氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)的安全可靠性是高壓電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素，盆式絕緣子為GIS設(shè)備中的關(guān)鍵零部件，主要起支撐導(dǎo)體、隔離氣室和電氣絕緣的作用。GIS設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)建設(shè)中。但在GIS設(shè)備發(fā)生故障并對其進(jìn)行搶修處理時，其緊湊的結(jié)構(gòu)往往給操作人員帶來極大的不便，而盆式絕緣子是GIS設(shè)備中故障較多的部件之一，其中擊穿和閃絡(luò)的發(fā)生頻率較高。
2020年，某220kV擴(kuò)建工程的耐壓試驗過程中，其A相發(fā)生放電故障，將其解體后發(fā)現(xiàn)盆式絕緣子表面有閃絡(luò)跡象，對故障絕緣子進(jìn)行更換處理后，再次進(jìn)行耐壓試驗時，該絕緣子再次發(fā)生放電故障?，F(xiàn)場檢測時，未在殼體內(nèi)部發(fā)現(xiàn)異物，且在盆式絕緣子表面未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，屏蔽罩、殼體內(nèi)表面等位置也未發(fā)現(xiàn)可能引起放電的尖端，且試驗前微水等檢測結(jié)果均合格，但對故障絕緣子進(jìn)行滲透檢測時，發(fā)現(xiàn)絕緣子嵌件和環(huán)氧本體間存在澆注間隙。
研究人員采用宏觀觀察、滲透檢測、X射線檢測等方法分析了發(fā)生放電故障的原因，并利用仿真軟件計算了高電壓環(huán)境下不同澆注間隙對電場的影響，以防止該類問題再次發(fā)生。
1、 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
對故障盆式絕緣子進(jìn)行宏觀觀察，未在絕緣子表面發(fā)現(xiàn)裂紋、雜質(zhì)等缺陷。閃絡(luò)痕跡沿嵌件和環(huán)氧樹脂本體的黏接處起始并向外延展，呈枝丫狀開叉，終止于盆式絕緣子和殼體間密封處(見圖1)。
1.2 滲透檢測
對故障絕緣子外表面進(jìn)行滲透檢測，重點(diǎn)檢測了嵌件和環(huán)氧樹脂本體的黏接部位，滲透時間約為12min，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：盆式絕緣子和嵌件部位存在兩處顯像痕跡，發(fā)生閃絡(luò)處弧長約50mm，深度、寬度未知，且該顯像部位為閃絡(luò)起始點(diǎn)。
1.3 X射線檢測
運(yùn)用數(shù)字成像技術(shù)(DR系統(tǒng))對故障絕緣子進(jìn)行多角度X射線檢測，目的是檢測其內(nèi)部是否存在裂紋等缺陷，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：該故障絕緣子內(nèi)部組織均勻，未發(fā)現(xiàn)裂紋、雜質(zhì)等缺陷。
2、 綜合分析
線膨脹系數(shù)是材料的物理特性之一，產(chǎn)品成型后，溫度變化以及應(yīng)力作用造成的變形是無法改變的，因此在設(shè)計中要考慮不同材料之間的膨脹匹配性。GIS設(shè)備盆式絕緣子本體材料通常為絕緣性能較好的環(huán)氧樹脂，嵌件為導(dǎo)電性能較好的金屬材料。
相關(guān)文獻(xiàn)表明：環(huán)氧樹脂在固化過程中會產(chǎn)生較大且不均勻的殘余應(yīng)力，這是由于固化反應(yīng)發(fā)生在高溫狀態(tài)，固化體系中的導(dǎo)熱性差，溫度場分布不均勻，使得固化收縮不均勻，此外，隨著 Al2O3顆粒的加入，也會帶來分散不均、粒子聚集等問題，殘余應(yīng)力使得盆式絕緣子和嵌件結(jié)合部位的微裂紋、分層等缺陷極難避免。
為保證環(huán)氧樹脂和金屬嵌件結(jié)合處的黏接力，需盡可能減少兩者間的分層，且保持高導(dǎo)電率，其中心嵌件一般選取和環(huán)氧樹脂膨脹系數(shù)較為接近的鋁材，這是因為當(dāng)溫度變化時，內(nèi)部的殘余應(yīng)力較小，不易出現(xiàn)嵌件黏接面開裂的現(xiàn)象。
對發(fā)生放電故障的盆式絕緣子本體及其嵌件進(jìn)行了化學(xué)成分分析。由于盆式絕緣子本體材料為環(huán)氧樹脂，手持式光譜儀無法檢測輕元素，嵌件元素化學(xué)成分如表1所示。
由表1可知，嵌件的化學(xué)成分符合GB/T 3190—2016《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》的要求。
由于故障盆式絕緣子未分解，無法觀察環(huán)氧樹脂和嵌件間是否存在裂紋等缺陷，也缺乏相應(yīng)的技術(shù)手段開展微裂紋的檢測，但采用滲透檢測方法發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂和嵌件部位存在澆注間隙，且該部位為閃絡(luò)起始點(diǎn)。絕緣子閃絡(luò)指的是由沿面局部電弧爬電所致的局部電弧貫通。胡大偉通過棒-板電極空氣間隙模型，提出“線路懸式絕緣子的‘不明閃絡(luò)’并非真正意義上的沿面閃絡(luò)，而是在絕緣子附近空間內(nèi)發(fā)生的絕緣子極間空氣間隙擊穿”的假說。周中升等通過試驗驗證了1mm間隙下變壓器油擊穿和有機(jī)玻璃沿面閃絡(luò)的試驗數(shù)據(jù)。
