飽和分子鏈，并且通常情況下，該類分子鏈具有較強的抗老化性和柔弱性特征[1]。電力絕緣材料的分子結構為多結構單元組成的長鏈分子結構，如圖1所示，其結構中的每個單鏈均可以通過內旋轉形成不同的空間結構，一方面使得電力絕緣材料的長鏈分子具有不同的結構構象，另一方面也使得電力絕緣材料的介質損耗角正切相對較小，實際絕緣電阻值更高，通常情況下不會隨著溫度的變化而出現變化[2]。

圖1 電力絕緣材料的分子結構

然而實際使用中，電力絕緣材料易受到紫外線、濕度以及溫度等因素的共同影響，進而導致分子結構出現變化，促使電力絕緣材料出現老化等情況。具體來說，在紫外線、溫度以及濕度等因素的共同影響下，電力絕緣材料的分子結構將會出現活化，進而產生大量的游離基，再加上紫外線短波會對電力絕緣材料的化學鍵造成一定破壞，多種因素共同導致電力絕緣材料出現老化、表現生成網狀裂縫等問題。此外，電力絕緣材料的性質一般情況下不會隨著溫度的變化而變化，但高溫卻可以導致電力絕緣材料出現老化，其主要原因在于高溫環(huán)境下電力絕緣材料的分子鏈將會被活化，進而促使游離基數量增加，導致電力絕緣材料的分子鏈易出現斷裂和重組情況，引發(fā)分子結構變化，最終表現出絕緣材料老化及絕緣性能下降等問題。

2 電磁場檢測技術的原理

電磁場檢測技術以電磁感應原理為基礎，在實際檢測過程中根據電磁場中感應電流的大小和磁場變量變化綜合分析確定被檢測物體的缺陷情況。以電力絕緣材料為例，若在檢測過程中電力絕緣材料沒有出現老化或者其他質量問題，那么不僅電磁場檢測技術所獲取的感應電流數值較為恒定，而且電力絕緣材料表面所形成的電磁場也會相對均勻[3]。反之，若是電力絕緣材料出現老化等質量問題，那么電磁場檢測技術所獲取到的感應電流數值也將會出現較大變化，并且電力絕緣材料表現的電磁場也會出現一定的畸變。之所以會這樣，主要原因在于電力絕緣材料出現老化后，其老化部位的分子結構發(fā)生變化，導致電力絕緣材料老化部位的感應電流和電磁場出現偏移和畸變等變化，具體表現如圖2所示。

圖2 電力絕緣材料老化部位感應電流和磁場變化表現

3 電力絕緣材料老化現場測試技術的必要性

電力系統(tǒng)中的大部分電力絕緣材料均長期在戶外使用，然而相對于室內環(huán)境，戶外環(huán)境不僅晝夜溫差、季節(jié)溫差以及濕度差相對較大，而且還會受到日照紫外線等因素的影響。具體調查發(fā)現，我國大多數地區(qū)的電力系統(tǒng)均采用了高分子橡膠絕緣材料，此類材料具有質量輕、強度高以及穩(wěn)定性強等優(yōu)勢。然而正如上文所述，在實際運行過程中，電力絕緣材料將會受到多種因素的影響，極易出現老化等質量問題[4]。在此情況下，為保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，勢必要經常全面測試電力系統(tǒng)中的電力絕緣材料性能。傳統(tǒng)的電力絕緣材料老化測試大多采用電力耐受壓實驗、物理解剖以及化學測試等方式，相關測試技術雖然可以在一定程度上確定電力絕緣材料的老化程度，但實際測試過程中卻會對電力絕緣材料造成一定破壞，以至于測試后需要對測試區(qū)域的電力絕緣材料進行更換處理，再加上測試效率較低，測試過程中需要進行局部停電等諸多情況。多方面因素導致傳統(tǒng)測試技術的實際測試成本相對較高，并且會嚴重影響檢測區(qū)域附近居民的用電體驗。因此，有必要研究一種可以實現快速、靈活且不會對電力絕緣材料造成破壞的電力絕緣材料老化現場測試技術，來實現對電力絕緣材料的全面檢測，提高測試效率及效果。

4 基于電磁場檢測的電力絕緣材料老化現場測試技術分析

4.1 電力絕緣材料老化現場測試設備

電力絕緣材料老化現場測試設備主要是指便攜式老化狀態(tài)檢測傳感器設備，該設備主體為永磁體。在應用過程中，永磁體會形成有限元電磁場，通過此電磁場可以實現對電力絕緣材料老化部位的現場檢測。具體來說，便攜式老化狀態(tài)檢測傳感器設備會根據電力絕緣材料的實際運行工況，基于方形永磁體合理構建傳感器設備原初磁場BX，但由于永磁體所形成的原初磁場強度較不均勻，并且實際抗干擾能力相對較弱，因此還需要在設備兩側分別加裝體積相同的方形永磁體。后加裝的兩個方形永磁體的所形成的磁場變量分別記作BY和BZ，通過合理調整3個磁場的相對位置旋轉角可以獲取一個均勻的磁場，其中的原初磁場BX還會與電力絕緣材料的表面相互平行，而BY磁場則會垂直于原初磁場和電力絕緣材料表面，BZ磁場與原初磁場BX和加裝永磁體磁場BY相垂直[5]。

