产品
粟福珩1贾逸梅1王青霞1金 珩2张 宇2周建国2
1. 华北电力大学, 北京 1022062. 华东电力试验研究院上海 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
摘要为了检验陡波试验对于发现合成绝缘子内部故障的
有效性分别模拟绝缘子内部不同部位有导电性半导电
性通道小气泡长气泡和芯棒与护套间不粘连故障的绝缘
子并分别在故障绝缘子和正常绝缘子上施加不同陡度的
陡电压波同时用有限元分析软件计算绝缘子的电场分布
以确定绝缘子在陡波试验中是否会击穿计算结果与实验
结果相一致研究结果表明陡波试验在检验合成绝缘子内
绝缘严重故障方面很有效,但对一些小的故障不易检出
关键词陡波试验合成绝缘子缺陷
1 引言
目前我国的输电系统中有60多万支高压合成
绝缘子运行其中包括许多采用胶合及灌胶工艺
生产的早期产品这些绝缘子在长期运行后可
能形成如端头处密封破坏护套与芯棒界面出现
缝隙等缺陷并陆续导致内绝缘击穿事故对电
网的安全运行造成威胁为此一些电力局采取
了对运行中的绝缘子定期进行抽检的预防性措
施其中一项重要的检验项目就是陡波冲击试验
合成绝缘子的陡波冲击试验是按照IEC1109-
1992 标准的规定对绝缘子分段施加陡度不小于
1000 kV/ s的冲击电压每段长度不大于500 mm
试验是利用外绝缘在陡波下具有很高干闪电压的
特性使被试绝缘子的内绝缘也同时承受到较高
的电压使缺陷处放电从而被发现
为了评价陡波冲击试验发现合成绝缘子内绝
缘故障的有效性制作了一批模拟内绝缘故障的
绝缘子试件并对这些故障绝缘子以及正常的绝
缘子在施加陡波冲击试验电压下的电场强度分布
进行精确计算将故障处的场强值与材料的击穿
场强进行对比以确定是否会在试验中发生击穿
现象估计的结果与试验结果十分接近此项研
究使我们对陡波试验的内涵有了更深入的了解
研究结果对修改现行标准也有重要的参考价值
2 故障模型及试验结果
合成绝缘子中最危险的内绝缘故障是沿轴向
在芯棒与护套界面或芯棒中发展的电致碳痕通道
或受潮缝隙用金属丝和高电阻率材料埋设于绝
万方数据
42Power System Technology Vol. 27 No.1
缘子的芯棒与护套界面处可分别模拟内部导电
通道和半导体通道故障让护套与芯棒间不粘合
以形成内部长气隙通道故障此外还制作了模
拟合成绝缘子的护套和伞裙中存在气泡及导电性
杂质颗粒故障的试件图1为端部有导电性通道
故障绝缘子模型示意图表1为各试件模型及试
验结果
金属丝
图1 端部有导电性通道故障的绝缘子模型示意图
Fig.1 The model of the composite insulator
with conductive channel fault at the end
表1 合成绝缘子试件及陡波冲击试验结果(500mm长试段陡度1000kV/ s干闪电压650kV时)
Tab. 1 The composite insulator models and the result of steep-front impulse voltage test
序号模拟故障类型缺陷处最大场强计算值陡波冲击试验结果
1端部导电性通道故障(φ1.550mm 金属丝)82.5kV/mm故障处绝缘击穿
2端部导电性通道故障(φ1.5100mm 金属丝)247.6kV/mm故障处绝缘击穿
3端部半导电性通道故障(φ1.5100mm半导体材料)164 kV/mm故障处绝缘击穿
4中部导电性通道故障(φ1.5150mm 金属丝)110 kV/mm(当干弧发展到故障处时)故障处绝缘击穿
5贯通性长气隙 (φ1.5100mm)121kV/cm内部贯通性击穿
6端部靠高压电极处夹杂气泡φ3mm213 kV/cm故障处绝缘击穿
7端部靠高压电极处夹杂金属颗粒φ3mm71.3kV/mm故障处绝缘击穿
8远离高压电极处夹杂气泡金属颗粒37kV/mm 未发生击穿
3 陡波试验时各绝缘子电场分布特性分析
试验中对250 mm长绝缘子试段施加陡度为
1000kV/ s及4000kV/ s的陡波时绝缘子外绝缘
的干闪电压分别为443 kV及667 kV对500 mm
长试段则为650 kV 及1000 kV的数值使用有限
元分析软件 ANSYS— Emag计算了正常绝缘子和
故障绝缘子试件在陡波试验中内绝缘上的电场强
度分布情况图2~5是各种500 mm长试段沿故障
发生部位内绝缘中的电位分布和场强分布曲线
在图3~5中给出的为施加于绝缘子的电压为100
kV时以kV/ m为单位的场强值实际的场强值
应按实际施加电压值乘以相应的倍数求出从图
中可以看到
曲线1正常绝缘子曲线2端部导电性通道故障 (φ1.550mm金
属丝)曲线3端部导电性通道故障 (φ1.5100mm金属丝)曲线4
中部导电性通道故障 (φ1.5150mm金属丝)的初始状态电压分布曲
线5端部半导电性通道故障 (φ1.5100mm半导体材料)
图2 沿绝缘子轴向电位分布图
Fig. 2 The electric potential distribution (%)
