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1、电工环氧绝缘件缺陷无损检测方法研究进展简要：摘要 超/特高压输变电技术迅速开展对电力设备绝缘性能提出了更高的要求。环氧绝缘件是电力设备绝缘系统的重要组成局部，但在生产、运行过程中都会产生不同程度的缺陷，在多场耦合作用摘要 超/特高压输变电技术迅速开展对电力设备绝缘性能提出了更高的要求。环氧绝缘件是电力设备绝缘系统的重要组成局部，但在生产、运行过程中都会产生不同程度的缺陷，在多场耦合作用下极易引发沿面闪络或击穿故障，威胁电力设备乃至电力系统的平安稳定运行，研究环氧绝缘件中缺陷的无损检测及评价方法具有重要意义。该文研究了环氧绝缘件在生产、运行过程中容易出现的缺陷类型，分析了不同缺陷对绝缘性能造成的
2、影响。介绍了基于电学特性的缺陷检测方法、高频检测方法和超声波检测方法的根本原理，并评估了不同方法对环氧绝缘件缺陷的检测效果。从检测精度以及优缺点等角度对相关检测方法进行了综合评价，并对未来环氧绝缘件缺陷检测的研究和开展方向进行了展望。李进; 赵仁勇; 杜伯学; 郝留成; 边凯， 电工技术学报 发表时间：2022-11-10关键词：高压电力设备 环氧绝缘件 绝缘缺陷 无损检测0 引言近年来，超高压、远距离、大容量输电技术迅速开展，对电力设备的绝缘性能提出了更高的要求，而设备小型化、紧凑化的开展趋势使绝缘性能的重要性愈加突出1-2。环氧树脂易于成型、化学性能稳定、耐热性能好、机械韧性和电气绝缘性能
3、优异，因此被广泛应用于高压电工装备绝缘3-4。环氧树脂绝缘件主要包括浇注类和浸渍类，前者主要应用于电机、电器、高压开关以及干式变压器等5-6，比方环氧浇注盆式绝缘子在气体绝缘开关设备(Gas Insulated Switchgear, GIS)中起着支撑载流导体母线、电气绝缘及隔离气室的作用7;后者那么主要应用于电机线圈、绝缘拉杆和干式套管等8，例如绝缘拉杆主体采用纤维增强环氧树脂复合材料制成，用于将运动从接地局部传送到高电位局部，以实现电气连接的通断9。环氧绝缘件中一旦出现绝缘缺陷，运行过程中会导致局部电场畸变，甚至到达平均电场强度的数倍以上10。电场畸变引起的局部放电容易使环氧绝缘件老化，
4、绝缘性能下降，最终使高压电力设备绝缘系统发生沿面闪络、内部击穿等故障，并严重威胁电力系统的平安稳定运行11-12。已有研究说明， GIS 环氧绝缘件中裂纹、分层、气泡三种不同缺陷下局部放电产生的脉冲波形、击穿电压等放电特征以及击穿风险均存在差异，其中裂纹缺陷产生的局部放电脉冲波形的上升沿最小，其击穿电压也最小，在长期运行工况下击穿风险最高13-16。对 GIS 绝缘内部不同形状气隙缺陷处电场分布的有限元仿真分析发现，气隙缺陷大小对电场强度畸变影响较小，而缺陷形状以及所在位置为场强畸变的重要影响因素;采用特高频法对实际 GIS 缺陷模型产生的局部放电进行检测，发现裂缝缺陷下的放电比气泡缺陷下的放
5、电更为剧烈，并且裂缝宽度越小放电越剧烈 17。对芳纶纤维增强型绝缘拉杆实体三维模型进行电场仿真分析说明，复合材料界面结合不佳引起的层间别离缺陷是运行中绝缘拉杆放电的主要原因 18。上述研究均说明环氧绝缘件中存在的各类缺陷都会严重影响其绝缘性能，是导致高压电力设备故障的重要原因。对环氧绝缘件中的缺陷进行有效、准确的检测有助于提高其使用寿命并降低高压电力设备运行维护本钱。本文根据国内外研究成果，介绍了环氧绝缘件中缺陷产生的机理以及相关的无损检测方法，分析了生产过程、运行过程中容易出现的缺陷类型以及对绝缘性能造成的影响，并对基于电学特性检测方法、高频检测方法和超声波检测方法进行了比照、总结和展望。1
