典型缺陷條件下環氧膠浸紙套管絕緣特性分析

謝志成，許佐明，劉泰蔚，張晉寅，鄧軍

(1.中國南方電網超高壓輸電公司檢修試驗中心，廣州510640；2.電網環境保護國家重點實驗室(中國電力科學研究院)，武漢430074)

0 引言

套管是電力設備的關鍵部件，其主要作用是將高電位導體與接地屏障(設備外殼或墻體)絕緣，并將高電壓和電流引入或引出。環氧樹脂膠浸紙套管主絕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氧樹脂膠進行浸漬并固化成形，其外絕緣一般采用空心復合絕緣子。環氧膠浸紙套管具有電氣性能穩定、體積小、重量輕等特點[1-3]，但其制造工藝復雜、難度大，尤其對于大尺寸套管，工藝控制不當將會產生缺陷。工藝缺陷通常表現為芯體內部裂紋或氣泡，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，運行過程中，在電應力、熱應力、機械應力等多種應力作用下缺陷將會不斷擴大，最終導致絕緣性能降低或擊穿，影響電網安全穩定運行[4-6]。因此，研究更有效的測試方法，及時發現缺陷并采取措施是非常必要的。基于頻域介電譜(frequency-domain dielectric spectroscopy, FDS)測量和時域極化去極化電流(polarization and depolarization current, PDC)測量的頻率響應特性是一種離線、無損、易于實現的絕緣診斷方法。這些方法已廣泛應用于變壓器、電機、電纜和其他電氣設備的絕緣狀況評估[7-10]。然而，當前的研究對象主要集中在油紙絕緣材料和產品上，對于環氧樹脂浸漬紙絕緣材料及相關產品頻率響應特性測試研究較少[11]，缺乏相關的實驗數據和現場應用經驗。

本文分析了套管典型缺陷產生的原因，根據實際生產工藝制作了套管樣品，在樣品中設置典型缺陷。測試并比較了不同缺陷套管的絕緣電阻、介質損耗因數、電容、頻域介電譜和極化去極化電流等絕緣特征參量，可為環氧膠浸紙套管的出廠檢驗和故障診斷提供參考。

1 套管缺陷模擬方法

環氧膠浸紙絕緣套管生產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，主要的生產流程如圖1所示。

圖1 膠浸紙套管工藝流程圖

為了研究套管典型缺陷條件下的絕緣特征參數，采用相同的設計制造了±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、內部微裂紋和內部氣泡缺陷，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進行生產并檢驗合格，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導致其固化放熱，從而產生熱應力導致內部裂紋。

由于模擬缺陷處于套管芯體內部，除電氣試驗檢測外，難以進行定量評估。因此，對不同缺陷套管芯體進行解體檢查，通過芯體橫截面狀態來觀測套管缺陷表現形式。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，芯體內部皺紋紙和環氧樹脂結合緊密，截面紋理清晰，無雜質或孔洞現象。

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

圖4 有微裂紋的芯體截面

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

圖5 套管芯體內部氣泡

2 典型缺陷套管絕緣性能參數分析

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，測試結果如表2所示。從測量結果來看，總體上正常套管芯體及樣機絕緣電阻大于具有缺陷的套管芯體，內部干燥不良的電容芯體絕緣電阻最小，其次為具有內部氣泡的電容芯體。正常套管tanδ值較缺陷套管低，具有內部裂紋的套管芯體tanδ值最大且測量分散性較大，其次為具有內部氣泡的電容芯體。值得注意的是，僅依據吸收比并不能判斷套管的絕緣受潮狀態，以絕緣紙干燥不良的電容芯體為例，其吸收比達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 不同試品常規絕緣性能參數

3 典型缺陷套管介電響應特性分析

在單一的工頻下測量介質的絕緣特性參數，并不能獲得全面的絕緣狀態信息。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，已經成為診斷高壓設備絕緣狀態的有效工具。

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損耗因數tanδ和電容C，繪制頻域關系曲線，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之間關系，就可以對高壓套管絕緣狀態進行評估，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。根據歐姆定律有：

(1)

