粟福珩1賈逸梅1王青霞1金 珩2張 宇2周建國2
1. 華北電力大學, 北京 1022062. 華東電力試驗研究院上海 200437
VERIFICATION ON EFFECTIVENESS OF STEEP-FRONT WAVE IMPULSE VOLTAGE
TEST TO FIND INTERNAL DEFECTS INSIDE COMPOSITE INSULATORS
SU Fu-heng1, JIA Yi-mei1, WANG Qing-xia1, JIN Heng2, ZHANG Yu2, ZHOU Jian-guo2
1. North China Electric Power University, Beijing 102206, China;
2. East China Power Test and Research Institute, Shanghai 200437, China
ABSTRACT: In order to verify the effectiveness of steep-front
impulse voltage test in finding the internal defects in composite
insulators, some defects at different places inside the composite
insulators are simulated. They are conductive channel, semi-
conductive channel, airy channel, little air bubble, long air
bubble and non-adhesion between the core and the hosing. The
steep-front wave impulse voltages with different steepness are
applied to defective and normal composite insulators
respectively. The electric field distribution in the insulators are
calculated with finite element analysis software to define
whether the insulators will be broken down during the test and
the calculation results are coincident with testing results. The
research results show that the steep-front wave impulse test is
effective for verifying the serious faults existing in the internal
insulation of composite insulators. However, it is not easy to
find the tiny defects by this method.
KEY WORDS: steep-front impulse voltage test; composite
insulators; defects
摘要為了檢驗陡波試驗對于發現合成絕緣子內部故障的
有效性分別模擬絕緣子內部不同部位有導電性半導電
性通道小氣泡長氣泡和芯棒與護套間不粘連故障的絕緣
子并分別在故障絕緣子和正常絕緣子上施加不同陡度的
陡電壓波同時用有限元分析軟件計算絕緣子的電場分布
以確定絕緣子在陡波試驗中是否會擊穿計算結果與實驗
結果相一致研究結果表明陡波試驗在檢驗合成絕緣子內
絕緣嚴重故障方面很有效,但對一些小的故障不易檢出
關鍵詞陡波試驗合成絕緣子缺陷
1 引言
目前我國的輸電系統中有60多萬支高壓合成
絕緣子運行其中包括許多采用膠合及灌膠工藝
生產的早期產品這些絕緣子在長期運行后可
能形成如端頭處密封破壞護套與芯棒界面出現
縫隙等缺陷并陸續導致內絕緣擊穿事故對電
網的安全運行造成威脅為此一些電力局采取
了對運行中的絕緣子定期進行抽檢的預防性措
施其中一項重要的檢驗項目就是陡波沖擊試驗
合成絕緣子的陡波沖擊試驗是按照IEC1109-