6、 环氧绝缘件中缺陷产生机理1.1 生产过程中的缺陷环氧绝缘件在生产过程中一般要经过混料、脱气、浇注或浸渍、固化、脱模等过程，每一个环节处理不当都可能导致绝缘件中出现缺陷19。纤维增强环氧树脂复合材料在浸渍时，环氧树脂浸润纤维过程中树脂细观流动和微观流动状态的差异是缺陷裹入的主要原因20。盆式绝缘子固化过程由于填充用氧化铝密度约为 3.5g/cm3，而环氧树脂密度只有 1.2g/cm3 且粘度很低，在固化过程中会发生明显的沉降效应，GIS 绝缘子的密度分布差异如图 1 所示，固化收缩作用使绝缘子边缘和绝缘子与导体界面处形成应力集中，运行过程中热膨胀与机械负载容易引发界面缺陷，进而引发局部放电21
7、。此外，环氧绝缘件一般由金属嵌件及环氧绝缘体构成，装模时嵌件外表沾有脱模剂将会影响嵌件和绝缘体的粘接强度，导致其间产生气隙;脱模时如果保温措施不当，金属嵌件和绝缘体降温速度差异很大，二者之间也容易产生间隙22。绝缘件生产过程中出现的缺陷还未对高压电力设备造成严重影响，认为应改良出厂检测标准，提高缺陷检出精度，防止缺陷产品进入实际工程应用。1.2 运行过程中的缺陷在运行过程中，环氧绝缘件会承受电、热、机械等多场耦合作用，容易产生气孔、裂纹缺陷或者界面处微小的气隙缺陷，如图 2 所示23-25。盆式绝缘子在安装后会出现导体不对中的问题，由此产生的额外应力会使其形成微裂纹缺陷，并在带电运行过程中进一
8、步扩大，最终导致沿绝缘子裂纹形成导体对壳体的放电通道26。文献27对复合绝缘子击穿故障进行了研究分析，发现绝缘子运行过程中芯棒-护套界面脱粘，形成气隙，进而导致芯棒发生贯穿性放电。由此可见，环氧绝缘件在运行过程中产生的微小缺陷会不断开展，使绝缘件的绝缘性能逐渐下降，甚至导致绝缘击穿、断裂，严重危及电网的平安。因此，对于运行中的高压电力设备，需要建立有效的在线监测系统，实现缺陷的快速检出。2 环氧绝缘件缺陷无损检测方法2.1 基于电学特性缺陷检测方法2.1.1 脉冲电流法检测环氧绝缘件中存在缺陷时，在高电压作用下会导致内部电场发生畸变，从而引发局部放电，会在极短的时间内中和一定数量的正负电荷，表
9、现出来就是一个陡峭的电流脉冲。通过测量和分析该电流脉冲来判断环氧绝缘件中是否存在缺陷的方法称为脉冲电流法28。图 3 为脉冲电流法原理图，将环氧绝缘件等效为一个集总参数对地电容元件，局部放电会在电容上产生一个瞬时的脉冲电流变化，可利用电容耦合作用在检测阻抗中产生一个脉冲电流，通过测量该脉冲电流可获得局部放电信息29。目前相关研究人员在利用脉冲电流法检测局部放电方面展开了大量的研究。以环氧板内部气隙缺陷为研究对象，气隙直径增加将导致局放起始电压降低，最大放电量增加，放电重复率提高，将对绝缘更加不利，能够检测到直径 1mm 气隙缺陷30。盆式绝缘子工频电压下局部放电测试试验发现，在靠近中心导体高电
10、场区域的气隙缺陷局放更剧烈，能检测出不同位置直径 3mm 气隙缺陷31。此外，利用时差定位统计和多源放电别离方法能够检测并定位盆式绝缘子内部存在的多气泡缺陷32。2.1.2 感应电荷层析成像法感应电荷层析成像(Induced Charge Tomography, ICT)是 Liang Hucheng 提出的一种新型缺陷检测方法，其原理是根据气体绝缘设备导杆外表和管壁上的感应电荷分布重构 GIL/GIS 内部的介电常数和电场强度空间分布，能够识别绝缘子内的气隙缺陷33。图 4 给出了绝缘子/导体界面处和绝缘子/管壁界面处分别设置两条裂纹情况，基于 ICT 方法重构的感应电荷以及介电常数分布如图
