在役絕緣子失效特征與無(wú)損檢測(cè)

1、在役絕緣子失效特征與無(wú)損檢測(cè)丁杰 李曉紅 陳漢明（武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072）摘 要：在電網(wǎng)各個(gè)環(huán)境中運(yùn)行的不同種類(lèi)的絕緣子，長(zhǎng)期服役后都會(huì)不同程度地產(chǎn)生失效導(dǎo)致故障事故的發(fā)生，對(duì)電網(wǎng)可靠性帶來(lái)了極大地潛在威脅。研究絕緣子的失效特征對(duì)于指導(dǎo)絕緣子安全檢測(cè)具有十分重要的意義。本文基于在役絕緣子種類(lèi)繁多和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)分析絕緣子失效特征和損傷部位，提出了利用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)絕緣子損傷缺陷的方法。關(guān)鍵詞：絕緣子 失效特征 損傷部位 在役無(wú)損檢測(cè) 絕緣子作為電網(wǎng)中用量龐大的零部件，其質(zhì)量直接關(guān)系著電網(wǎng)的安全運(yùn)行。在役絕緣子由于長(zhǎng)期處于運(yùn)行高壓的作業(yè)下，又受露天環(huán)境的侵蝕，因而不

2、可避免地產(chǎn)生失效。國(guó)內(nèi)外電網(wǎng)中由于絕緣子失效而產(chǎn)生的絕緣子脆斷或擊穿事故時(shí)有發(fā)生，已經(jīng)造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失1，2，3 。本文針對(duì)在役絕緣子種類(lèi)繁多和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，分析了各類(lèi)絕緣子失效的特征及其部位，研究了相應(yīng)的無(wú)損檢測(cè)方法，在實(shí)踐中取得了良好的效果。1 絕緣子的種類(lèi)及其失效特征目前在役運(yùn)行的絕緣子，按材質(zhì)分為陶瓷絕緣子、合成絕緣子和玻璃絕緣子等三種；按照用途分為變電所絕緣子和線路絕緣子4。各類(lèi)在役絕緣子無(wú)損檢測(cè)的效果，不僅與檢測(cè)的方法有關(guān)，更與在役絕緣子失效的特征及部位關(guān)系密切。1.1 瓷絕緣子結(jié)構(gòu)和失效特征變電所中使用的支柱瓷絕緣子主要有豎直放立和橫擔(dān)放置等兩種掛網(wǎng)形式，由于放置高度適中，

3、故此類(lèi)絕緣子的無(wú)損檢測(cè)研究較多。圖1為支柱絕緣子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，瓷瓶上端通過(guò)鑄鐵法蘭與母線引下線電纜連接，下端通過(guò)鑄鐵法蘭與固定支架連接。1鑄鐵法蘭 2傘群 3易產(chǎn)生裂紋區(qū) 4膠裝水泥圖1 支柱瓷絕緣子結(jié)構(gòu)與失效部位示意圖支柱瓷絕緣子底部鑄鐵法蘭與鄰近傘群之間因坡度角不同而存在三種不同的形狀結(jié)構(gòu)（圖4）。在0°到20°之間變化，在0°的特殊情況下，該處結(jié)構(gòu)為圓柱型。據(jù)統(tǒng)計(jì)3，支柱瓷絕緣子斷裂事故中約95%以上的斷裂區(qū)域位于鑄鐵法蘭口內(nèi)3mm到臨近傘裙之間。因此，鑄鐵法蘭外露10mm至內(nèi)深20mm的區(qū)域是無(wú)損檢測(cè)的重點(diǎn)區(qū)域。1.2 合成絕緣子的結(jié)構(gòu)與失效特征合成絕緣子的基

4、本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，內(nèi)部芯棒由樹(shù)脂浸漬的幾萬(wàn)根玻璃纖維構(gòu)成，以保證芯棒有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度，但芯棒的耐大氣老化性能相對(duì)較弱；芯棒外部的護(hù)套和傘裙一般由硅橡膠材料制成。護(hù)套包覆的芯棒外表面，一方面提供良好的外絕緣性能，另一方面保護(hù)芯棒免受大氣侵蝕。1金具 2芯棒 3護(hù)套 4傘群圖2 合成絕緣子結(jié)構(gòu)示意圖合成絕緣子上網(wǎng)運(yùn)行后，芯棒脆斷是較大的危害5，6，7。護(hù)套與芯棒之間界面的密封性能下降，層間產(chǎn)生氣隙，進(jìn)一步侵蝕芯棒，導(dǎo)致芯棒脆斷。因此，合成絕緣子的傘裙與護(hù)套、護(hù)套與芯棒之間的密封性（氣隙）是檢測(cè)的重點(diǎn)。2 絕緣子的超聲檢測(cè)方法絕緣子的材料絕緣特性決定其不適合渦流和磁粉這兩種電磁檢測(cè)的方法。液體滲透法可