式中Z為試品的阻抗。

在電介質絕緣評估領域中，絕緣阻抗由復合電容表示，其定義為：

(2)

式中：ω= 2πf；f為正弦激勵頻率。

C=C′-jC″

(3)

(4)

(5)

介質損耗因數tanδ也可由Z表示。

(6)

通過上述關系可以計算出各個頻率下絕緣介質的響應，并通過頻域介質響應曲線來判斷絕緣介質的絕緣狀態。

當前，頻域介電譜方法在油紙絕緣設備絕緣診斷方面的應用相對成熟。通過模型試驗、現場測量以及國內外的相關研究結論，得到頻域介電譜曲線與油紙絕緣設備絕緣狀態的關系如圖7所示[12]。

圖7 頻域介電譜曲線與油紙絕緣設備絕緣狀態的關系

可見，介質響應曲線受絕緣紙含水量、油電導率、絕緣幾何結構和溫度的影響。當紙絕緣含水量增加、老化加重時，高頻段和低頻段的曲線向上移動(介損值增加)。當油電導率增大或溫度增加時，反映油電導率的頻段內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的弛豫極化電流，包括極性偶極分子轉向。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來測量材料的介電參數，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系，從而在時域下研究介電弛豫過程[13]。

采用某公司生產的DIRANA設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

由測試結果可知，正常套管芯體與套管樣機介質損耗因數隨頻率的變化曲線基本相近，tanδ隨著頻率增加呈現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為套管介質損耗因數增加。

有內部氣泡的套管芯體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附近出現了峰值，與油紙絕緣中受絕緣幾何結構影響的頻段和曲線形狀類似。

具有內部微裂紋的套管芯體在頻率較高時(大于100 Hz)的介損因數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，內部微裂紋套管tanδ-f曲線與具有內部氣泡的套管基本重合，同樣在0.002 Hz附近出現峰值。對比兩種缺陷套管芯體截面圖可知，兩種缺陷在芯體內部均體現為內部氣隙，在幾何形態上具有一定的相似性，因此其在中低頻段的tanδ-f曲線變化規律也相似。但對于內部微裂紋套管芯體，因裂紋形成的氣隙尺寸小于氣泡，起始局部放電電壓低，更容易發生局部放電，其在高頻下的局部放電導致損耗增加。這也可從兩種缺陷套管末屏泄漏電流波形上得以體現。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。可見，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

對比環氧膠浸紙套管與油紙絕緣設備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構，其在tanδ-f曲線上的響應頻段與油紙絕緣一致。

不同試品電容量與頻率的關系曲線如圖9所示。可見，在0.1～100 Hz范圍內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頻段出現分離，套管芯體電容量稍高于套管樣機，可能的原因為正常套管樣品具有外絕緣護套，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極化電流下降速率最快，很快下降至穩定值約100 pA，正常干式套管電容芯體由于其外部無復合外絕緣和SF6氣體，其極化電流下降速率較套管樣機慢，且極化電流穩定值低于套管樣機。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，但其極化電流穩定值高于正常套管芯體，兩條曲線基本平行。具有內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行分析，如圖12所示。正常干式穿墻套管樣機去極化電流下降速率最快，穩定值小于正套管芯體。與極化電流一樣，內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。內部氣泡和內部微裂紋均為局部缺陷，其表現在去極化電流上也具有類似的規律，去極化電流下降速率較慢，穩定的去極化電流低于正常套管芯體，但內部微裂紋套管芯體的去極化電流小于具有內部氣泡的套管芯體。

圖12 不同套管試品去極化電流曲線

4 結論

本文通過對比測量的方式研究了環氧膠浸紙套管在內部微裂紋、內部氣泡及未完全干燥等典型缺陷下的絕緣性能參數及頻域介電譜變化規律，得出主要結論如下。

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

內部微裂紋是環氧膠浸紙套管典型的局部缺陷，其缺陷在介質損耗因數、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上均有較為明顯的特征。

內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，內部微裂紋套管tanδ值增大明顯，電容量減小明顯。內部氣泡套管芯體極化電流穩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行判別。