1992 標準的規定對絕緣子分段施加陡度不小于
1000 kV/ s的沖擊電壓每段長度不大于500 mm
試驗是利用外絕緣在陡波下具有很高干閃電壓的
特性使被試絕緣子的內絕緣也同時承受到較高
的電壓使缺陷處放電從而被發現
為了評價陡波沖擊試驗發現合成絕緣子內絕
緣故障的有效性制作了一批模擬內絕緣故障的
絕緣子試件并對這些故障絕緣子以及正常的絕
緣子在施加陡波沖擊試驗電壓下的電場強度分布
進行精確計算將故障處的場強值與材料的擊穿
場強進行對比以確定是否會在試驗中發生擊穿
現象估計的結果與試驗結果十分接近此項研
究使我們對陡波試驗的內涵有了更深入的了解
研究結果對修改現行標準也有重要的參考價值
2 故障模型及試驗結果
合成絕緣子中最危險的內絕緣故障是沿軸向
在芯棒與護套界面或芯棒中發展的電致碳痕通道
或受潮縫隙用金屬絲和高電阻率材料埋設于絕
萬方數據
42Power System Technology Vol. 27 No.1
緣子的芯棒與護套界面處可分別模擬內部導電
通道和半導體通道故障讓護套與芯棒間不粘合
以形成內部長氣隙通道故障此外還制作了模
擬合成絕緣子的護套和傘裙中存在氣泡及導電性
雜質顆粒故障的試件圖1為端部有導電性通道
故障絕緣子模型示意圖表1為各試件模型及試
驗結果
金屬絲
圖1 端部有導電性通道故障的絕緣子模型示意圖
Fig.1 The model of the composite insulator
with conductive channel fault at the end
表1 合成絕緣子試件及陡波沖擊試驗結果(500mm長試段陡度1000kV/ s干閃電壓650kV時)
Tab. 1 The composite insulator models and the result of steep-front impulse voltage test
序號模擬故障類型缺陷處最大場強計算值陡波沖擊試驗結果
1端部導電性通道故障(φ1.550mm 金屬絲)82.5kV/mm故障處絕緣擊穿
2端部導電性通道故障(φ1.5100mm 金屬絲)247.6kV/mm故障處絕緣擊穿
3端部半導電性通道故障(φ1.5100mm半導體材料)164 kV/mm故障處絕緣擊穿
4中部導電性通道故障(φ1.5150mm 金屬絲)110 kV/mm(當干弧發展到故障處時)故障處絕緣擊穿
5貫通性長氣隙 (φ1.5100mm)121kV/cm內部貫通性擊穿
6端部靠高壓電極處夾雜氣泡φ3mm213 kV/cm故障處絕緣擊穿
7端部靠高壓電極處夾雜金屬顆粒φ3mm71.3kV/mm故障處絕緣擊穿
8遠離高壓電極處夾雜氣泡金屬顆粒37kV/mm 未發生擊穿
3 陡波試驗時各絕緣子電場分布特性分析
試驗中對250 mm長絕緣子試段施加陡度為
1000kV/ s及4000kV/ s的陡波時絕緣子外絕緣
的干閃電壓分別為443 kV及667 kV對500 mm
長試段則為650 kV 及1000 kV的數值使用有限
元分析軟件 ANSYS— Emag計算了正常絕緣子和
故障絕緣子試件在陡波試驗中內絕緣上的電場強
度分布情況圖2~5是各種500 mm長試段沿故障
發生部位內絕緣中的電位分布和場強分布曲線
在圖3~5中給出的為施加于絕緣子的電壓為100
kV時以kV/ m為單位的場強值實際的場強值
應按實際施加電壓值乘以相應的倍數求出從圖
中可以看到
曲線1正常絕緣子曲線2端部導電性通道故障 (φ1.550mm金
屬絲)曲線3端部導電性通道故障 (φ1.5100mm金屬絲)曲線4
中部導電性通道故障 (φ1.5150mm金屬絲)的初始狀態電壓分布曲
線5端部半導電性通道故障 (φ1.5100mm半導體材料)
圖2 沿絕緣子軸向電位分布圖
Fig. 2 The electric potential distribution (%)
along the axes of the insulator
曲線1正常絕緣子曲線2端部導電性通道故障 (φ1.550mm金
屬絲)曲線3端部導電性通道故障 (φ1.5100mm金屬絲)曲線4
中部導電性通道故障 (φ1.5150mm金屬絲)的初始狀態電場分布曲
線5端部半導電性通道故障 (φ1.5100mm半導體材料)
圖3 沿絕緣子軸向場強分布圖
Fig. 3 The electric field intensity(kV/m)distribution