5、以檢測(cè)瓷瓶釉面上的表面裂紋8，但瓷絕緣子鑄鐵法蘭口處常存在不可去除的沙粒，故滲透法的檢測(cè)效果很差。由1.2中合成絕緣子的失效部位可知，滲透法亦不適合其檢測(cè)。用超聲波方法對(duì)在役絕緣子檢測(cè)，不僅成本低、效率高、對(duì)人體和環(huán)境無(wú)危害，更大的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)裂紋敏感，檢測(cè)靈敏度高。2.1 瓷絕緣子的超聲檢測(cè)由1.1討論可知，瓷瓶與鑄鐵法蘭的結(jié)合處是支柱絕緣子無(wú)損檢測(cè)的重點(diǎn)部位。但該部位的形狀差異大，利用超聲波進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，必須要考慮探頭的結(jié)構(gòu)與K值，超聲波檢測(cè)的波型對(duì)絕緣子結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性以及檢測(cè)的靈敏度的影響，否則裂紋的檢出率非常低。2.1.1 超聲波探頭的結(jié)構(gòu)鑄鐵法蘭和鄰近傘群之間的柱面（或臺(tái)面）是超聲檢測(cè)的探

6、測(cè)面。但絕緣子的柱面高度僅在3070mm之間不等，探頭在探測(cè)面上移動(dòng)的范圍特別窄，所以一般結(jié)構(gòu)的探頭不適合。 用于在役瓷絕緣子檢測(cè)的探頭，其前沿和后沿的尺寸應(yīng)盡可能短，最好控制在5mm以下；探頭電纜線應(yīng)采用頂部引出形式，以保證探頭有足夠的移動(dòng)空間。檢測(cè)曲率大的瓷瓶，還需考慮將探頭磨成與瓷瓶相同的曲率，以減小曲面的耦合損失。2.1.2 超聲波斜探頭的K值探頭發(fā)射的超聲波應(yīng)全面掃查危險(xiǎn)區(qū)域，并盡量使聲束與裂紋垂直入射，以提高裂紋檢出率。利用斜探頭探傷，探頭K值的選擇至關(guān)重要。若K值合適，盡管探頭移動(dòng)的距離有限，超聲波聲束仍可掃查到整個(gè)檢測(cè)范圍。通過(guò)研究，斜探頭K值的選擇應(yīng)按照以下原則：當(dāng)探頭貼近鄰

7、近傘群時(shí)，至少要掃查到鑄鐵法蘭以上高10mm的水平面；而探頭靠近鑄鐵法蘭時(shí)，須能掃查到鑄鐵法蘭下深20mm的水平面。經(jīng)計(jì)算可得，當(dāng)掃查圓柱型絕緣子時(shí)，探頭的K值取值范圍：(20+a) / D k (H-10+b) / D （1）式中：D傘群處的瓷瓶直徑(單位：mm，下同) H鑄鐵法蘭和鄰近傘群間的高度a探頭的前沿長(zhǎng)度 b探頭的后沿長(zhǎng)度當(dāng)ab5mm時(shí)，（1）即為：25 / D k (H-5) / D （2）瓷絕緣子中的D一般為100140mm不等，H在3070mm之間變化。折射角在914°之間的縱波斜探頭通用性好，能檢測(cè)不同尺寸的圓柱型絕緣子。當(dāng)絕緣子存在坡度時(shí)，探頭的折射角隨坡度發(fā)生

8、變化。如圖4所示，在不同坡度絕緣子的探測(cè)面上發(fā)射同一聲束，探頭折射角與坡度角存在關(guān)系：212；313 （3）顯然，對(duì)于存在坡度的絕緣子，選擇探頭K值時(shí)，只需計(jì)算檢測(cè)同尺寸的圓柱型絕緣子所用探頭的折射角，再至多扣除坡度角度即可。當(dāng)坡度較大時(shí)，還需要考慮反置探頭，以保證掃查鑄鐵法蘭以上的危險(xiǎn)區(qū)域。1圓柱型絕緣子 2絕緣子 3大坡度絕緣子4掃查區(qū)域 5鑄鐵法蘭 6探頭的入射點(diǎn)1,2坡度角 1,2,3折射角圖4 絕緣子探測(cè)面的形狀與超聲波聲束折射角的變化另外，K0.8K1.0的橫波斜探頭可以探測(cè)到瓷瓶的鑄鐵法蘭以下的危險(xiǎn)區(qū)域，且對(duì)端角型缺陷十分敏感。2.1.3 超聲波波型根據(jù)超聲檢測(cè)理論9，超聲波探傷

