典型缺陷條件下環(huán)氧膠浸紙?zhí)坠芙^緣特性分析

謝志成，許佐明，劉泰蔚，張晉寅，鄧軍

(1.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣州510640；2.電網(wǎng)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國電力科學(xué)研究院)，武漢430074)

0 引言

套管是電力設(shè)備的關(guān)鍵部件，其主要作用是將高電位導(dǎo)體與接地屏障(設(shè)備外殼或墻體)絕緣，并將高電壓和電流引入或引出。環(huán)氧樹脂膠浸紙?zhí)坠苤鹘^緣是通過皺紋紙和鋁箔纏繞形成芯體，在真空干燥后采用環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行浸漬并固化成形，其外絕緣一般采用空心復(fù)合絕緣子。環(huán)氧膠浸紙?zhí)坠芫哂须姎庑阅芊€(wěn)定、體積小、重量輕等特點(diǎn)[1-3]，但其制造工藝復(fù)雜、難度大，尤其對于大尺寸套管，工藝控制不當(dāng)將會產(chǎn)生缺陷。工藝缺陷通常表現(xiàn)為芯體內(nèi)部裂紋或氣泡，而這些缺陷往往在初期對套管整體絕緣性能影響較小。然而，運(yùn)行過程中，在電應(yīng)力、熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力等多種應(yīng)力作用下缺陷將會不斷擴(kuò)大，最終導(dǎo)致絕緣性能降低或擊穿，影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[4-6]。因此，研究更有效的測試方法，及時發(fā)現(xiàn)缺陷并采取措施是非常必要的?；陬l域介電譜(frequency-domain dielectric spectroscopy, FDS)測量和時域極化去極化電流(polarization and depolarization current, PDC)測量的頻率響應(yīng)特性是一種離線、無損、易于實(shí)現(xiàn)的絕緣診斷方法。這些方法已廣泛應(yīng)用于變壓器、電機(jī)、電纜和其他電氣設(shè)備的絕緣狀況評估[7-10]。然而，當(dāng)前的研究對象主要集中在油紙絕緣材料和產(chǎn)品上，對于環(huán)氧樹脂浸漬紙絕緣材料及相關(guān)產(chǎn)品頻率響應(yīng)特性測試研究較少[11]，缺乏相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

本文分析了套管典型缺陷產(chǎn)生的原因，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝制作了套管樣品，在樣品中設(shè)置典型缺陷。測試并比較了不同缺陷套管的絕緣電阻、介質(zhì)損耗因數(shù)、電容、頻域介電譜和極化去極化電流等絕緣特征參量，可為環(huán)氧膠浸紙?zhí)坠艿某鰪S檢驗(yàn)和故障診斷提供參考。

1 套管缺陷模擬方法

環(huán)氧膠浸紙絕緣套管生產(chǎn)工藝主要包括皺紋紙干燥、鋁箔表面處理、卷制、芯體干燥、混料、浸漬固化、車削成形及裝配等過程，主要的生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 膠浸紙?zhí)坠芄に嚵鞒虉D

為了研究套管典型缺陷條件下的絕緣特征參數(shù)，采用相同的設(shè)計制造了±100 kV穿墻套管樣品及多個電容芯體，在部分芯體中人為設(shè)置了一些典型的缺陷。試品包含1支正常套管樣品、1支正常芯體及其他3支芯體，分別模擬干燥不良、內(nèi)部微裂紋和內(nèi)部氣泡缺陷，缺陷模擬方法如表1所示。試品照片如圖2所示。

圖2 試品照片

正常樣品按照正常工藝參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)并檢驗(yàn)合格，通過縮短皺紋紙和芯體干燥時間模擬芯體干燥不良。微裂紋芯體則是在套管浸漬固化過程中由于固化工藝不當(dāng)導(dǎo)致其固化放熱，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力導(dǎo)致內(nèi)部裂紋。

由于模擬缺陷處于套管芯體內(nèi)部，除電氣試驗(yàn)檢測外，難以進(jìn)行定量評估。因此，對不同缺陷套管芯體進(jìn)行解體檢查，通過芯體橫截面狀態(tài)來觀測套管缺陷表現(xiàn)形式。正常芯體截面如圖3所示。