基于此特性，在實際現場測試過程中僅需要將便攜式老化狀態(tài)檢測傳感器設備平行置于電力絕緣材料表面，設備便會自行測試出電力絕緣材料表面磁場BX的強度以及感應電流的實際數值，由此可以初步計算出測試電力絕緣材料的絕緣性能與老化程度[6]。具體電力絕緣材料表面磁場與感應電流的關系如圖3所示。在實際現場測試過程中，若是電力絕緣材料未出現老化情況，那么感應電流的方向變化沿著Y軸進行傳遞，而磁場則是沿著X軸進行傳遞，并且此時加裝永磁體磁場BY和BZ的磁場強度為0，而原初磁場BX的磁場強度則會與感應電流之間呈現出正比關系。反之，若是電力絕緣材料存在老化等質量問題，那么加裝永磁體磁場BY和BZ的磁場強度將不再為0，如此將只需要對加裝永磁體磁場BY和BZ的磁場強度及其相對應的感應電流數值進行計算和推導，便可以獲取電力絕緣材料的老化程度初步現場測試結果。

圖3 電力絕緣材料表面磁場與感應電流之間的關系

4.2 可移動便攜式老化現場測試

為能夠有效提高便攜式老化狀態(tài)檢測傳感器設備的現場測試效率及實用性，保障測試的精準性和有效性，需要結合便攜式老化狀態(tài)檢測傳感器設備的實際情況及電力絕緣材料運行工況定制專門的設備固定夾具。具體設計過程中，固定夾具將會有夾持桿和卡箍兩部分組成。在實際現場測試過程中，工作人員只需要結合電力絕緣材料工況情況合理調節(jié)夾持桿和卡箍的角度，便可以實現針對不同電力絕緣材料工況情況下的傳感器設備固定效果，進而促使傳感器能夠在固定過程中獲取到更為精準有效的數據信息，保障測試結果的真實性和有效性[7]。此外，便攜式老化狀態(tài)檢測傳感器設備的前端還配置有專用的射頻線圈阻抗元器件，該元器件主要用于發(fā)射和接收轉換電路信號，再加上傳感器設備中內置有諧振頻率條件模塊，此模塊主要由二極管、電感以及無磁電容組成，將其設置在射頻線圈附近以后，可以有效降低檢測過程中的射頻線圈發(fā)射和接收信號時所產生的電磁干擾情況，進而滿足對各類電力絕緣材料的現場無損檢測需求，滿足電力絕緣材料老化現場檢測可移動便攜式目標效果[8]。

5 基于電磁場檢測的電力絕緣材料老化現場測試技術的具體應用

在完成便攜式老化狀態(tài)檢測傳感器設備設計以后，為了驗證此設備的可行性及有效性，還需要在電力系統(tǒng)中進行具體的測試應用。本文以某地區(qū)電力系統(tǒng)中的某一段電纜為測試對象，通過便攜式老化狀態(tài)檢測傳感器設備進行具體測試，并根據測試結果繪制出電纜表面電力絕緣材料的磁場分布，具體情況如圖4所示[9]。

圖4 現場測試中電力絕緣材料磁場分布圖

在現場測試中，測點電纜表面的電力絕緣材料存在嚴重的老化缺陷問題，并在后續(xù)測試中運用傳統(tǒng)測試技術對測點老化部位進行解構分析，最終發(fā)現采用便攜式老化檢測傳感器設備測出的老化部位確實存在較嚴重的電力絕緣材料老化問題，從而說明了測點老化檢測傳感器設備在現場應用中具有一定的可行性。在后續(xù)測試誤差率分析研究中，確定便攜式老化檢測傳感器設備現場測試誤差率小于5%，滿足電力系統(tǒng)中電力絕緣材料老化現場測試的有關要求。

6 結 論

各地區(qū)電力系統(tǒng)必須要根據電力系統(tǒng)絕緣材料老化無損檢測的實際要求，定期開展電力絕緣材料老化檢測工作。為了進一步提高電力系統(tǒng)電力絕緣材料檢測效率及效果，實現對電力絕緣材料無損檢測目標，本文提出了一種基于電磁場檢測技術的便攜式老化狀態(tài)檢測傳感器設備理論設計架構，并在后續(xù)研究中對此設備進行具體應用型測試，將測試結果與傳統(tǒng)測試方法所得結果相對比，驗證了便攜式老化狀態(tài)檢測傳感器設備的檢測精準性、有效性以及無損性均符合相關要求，并且檢測效率大幅度提升，降低檢測中人力物力需求，減少了檢測成本，多維度結合，可以為電力絕緣材料老化現場測試提供重要支持和技術保障，推動我國電力系統(tǒng)的進一步發(fā)展。