一种有机材料绝缘件表面漏电起痕的分析计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电气设备缺陷诊断领域，涉及一种有机材料绝缘件表面漏电起痕的分 析计算方法。
【背景技术】
[0002] 随着应用于电网的有机绝缘部件数量以及绝缘材料种类的逐渐增多，由有机绝缘 破坏导致的绝缘事故也日趋增多。除了产品本身的设计缺陷和质量问题以外，人们对有机 绝缘材料的适用范围了解不足而导致使用不当，也是事故产生的主要原因。特别是近些年 来，在电力电子技术高速发展的同时，有机绝缘材料的使用环境也趋于多样化，不仅在普通 环境下，还在低气压，室外全天候，海岸盐害地区，高温潮湿环境，沙尘暴，化学气体，放射线 辐射，高磁场等特殊环境下大量应用。在这些环境下使用的有机绝缘材料有着无机绝缘所 没有的特殊现象，即发生在材料表面的电痕劣化现象。
[0003] 电痕劣化引起绝缘破坏是发生在有机绝缘材料表面特有的绝缘破坏形式，称为电 痕破坏。引起电痕破坏的间接原因是有机绝缘表面的潮湿与污秽。在潮湿污秽状态下，电 场足够大时材料表面有漏电流产生，由于焦耳热的作用，材料表面的温度逐渐升高，当有机 材料表面温度达到一定值时就会发生热解，表面有碳析出，这就是有机材料的碳化现象。由 于碳化生成物的电导率高，此处的电场密度集中于该碳化部分，使该部分的电流继续增大， 产生更多的焦耳热，从而使周围温度也升高，致使周围也发生碳化，最终导致短路，发生电 痕破坏。
[0004] 触头盒是开关柜内为动静触头提供绝缘保护的电气部件，具有优异的防污闪性， 大大提高了其在开关柜内运行的可靠性。然而触头盒外绝缘材料为有机绝缘，相对于其他 类型的材料而言，有机绝缘材料面临着热解碳化问题。尤其随着运行时间的增加、运行环境 的劣化，其热解碳化问题变得更为突出。目前，国内外研究者对于有机绝缘材料的研究主要 在于其材料特性和化学性能方面，而对于有机绝缘材料的电气性能方面却很少提及。因此， 为了保证开关柜的正常稳定运行，发明一种有机绝缘材料热老化的分析判断方法是非常有 必要的。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是：针对现有技术中无法准确判断有机材料绝缘件表面 在什么情况下会出现漏电起痕并形成炭斑，并如何分析计算漏电起痕的问题，提出了一种 基于阻容等效电路模型计算有机材料绝缘件表面漏电起痕并形成炭斑的方法，该方法思路 新颖、判断准确。
[0006] 绝缘材料表面洁净时，电阻率很大，表面泄漏电流很小，故发热速率较慢；当绝缘 材料表面出现电导率改变状况时，其表面泄漏电流急剧增大，发热速率快速增加，根据能量 守恒定律，当绝缘材料表面状况处发热总量大于炭化所需能量时，就会发生炭化。通过对碳 化所需能量和状况处产热总量的计算，得出起痕炭化判断。
[0007] -种有机材料绝缘件表面漏电起痕的分析计算方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤1 :采集有机材料绝缘件待计算的起痕区域数据；
[0009] 所述数据包括有机材料绝缘件待计算的起痕区域电阻率μ、电极面积S。、比热c、 密度Ρ、环境温度！\、待计算起痕区域长度1、宽度d及面积S1;
[0010] 步骤2 :利用步骤1获得的数据，获取待计算起痕的区域发生起痕炭化所需能量 Q：
[0011] Q=meΛT
[0012] 其中，m为待计算起痕的区域质量，m=plSpΔΤ为炭化所需温升，ΔΤ=Τ。-!^ Τ。为有机材料绝缘件发生起始炭化时的温度；
[0013] 步骤3 :构建有机材料绝缘件待计算的起痕区域的电阻、电容等效电路，并计算等 效电路产热量Q1:
[0014]
[0015] 其中，C为有机材料绝缘件待计算的起痕区域的等效电容，
ε为真空 介电常数，ε1^为有
[0016] 机材料绝缘件的相对介电常数，k为分布电压系数，U为有机材料绝缘件正常工作 情况下，待计算起痕的区域分布电压值；
[0017] 步骤4 :计算待计算起痕的区域的放电时间常数τ1:τ1=RC;
[0018] 其中，R表示待计算起痕区域的等效电阻，=C为与待计算起痕的区域的等 a 效电阻并联的等效电容；
[0019] 步骤5 :计算有机材料绝缘件达到起痕炭化时所需的放电次数η: $
[0020] 步骤6 :判断是否会发生起痕炭化；
[0021] 计算有机材料绝缘件产生的热量达到起痕炭化条件时所需的时间t，t=η·4τ1;
[0022] 若t>20秒，则当前有机材料绝缘件不会发生起痕炭化，否则，则会发生起痕炭化。
[0023] 有益效果
[0024] 本发明提供了一种有机材料绝缘件表面漏电起痕的分析计算方法，该方法通过构 建有机材料绝缘件的电容及电阻等效电路，根据能量守恒定律，当绝缘材料表面状况处发 热总量大于碳化所需能量时，就会发生碳化。通过对碳化所需能量和状况处产热总量的计 算，得出起痕炭化判断。该方法构思巧妙，简单易行；为判断有机材料绝缘件是否发生起痕 炭化提供了准确可行的分析方法，为预防有机绝缘件漏电起痕炭化提供了理论依据。
【附图说明】
[0025]图1为有机材料绝缘件的阻容等效电路模型；
[0026] 图2为本发明所述方法的流程图。
【具体实施方式】
[0027] 下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