圖3 正常套管芯體截面

由圖3可見，芯體內(nèi)部皺紋紙和環(huán)氧樹脂結(jié)合緊密，截面紋理清晰，無雜質(zhì)或孔洞現(xiàn)象。

有微裂紋的芯體截面如圖4所示，可見由于環(huán)氧樹脂固化收縮產(chǎn)生局部微小裂紋，裂紋在芯體絕緣層內(nèi)部沿圓周方向分布，裂紋呈現(xiàn)條形小孔狀。

圖4 有微裂紋的芯體截面

內(nèi)部氣泡是由材料脫氣工藝不良導(dǎo)致的氣泡殘留，芯體截面上的氣泡如圖5所示。可見，芯體內(nèi)部氣泡邊沿為白色膜，部分小氣泡聚集后呈蜂窩狀。

圖5 套管芯體內(nèi)部氣泡

2 典型缺陷套管絕緣性能參數(shù)分析

采用絕緣電阻測試儀測量不同試品的絕緣電阻、吸收比，采用西林電橋正接法測量試品tanδ和電容量，測試結(jié)果如表2所示。從測量結(jié)果來看，總體上正常套管芯體及樣機(jī)絕緣電阻大于具有缺陷的套管芯體，內(nèi)部干燥不良的電容芯體絕緣電阻最小，其次為具有內(nèi)部氣泡的電容芯體。正常套管tanδ值較缺陷套管低，具有內(nèi)部裂紋的套管芯體tanδ值最大且測量分散性較大，其次為具有內(nèi)部氣泡的電容芯體。值得注意的是，僅依據(jù)吸收比并不能判斷套管的絕緣受潮狀態(tài)，以絕緣紙干燥不良的電容芯體為例，其吸收比達(dá)1.56，比正常套管芯體的吸收比大16.4%，但其絕緣電阻僅為正常套管芯體的1/3，其tanδ值較正常套管大23.9%。

表2 不同試品常規(guī)絕緣性能參數(shù)

3 典型缺陷套管介電響應(yīng)特性分析

在單一的工頻下測量介質(zhì)的絕緣特性參數(shù)，并不能獲得全面的絕緣狀態(tài)信息。介電特性(FDS與PDC)分析法是基于時域和頻域范圍測量的一種有效方法，已經(jīng)成為診斷高壓設(shè)備絕緣狀態(tài)的有效工具。

頻域介電譜(FDS)法是將試品等效為電容，采用正弦波電場激勵來測量不同頻率下的介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ和電容C，繪制頻域關(guān)系曲線，分析老化、受潮等不同情況對曲線各段的影響，確定頻域曲線各部分與絕緣狀態(tài)之間關(guān)系，就可以對高壓套管絕緣狀態(tài)進(jìn)行評估，其測量原理如圖6所示。

圖6 FDS測量原理圖

信號處理模塊控制正弦變頻電源產(chǎn)生不同頻率的電壓激勵,在每個頻率的激勵下，測得電壓激勵和電流響應(yīng)。根據(jù)歐姆定律有：

(1)

式中Z為試品的阻抗。

在電介質(zhì)絕緣評估領(lǐng)域中，絕緣阻抗由復(fù)合電容表示，其定義為：

(2)

式中：ω= 2πf；f為正弦激勵頻率。

C=C′-jC″

(3)

(4)

(5)

介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ也可由Z表示。

(6)

通過上述關(guān)系可以計算出各個頻率下絕緣介質(zhì)的響應(yīng)，并通過頻域介質(zhì)響應(yīng)曲線來判斷絕緣介質(zhì)的絕緣狀態(tài)。

當(dāng)前，頻域介電譜方法在油紙絕緣設(shè)備絕緣診斷方面的應(yīng)用相對成熟。通過模型試驗(yàn)、現(xiàn)場測量以及國內(nèi)外的相關(guān)研究結(jié)論，得到頻域介電譜曲線與油紙絕緣設(shè)備絕緣狀態(tài)的關(guān)系如圖7所示[12]。