11、 5 所示，在绝缘子与导体和管壁接触的位置(C1-P1、C2-P2 和 C3-P3)可以观察到感应电荷峰，并且裂纹的存在会干扰感应电荷的分布，导致峰值处(C2 和 P1)出现一个低谷;重构后的介电常数分布图像不仅能够识别绝缘子的轮廓，而且能够分辨出绝缘子内部的缺陷。该技术可用于电气设备的在线监测与诊断，并且能够实现缺陷可视化检测，具有很高的应用前景。2.2 高频检测法2.2.1 X 射线检测法X 射线在穿过待检环氧绝缘件时会与其发生相互作用，射线强度因绝缘件的吸收和散射而减弱34。当强度均匀的 X 射线照射绝缘件时，如果局部区域存在缺陷或结构存在差异，将改变绝缘件对射线的衰减，使得不同部位透射
12、射线强度不同，可以实现缺陷的分辨和检出35。X 射线成像检测方法能够检测出盆式绝缘子内部较大的裂纹空隙，但检测方位会影响缺陷成像效果，需要从多个角度进行拍摄36。环氧绝缘件厚度对 X 射线成像检测的效果也会产生影响，对于厚度 30mm 的盆式绝缘子试样，能够检测出直径 1mm 的气孔缺陷和宽 0.3mm、深 0.5mm 的裂纹缺陷;对于厚度 60mm 试样，能够检测出直径 2mm 的气孔缺陷和宽 0.3mm、深 0.7mm 的裂纹缺陷;对于厚度 90mm 试样，无法获得气孔和裂纹的有效图像37。2.2.2 微波检测法微波在透过环氧绝缘件时会发生反射、透射和散射，并会受到绝缘件电磁特性和几何特性
13、的影响，微波检测法就是通过研究微波与绝缘件之间的相互作用，对接收到的微波信号进行分析来判断绝缘件中是否存在缺陷38。文献39研制了由微波检测系统与自动化系统组成无损检测试验平台对 110kV 复合绝缘子进行检测，在芯棒和硅橡胶界面预制了气隙缺陷并对结果进行了归一化处理，如图 6 所示，可以检测出长 1cm 直径 1mm 的气隙缺陷。此外，使用微波反射法对复合绝缘子内部缺陷进行检测，根据读数偏移量相对值来判断缺陷，最小可以检测到 0.3mm 深、4mm 宽的气隙缺陷40。2.3 超声波检测法2.3.1 超声脉冲反射法当超声波从一种介质垂直进入声阻抗不同的另一种介质时，在两种介质外表会发生反射和透
14、射，并且入射波、反射波和透射波在同一条直线上，波形也不会变化41。图 7 为超声波在环氧复合绝缘试样中的传播模型。假设是在传播过程中没有遇到缺陷，超声波会在绝缘件底部-空气界面发生负全反射，反射波会沿着原路径回到超声探头;假设超声波在传播过程中遇到气泡、裂缝等小缺陷，会在绝缘件-缺陷界面发生负全反射，而遇不到缺陷的局部超声波那么会传播到绝缘件底部-空气界面反射，此时超声探头会接收到缺陷反射波和底面反射波42。超声脉冲反射法检测可以探明各类气泡、缝隙、分层、脱粘等缺陷。低频超声脉冲回波法能够检测 738mm 厚玻璃纤维增强层压复合材料，通过增益变化反映缺陷，可分辨出 10mm 分层及疲劳损伤下形
15、成的裂纹43。超声脉冲反射法检测不同运行年限的定子线棒环氧云母玻璃纤维层压绝缘，发现超声波传播时间随定子线棒使用时间的增加而增加，可用来评估定子线棒绝缘的老化程度44;对 252kV 盆式绝缘子环氧复合材料进行检测，发现对于同一大小缺陷，随着深度增加，缺陷反射波幅值减小，而同一深度的缺陷，随着缺陷直径减小，缺陷反射波幅值变小，能检测的最小缺陷为直径 2mm 气泡和 1mm 横向裂纹，检测深度可达 50mm，误差小于 1.40%45。此外，利用超声脉冲反射法可以测量环氧绝缘件中超声传播速度，根据声速和应力的关系，即声弹性效应，可以测量绝缘件中应力大小46;利用超声纵波法检测 GIS 盆式绝缘子环氧复合材料垂直压应力，结果说明，环氧复合材料平均声弹性系数为 4.55610-5MPa-1，测量相对误差在应力 10 15MPa 时较大，最大为 85.78%，在应力 4070MPa 时小于 19.87%47。2.3.2 相控阵超声法相控阵超声检测是通过控制换能器阵列中各个阵元的鼓励和延迟时间来改变阵元发射或者接收声波