9、能發(fā)現(xiàn)的最小缺陷尺寸為檢測(cè)波波長(zhǎng)的二分之一。由于橫波波長(zhǎng)比縱波短，因此橫波的探傷靈敏度大于縱波，更容易檢測(cè)微小裂紋。若在役瓷絕緣子結(jié)構(gòu)同時(shí)適合橫波和縱波掃查時(shí)，應(yīng)優(yōu)選橫波探頭，以提高微小裂紋檢出率。爬波是縱波從第一介質(zhì)以第一臨界角附近的角度入射到第二介質(zhì)時(shí)，在第二介質(zhì)中產(chǎn)生的一種表面下縱波10。利用爬波可以檢查支柱瓷絕緣子近表面的缺陷11，12，圖3為檢測(cè)示意圖。1鑄鐵法蘭 2膠裝水泥 3裂紋 4瓷瓶 5爬波探頭圖3 爬波探測(cè)支柱絕緣子爬波沿探測(cè)面的近表面?zhèn)鞑?，由于傳播距離短，波的衰減小，微小裂紋的檢出率高。對(duì)于沒(méi)有坡度的圓柱型絕緣子，利用爬波進(jìn)行檢測(cè)，可以得到很高的靈敏度。2.2 合成絕緣子

10、的超聲檢測(cè)由1.2討論可知，合成絕緣子的傘裙與護(hù)套、護(hù)套與芯棒之間的氣隙，是引起合成絕緣子發(fā)生芯棒脆斷的主要原因。超聲檢測(cè)可以檢測(cè)界面的微小氣隙13，以及評(píng)估芯棒的機(jī)械強(qiáng)度下降14。當(dāng)護(hù)套與芯棒界面處有氣隙時(shí)，空氣的聲阻抗與硅橡膠的聲阻抗相差非常大，超聲波在硅橡膠/空氣界面處的聲壓反射率接近100%。實(shí)驗(yàn)表明，0.5mm圓孔氣隙回波與截面無(wú)氣隙時(shí)回波相差8dB，該法能夠檢測(cè)出界面中的微小氣隙缺陷。建立芯棒機(jī)械強(qiáng)度下降量與聲速降低之間的變化關(guān)系后，也可通過(guò)測(cè)試芯棒的聲速來(lái)評(píng)定芯棒機(jī)械強(qiáng)度下降的程度，防范芯棒脆斷所造成的電網(wǎng)事故。3 絕緣子的紅外檢測(cè)方法紅外無(wú)損檢測(cè)能夠遠(yuǎn)距離、大面積和快速掃描的特

11、點(diǎn)，是目前應(yīng)用于絕緣子檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)之一。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，有故障的絕緣子與正常絕緣子的表面熱場(chǎng)分布不同，利用被動(dòng)紅外檢測(cè)方法即可判斷絕緣子是否出現(xiàn)故障。瓷絕緣子串和絕緣支柱的紅外檢測(cè)，我國(guó)電力行業(yè)已頒布DL/T664-1999帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則。盡管合成絕緣子的掛網(wǎng)時(shí)間不長(zhǎng)，但紅外檢測(cè)對(duì)界面氣隙引起局部放電的溫度場(chǎng)進(jìn)行了大量研究，結(jié)果表明15：界面氣隙局部放電引起該部位溫度升高，紅外檢測(cè)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)此類(lèi)缺陷。目前紅外檢測(cè)的研究，還不能使該技術(shù)成為一種獨(dú)立的無(wú)損檢測(cè)方法應(yīng)用于絕緣子的檢測(cè)，主要在于：檢測(cè)結(jié)果受到如絕緣子表面發(fā)射率、絕緣子負(fù)荷等級(jí)、檢測(cè)距離、大氣吸收、天氣和紅外檢測(cè)儀器等多因素

12、的綜合影響，難以確認(rèn)結(jié)果的準(zhǔn)確性；絕緣子受損程度與其表面發(fā)熱量的量化關(guān)系待建立。4 結(jié)論無(wú)損檢測(cè)可以有效地對(duì)不同種類(lèi)的在役絕緣子缺陷進(jìn)行檢測(cè)。1在保證裂紋的探傷靈敏度與結(jié)構(gòu)的可探性下，設(shè)計(jì)合適的探頭結(jié)構(gòu)，選擇適中的斜探頭K值，可達(dá)到了在役絕緣子的檢測(cè)要求。2超聲法可以靈敏地檢測(cè)出合成絕緣子護(hù)套與芯棒之間的氣隙缺陷，以及評(píng)估芯棒的機(jī)械強(qiáng)度。3紅外無(wú)損檢測(cè)方法能遠(yuǎn)距離對(duì)各種類(lèi)異常發(fā)熱的在線絕緣子進(jìn)行檢測(cè)，是定期巡查絕緣子的理想方法。參考文獻(xiàn)：1 崔江流、宿志一、易輝.我國(guó)硅橡膠合成絕緣子的應(yīng)用與展望【J】.中國(guó)電力，1999，32（1）3841。2 楊守東. 戶外高壓瓷瓶斷裂的綜合分析及防護(hù)措施.

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15、estructive Testing of Insulators In ServiceDING Jie LI Xiao-hong CHEN Han-ming（Power and Mechanical College, Wuhan University）Abstract： In different electrical network environments, insulators will arise damages and lead to failure accidents. It hugely threatens the power-up dependability. It is necessary to analyze the failure characters and damage position to guide insulators testing in security. Based on damage character, this paper gives a number