along the axes of the insulator
曲线1正常绝缘子曲线2端部导电性通道故障 (φ1.550mm金
属丝)曲线3端部导电性通道故障 (φ1.5100mm金属丝)曲线4
中部导电性通道故障 (φ1.5150mm金属丝)的初始状态电场分布曲
线5端部半导电性通道故障 (φ1.5100mm半导体材料)
图3 沿绝缘子轴向场强分布图
Fig. 3 The electric field intensity(kV/m)distribution
along the axes of the insulator
1由于在试验中绝缘子不带均压环因此
试验电极间为极不均匀电场结构对于正常绝缘
子高电位和高场强都集中于高压电极附近计
算中还发现若试验电压的陡度很高例如为
4000kV/ s时由于此时外绝缘的干闪电压较高
在紧靠高压电极处尤其是当高压电极为1mm厚
20mm宽的铜片时固体绝缘中的场强值已有可能
超过材料的击穿强度从而可能造成正常绝缘子
的损坏故建议陡波试验标准中应考虑规定施加
电压陡度的上限值
2高压金具端部前方有导电通道故障的试
件表1中序号12其分布特点是导电性通道
将高电位引向故障区域同时在通道尖端处产生极
高的场强故障通道发展得愈长尖端处的场强值
万方数据
第27卷 第1期电 网 技 术43
愈高例如500mm长试件导电通道分别为50mm
和100mm时当施加1000kV/ s陡度的冲击电压
干闪电压为650kV时金属性导电通道故障尖端
处最大场强分别为82.5kV/mm及247.6kV/mm已
大大超过硅橡胶材的击穿场强这些试件在陡波试
验中均发生了击穿即是验证对端部故障通道为半
导电性的绝缘子表1中3也能从图2中看出电
位分布的改变且其尖端处的场强也有很高的数
值在陡波试验中亦会发生击穿
实线1加压初始状态时的电场分布
虚线2当干弧发展到金属丝上方时的电场分布
图4 中部有导电性通道(φ1.5100mm金属丝)故障的
绝缘子沿轴向场强分布图
Fig. 4 The electric field intensity distribution along
the axes of the insulator with conductive channel fault
in the midst
曲线为当干弧发展到接近金属丝时的电场分布
图5 中部有导电性通道(φ1.5100mm金属丝)故障的
绝缘子沿轴向场强分布图
Fig. 5 The electric field intensity distribution along
the axes of the insulator with conductive channel fault
in the midst
3对于通道性故障发生在试件中部的绝缘
子表1中序号4从计算结果看当高电压仅
施加在电极上时干弧还没有形成简称初始状
态由于故障区离电极较远故障处场强虽有畸
变但还达不到引起绝缘破坏的数值见图4中
实线1当外绝缘发生放电电弧从高压电极出
发沿轴向发展到试件中部与故障区接近时计算
场强分布可看到故障通道两端头处的场强已急剧
增加见图4中虚线2受其影响干弧头部的
电力线方向也从轴向变为径向向内指向故障通
道致使导电性通道的端头场强进一步加强见
图5最终导致了干弧放电击穿护套绝缘连通
金属性故障通道经其短路而发展到接地电极
这与在试验中观察到的放电路径一致
所以当绝缘子中存在较严重的绝缘缺陷时
即使缺陷远离试验电极陡波冲击试验中随着放
电这一动态过程的进行缺陷处仍会形成高场强
区致使被击穿而暴露出来表明陡波冲击试验
对内部有严重缺陷的绝缘子有极高的检出能力
4对于因工艺和材料缺陷引起的在硅橡胶
护套和伞裙中的小气泡和夹杂导电性杂质颗粒的
情况计算表明由于缺陷尺寸小他们的存在
对绝缘子整体电位分布一般无影响缺陷处的场
强值则视其距离高压电极和空气闪络路径的远近
而定当相距较近时缺陷处产生的高场强足以
引起气泡或杂质附近的材料放电而被检出而较
远时则不易引发放电因而不能被检出
4 结论
1陡波冲击试验对绝缘子内部较长的通道
性故障不论发生于何部位不论属于导性故障
半导电性还是长气泡性质均有很高的检出能力
2陡波冲击试验对绝缘子中较小的气泡及
杂质颗粒缺陷检出能力将视其与高压电极或空气
闪络路径的距离而定距离较近时才易于发现
3对使用硅橡胶材料护套的绝缘子陡波
试验电压的陡度值应有一定限制否则有可能对
正常绝缘子产生危害
参考文献
[1] Su FuhengJia Yimei. Fault of composite insulators in service and
research of on-line detection method[J]. ISH99 Conference Public-
ation 19994823-27.
[2] 粟福珩贾逸梅. 合成绝缘子的缺陷与陡波试验[J]. 中国电力
1996 29153-55.
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