along the axes of the insulator
1由于在試驗中絕緣子不帶均壓環因此
試驗電極間為極不均勻電場結構對于正常絕緣
子高電位和高場強都集中于高壓電極附近計
算中還發現若試驗電壓的陡度很高例如為
4000kV/ s時由于此時外絕緣的干閃電壓較高
在緊靠高壓電極處尤其是當高壓電極為1mm厚
20mm寬的銅片時固體絕緣中的場強值已有可能
超過材料的擊穿強度從而可能造成正常絕緣子
的損壞故建議陡波試驗標準中應考慮規定施加
電壓陡度的上限值
2高壓金具端部前方有導電通道故障的試
件表1中序號12其分布特點是導電性通道
將高電位引向故障區域同時在通道尖端處產生極
高的場強故障通道發展得愈長尖端處的場強值
萬方數據
第27卷 第1期電 網 技 術43
愈高例如500mm長試件導電通道分別為50mm
和100mm時當施加1000kV/ s陡度的沖擊電壓
干閃電壓為650kV時金屬性導電通道故障尖端
處最大場強分別為82.5kV/mm及247.6kV/mm已
大大超過硅橡膠材的擊穿場強這些試件在陡波試
驗中均發生了擊穿即是驗證對端部故障通道為半
導電性的絕緣子表1中3也能從圖2中看出電
位分布的改變且其尖端處的場強也有很高的數
值在陡波試驗中亦會發生擊穿
實線1加壓初始狀態時的電場分布
虛線2當干弧發展到金屬絲上方時的電場分布
圖4 中部有導電性通道(φ1.5100mm金屬絲)故障的
絕緣子沿軸向場強分布圖
Fig. 4 The electric field intensity distribution along
the axes of the insulator with conductive channel fault
in the midst
曲線為當干弧發展到接近金屬絲時的電場分布
圖5 中部有導電性通道(φ1.5100mm金屬絲)故障的
絕緣子沿軸向場強分布圖
Fig. 5 The electric field intensity distribution along
the axes of the insulator with conductive channel fault
in the midst
3對于通道性故障發生在試件中部的絕緣
子表1中序號4從計算結果看當高電壓僅
施加在電極上時干弧還沒有形成簡稱初始狀
態由于故障區離電極較遠故障處場強雖有畸
變但還達不到引起絕緣破壞的數值見圖4中
實線1當外絕緣發生放電電弧從高壓電極出
發沿軸向發展到試件中部與故障區接近時計算
場強分布可看到故障通道兩端頭處的場強已急劇
增加見圖4中虛線2受其影響干弧頭部的
電力線方向也從軸向變為徑向向內指向故障通
道致使導電性通道的端頭場強進一步加強見
圖5最終導致了干弧放電擊穿護套絕緣連通
金屬性故障通道經其短路而發展到接地電極
這與在試驗中觀察到的放電路徑一致
所以當絕緣子中存在較嚴重的絕緣缺陷時
即使缺陷遠離試驗電極陡波沖擊試驗中隨著放
電這一動態過程的進行缺陷處仍會形成高場強
區致使被擊穿而暴露出來表明陡波沖擊試驗
對內部有嚴重缺陷的絕緣子有極高的檢出能力
4對于因工藝和材料缺陷引起的在硅橡膠
護套和傘裙中的小氣泡和夾雜導電性雜質顆粒的
情況計算表明由于缺陷尺寸小他們的存在
對絕緣子整體電位分布一般無影響缺陷處的場
強值則視其距離高壓電極和空氣閃絡路徑的遠近
而定當相距較近時缺陷處產生的高場強足以
引起氣泡或雜質附近的材料放電而被檢出而較
遠時則不易引發放電因而不能被檢出
4 結論
1陡波沖擊試驗對絕緣子內部較長的通道
性故障不論發生于何部位不論屬于導性故障
半導電性還是長氣泡性質均有很高的檢出能力
2陡波沖擊試驗對絕緣子中較小的氣泡及
雜質顆粒缺陷檢出能力將視其與高壓電極或空氣
閃絡路徑的距離而定距離較近時才易于發現
3對使用硅橡膠材料護套的絕緣子陡波
試驗電壓的陡度值應有一定限制否則有可能對
正常絕緣子產生危害
參考文獻
[1] Su FuhengJia Yimei. Fault of composite insulators in service and
research of on-line detection method[J]. ISH99 Conference Public-
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[2] 粟福珩賈逸梅. 合成絕緣子的缺陷與陡波試驗[J]. 中國電力
1996 29153-55.