2.1 建立模型
該盆式絕緣子為三相共箱式非圓周對稱結(jié)構(gòu)，需采用三維電場進(jìn)行分析。采用計算機(jī)輔助設(shè)計軟件對盆式絕緣子進(jìn)行1∶1建模，為更好地反映盆式絕緣子在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果，電場仿真模型包括盆式絕緣子、兩側(cè)殼體、內(nèi)部屏蔽及導(dǎo)體等，忽略了對電場、電位基本沒有影響的金屬連接件，盆式絕緣子電場計算模型如圖4所示。
考慮到無法準(zhǔn)確測量澆注間隙的大小，特分別選取寬度為0.05，0.1，0.2mm的間隙進(jìn)行對比研究。間隙弧長為50mm，間隙深度為10mm，澆注間隙如圖5所示。
2.2 仿真試驗
計算時，取盆式絕緣子環(huán)氧樹脂和SF6的相對介電常數(shù)分別為4.5與1.0025。
在設(shè)計盆式絕緣子時，主要考慮的是環(huán)氧樹脂表面和接地法蘭的電場強(qiáng)度，設(shè)計基準(zhǔn)為盆式絕緣子各關(guān)鍵部位場強(qiáng)(或切向場強(qiáng))的最大允許值，其中主要關(guān)注環(huán)氧樹脂表面的合成場強(qiáng)最大值Eh、表面切向場強(qiáng)最大值Eq，關(guān)注接地法蘭表面的合成場強(qiáng)最大值Ef。根據(jù)經(jīng)驗Eh>Eq，在后續(xù)計算中，只考察Eh和Ef 兩個場強(qiáng)。
2.2.1 無澆注間隙的盆式絕緣子電場計算
首先對該盆式絕緣子進(jìn)行電場校核計算，驗證其絕緣性能是否能夠滿足產(chǎn)品使用需求。將搭建好的無澆注間隙的盆式絕緣子計算模型導(dǎo)入電場模塊中，外殼施加低電位為0kV，內(nèi)部導(dǎo)體A相(耐壓時閃絡(luò)相序)施加高電位1050kV，B、C兩相施加低電位0kV。
圖6為無澆注間隙下的盆式絕緣子、外殼、嵌件黏接處電場分布，由圖6可知：絕緣子表面合成場強(qiáng)最大值為11.2kV/mm，位于絕緣子凹面環(huán)氧柱根部的圓弧處。外殼表面合成場強(qiáng)最大值為10kV/mm，位于殼體法蘭圓弧處。
通過計算可知，該盆式絕緣子表面合成場強(qiáng)最大值及接地法蘭表面合成場強(qiáng)最大值均符合場強(qiáng)設(shè)計要求，能夠滿足工程應(yīng)用。
2.2.2 存在澆注間隙的盆式絕緣子電場計算
將澆注間隙寬度分別為0.05，0.1，0.2mm的盆式絕緣子計算模型導(dǎo)入電場模塊中，邊界條件同上節(jié)，此處不再贅述。3種間隙的盆式絕緣子、外殼、嵌件黏接處電場分布如圖7~9所示。
2.3 結(jié)果分析
盆式絕緣子電場計算結(jié)果如表2所示。
由表2可知：澆注間隙對盆式絕緣子環(huán)氧樹脂表面及外殼表面的場強(qiáng)大小和分布影響不大，均滿足設(shè)計基準(zhǔn)值的要求。澆注間隙主要影響環(huán)氧樹脂和嵌件黏接位置的場強(qiáng)，一旦產(chǎn)生澆注間隙，場強(qiáng)就會發(fā)生畸變，遠(yuǎn)超設(shè)計基準(zhǔn)值要求，并且根據(jù)計算可知，澆注間隙在深度和弧長不變的條件下，其寬度越小，場強(qiáng)發(fā)生的畸變越大，間隙也越容易被擊穿。
故障盆式絕緣子無其他缺陷，且在事故GIS殼體內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)異物，屏蔽罩、殼體內(nèi)表面等位置也未發(fā)現(xiàn)可能引起放電的尖端存在，試驗前微水等檢測結(jié)果均合格，僅滲透試驗過程中發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂和嵌件部位存在澆注間隙，且其為閃絡(luò)起始點(diǎn)，可判斷在高電壓環(huán)境下的澆注間隙內(nèi)產(chǎn)生的畸變電場是導(dǎo)致盆式絕緣子沿面閃絡(luò)的主要原因，仿真結(jié)果也驗證了該結(jié)論。
3、 結(jié)語
(1)澆注間隙會使盆式絕緣子的電場發(fā)生畸變，且在澆注間隙深度、弧長相等的狀態(tài)下，其寬度越小，電場的畸變越大，間隙越容易被擊穿，從而發(fā)生閃絡(luò)故障。
(2)在盆式絕緣子生產(chǎn)過程中，澆注間隙較難避免，生產(chǎn)廠家應(yīng)制定合理的固化工藝，并嚴(yán)格執(zhí)行。
(3)采用滲透檢測方法能有效檢測出嵌件黏接處的澆注間隙等缺陷。
作者：劉高明1，陳國靜2，孫慶峰3，馬建艷4，李賢良5，許挺6
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來源：《理化檢驗-物理分冊》2023年第12期
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