[0028] 如图2所示，一种有机材料绝缘件表面漏电起痕的分析计算方法，包括以下步骤：
[0029]实例1
[0030] 1、数据收集。
[0031] 采集有机材料绝缘件待计算起痕区域表面电阻率μ= 2X107、电极面积& = 400mm2以及待计算起痕区域长度1 = 1mm、宽度d= 1mm，绝缘材料密度p= 1. 75g/cm3、比 热c= 1. 25J/g· °C，待计算起痕的区域面积Sf1mm2,环境温度I\= 20°C。
[0032] 2、碳化所需能量Q(单位J)计算。
[0033] 利用公式Q=meΔT，得起痕炭化所需能量Q= 4. 375X107J
[0034] 3、电容中所储存能量(单位J)计算，所构建有机材料绝缘件待计算的起痕区域 的等效阻容电路如图1所示。
[0035] 利用公另
，其中分布电压常数k= 6. 3245X10 4,得电 容中所储存能量仏=9. 1232X10nJ。
[0036] 4、时间常数计算。利用公式τ1=RC计算时间常数，C= 7. 02X10 12F，得时间常 数 1. 404X10ks。
[0037] 5、材料达到起痕炭化所需放电次数计算。由次数"，则材料达到起痕炭化所 需放电次数η= 4795。
[0038] 6、局部起痕碳化判据。由能量达到起痕条件所需时间t=η· 4τi，得时间t= 2. 69s，此时时间t〈20S，故能够发生起痕炭化。
[0039]实例2
[0040] 1、数据收集。
[0041] 采集待计算起痕的区域表面电阻率μ= 5X109,电极面积S(J= 400mm2以及待计 算起痕的区域长度1 = 1mm、宽度d= 1mm，绝缘材料密度p= 1. 75g/cm3、比热c= 1. 25J/ g· °C，待计算起痕的区域面积Si= 1mm2,环境温度I\= 20°C。
[0042] 2、碳化所需能量Q(单位J)计算。
[0043] 利用公式Q=meΔT，得起痕碳化所需能量Q= 4. 375X107J
[0044]3、电容中所储存能量仏（单位J)计算。
)
[0045] 利用公式 -,其中分布电压常数k= 6. 3245X10 4,得电 容中所储存能量仏=9. 1232X10nJ。
[0046] 4、时间常数计算。
[0047] 利用公式τ1=RC计算时间常数，电容C= 7. 02X10 12F，得时间常数 3. 51X10 2S〇
[0048] 5、材料达到起痕炭化所需放电次数计算。由次数《=^_，则材料达到起痕炭化所 需放电次数η= 4795。
[0049] 6、局部起痕炭化判据。由能量达到起痕条件所需时间t=η· 4τi，得时间t= 673. 28s，此时时间t>20S，故不能够发生起痕炭化。
[0050] 以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明精神和原 则之内，所作任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种有机材料绝缘件表面漏电起痕的分析计算方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1 :采集有机材料绝缘件待计算的起痕区域数据； 所述数据包括有机材料绝缘件电阻率μ、电极面积S。、比热C、密度P、环境温度T1、待 计算起痕区域长度1、宽度d及面积S1; 步骤2 :利用步骤1获得的数据，获取待计算起痕的区域发生起痕炭化所需能量Q : Q = me Λ T 其中，m为待计算起痕的区域质量，m = P IS1, ΔΤ为炭化所需温升，ΔΤ = Το-ΤρΤ。为 有机材料绝缘件发生起始炭化时的温度； 步骤3 :构建有机材料绝缘件待计算的起痕区域的电阻、电容等效电路，并计算等效电 路产热量Q1:其中，C为有机材料绝缘件待计算的起痕区域的等效电容，ε c为真空介电 常数，ε 1^为有 机材料绝缘件的相对介电常数，k为分布电压系数，U为有机材料绝缘件正常工作情况 下，待计算起痕的区域分布电压值； 步骤4 :计算待计算起痕的区域的放电时间常数τ 1: τ 1= RC ; 其中，R表示待计算起痕区域的等效电阻，C为与待计算起痕的区域的等效电 阻并联的等效电容； 步骤5 :计算有机材料绝缘件达到起痕炭化时所需的放电次数η :步骤6 :判断是否会发生起痕炭化； 计算有机材料绝缘件产生的热量达到起痕炭化条件时所需的时间t，t = η · 4 τ 1; 若t>20秒，则当前有机材料绝缘件不会发生起痕炭化，否则，则会发生起痕炭化。
【专利摘要】本发明公开了一种有机材料绝缘件表面漏电起痕的分析计算方法，该方法通过构建有机材料绝缘件待计算的起痕区域的电容及电阻等效电路，根据能量守恒定律，当绝缘材料表面状况处发热总量大于碳化所需能量时，就会发生碳化。通过对碳化所需能量和状况处产热总量的计算，得出起痕炭化判断。该方法构思巧妙，简单易行；为判断有机材料绝缘件是否发生起痕炭化提供了准确可行的分析方法，为预防有机绝缘件漏电起痕炭化提供了理论依据。
【IPC分类】G01R31/12
【公开号】CN105425127
【申请号】CN201510941008
【发明人】汪霄飞, 朱亮, 单周平, 黎智宇, 罗新
【申请人】国家电网公司, 国网湖南省电力公司, 国网湖南省电力公司电力科学研究院
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年12月16日