圖7 頻域介電譜曲線與油紙絕緣設(shè)備絕緣狀態(tài)的關(guān)系

可見，介質(zhì)響應(yīng)曲線受絕緣紙含水量、油電導(dǎo)率、絕緣幾何結(jié)構(gòu)和溫度的影響。當(dāng)紙絕緣含水量增加、老化加重時，高頻段和低頻段的曲線向上移動(介損值增加)。當(dāng)油電導(dǎo)率增大或溫度增加時，反映油電導(dǎo)率的頻段內(nèi)的曲線會向高頻方向移動。

極化去極化電流(PDC)測量方法主要研究電介質(zhì)的弛豫極化電流，包括極性偶極分子轉(zhuǎn)向。極化、空間電荷極化(界面極化)和熱離子位移極化引起的弛豫極化電流。通過檢測樣品對階躍電壓激勵的響應(yīng)來測量材料的介電參數(shù)，將樣品作為電容對其施加階躍的直流電壓，測試極化去極化電流和時間的關(guān)系，從而在時域下研究介電弛豫過程[13]。

采用某公司生產(chǎn)的DIRANA設(shè)備測量并分析套管樣品頻域介電譜(FDS)曲線及極化去極化電流(PDC)。對不同缺陷的套管在相同條件下測量頻域介電譜，測量頻率從0.001 Hz～5 000 Hz，測量tanδ-f曲線如圖8所示。

圖8 不同套管試品tanδ隨頻率的變化曲線

由測試結(jié)果可知，正常套管芯體與套管樣機(jī)介質(zhì)損耗因數(shù)隨頻率的變化曲線基本相近，tanδ隨著頻率增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。絕緣紙干燥不良的套管電容芯體tanδ-f曲線變化趨勢與正常套管芯體相同，在100 Hz以上頻率略高于正常套管芯體，但在100 Hz以下頻率范圍，干燥不良的套管芯體介損因數(shù)明顯高于正常套管，這也說明干式套管芯體干燥不良或受潮主要表現(xiàn)為套管介質(zhì)損耗因數(shù)增加。

有內(nèi)部氣泡的套管芯體tanδ整體大于正常套管芯體，在10 Hz以下頻率tanδ值明顯增大，在0.002 Hz附近出現(xiàn)了峰值，與油紙絕緣中受絕緣幾何結(jié)構(gòu)影響的頻段和曲線形狀類似。

具有內(nèi)部微裂紋的套管芯體在頻率較高時(大于100 Hz)的介損因數(shù)明顯高于其他套管試品，頻率越高tanδ值越大。在10 Hz以下頻率范圍，內(nèi)部微裂紋套管tanδ-f曲線與具有內(nèi)部氣泡的套管基本重合，同樣在0.002 Hz附近出現(xiàn)峰值。對比兩種缺陷套管芯體截面圖可知，兩種缺陷在芯體內(nèi)部均體現(xiàn)為內(nèi)部氣隙，在幾何形態(tài)上具有一定的相似性，因此其在中低頻段的tanδ-f曲線變化規(guī)律也相似。但對于內(nèi)部微裂紋套管芯體，因裂紋形成的氣隙尺寸小于氣泡，起始局部放電電壓低，更容易發(fā)生局部放電，其在高頻下的局部放電導(dǎo)致?lián)p耗增加。這也可從兩種缺陷套管末屏泄漏電流波形上得以體現(xiàn)。對這兩種缺陷套管施加40 kV工頻電壓，測量套管末屏電流如圖9所示?？梢?，具有微裂紋的套管芯體末屏電流峰值附近存在明顯高頻局部放電，而具有氣泡的套管芯體末屏電流波形上并無明顯的高頻信號疊加。

圖9 40 kV電壓下不同缺陷套管芯體末屏電流波形

對比環(huán)氧膠浸紙?zhí)坠芘c油紙絕緣設(shè)備tanδ-f曲線可知，兩種絕緣材料具有一定的相似性。材料含水量增加，介損值增大；氣泡和裂紋改變了絕緣幾何結(jié)構(gòu)，其在tanδ-f曲線上的響應(yīng)頻段與油紙絕緣一致。

不同試品電容量與頻率的關(guān)系曲線如圖9所示。可見，在0.1～100 Hz范圍內(nèi)所有試品電容量隨頻率變化緩慢。低于0.1 Hz時，隨著頻率降低，有缺陷的套管芯體電容量上升，內(nèi)部微裂紋和氣泡套管芯體上升幅度較大，其次為絕緣紙干燥不良芯體。正常芯體和正常套管樣品的C-f曲線在小于0.01 Hz頻段出現(xiàn)分離，套管芯體電容量稍高于套管樣機(jī)，可能的原因?yàn)檎Ｌ坠軜悠肪哂型饨^緣護(hù)套，防潮效果好于套管芯體。在大于100 Hz頻段，隨著頻率增加，試品電容量有所下降，內(nèi)部微裂紋套管芯體下降最為明顯。

圖10 不同套管試品電容量隨頻率的變化曲線

不同試品的極化電流如圖11所示。

圖11 不同套管試品極化電流曲線

由極化電流曲線可知，正常的干式穿墻套管樣機(jī)極化電流下降速率最快，很快下降至穩(wěn)定值約100 pA，正常干式套管電容芯體由于其外部無復(fù)合外絕緣和SF6氣體，其極化電流下降速率較套管樣機(jī)慢，且極化電流穩(wěn)定值低于套管樣機(jī)。干燥不良的套管電容芯體極化電流變化趨勢與正常套管芯體一致，但其極化電流穩(wěn)定值高于正常套管芯體，兩條曲線基本平行。具有內(nèi)部微裂紋的套管芯體與具有氣泡的套管芯體極化電流變化趨勢類同，下降速率均小于正常套管芯體，氣泡套管芯體極化電流穩(wěn)定值最小，其次為具有微裂紋的套管芯體。

去極化電流與極化電流極性相反，取去極化電流的絕對值進(jìn)行分析，如圖12所示。正常干式穿墻套管樣機(jī)去極化電流下降速率最快，穩(wěn)定值小于正套管芯體。與極化電流一樣，內(nèi)部受潮的套管芯體去極化電流大于正常套管芯體，兩條曲線基本平行。內(nèi)部氣泡和內(nèi)部微裂紋均為局部缺陷，其表現(xiàn)在去極化電流上也具有類似的規(guī)律，去極化電流下降速率較慢，穩(wěn)定的去極化電流低于正常套管芯體，但內(nèi)部微裂紋套管芯體的去極化電流小于具有內(nèi)部氣泡的套管芯體。

圖12 不同套管試品去極化電流曲線

4 結(jié)論

本文通過對比測量的方式研究了環(huán)氧膠浸紙?zhí)坠茉趦?nèi)部微裂紋、內(nèi)部氣泡及未完全干燥等典型缺陷下的絕緣性能參數(shù)及頻域介電譜變化規(guī)律，得出主要結(jié)論如下。

正常套管的介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ低于缺陷套管，絕緣電阻大于缺陷套管。內(nèi)部裂紋的套管芯體tanδ增加最為明顯，其次是內(nèi)部存在氣泡電容芯體；絕緣紙干燥不良主要體現(xiàn)為套管絕緣電阻較小，低頻段tanδ較大。

內(nèi)部微裂紋是環(huán)氧膠浸紙?zhí)坠艿湫偷木植咳毕?，其缺陷在介質(zhì)損耗因數(shù)、末屏泄漏電流波形、頻域介電譜曲線、極化去極化電流等參數(shù)上均有較為明顯的特征。

內(nèi)部存在氣泡的套管芯體與微裂紋套管芯體FDS曲線在10 Hz以下頻率范圍基本相同，頻率高于10 Hz 時，內(nèi)部微裂紋套管tanδ值增大明顯，電容量減小明顯。內(nèi)部氣泡套管芯體極化電流穩(wěn)定值小于微裂紋套管芯體。通過比較頻域介電譜曲線、極化電流和去極化電流，可以對這兩種套管缺陷進(jìn)行判別。