一种复合绝缘子温升预测方法与流程

本发明涉及输电检测技术领域，具体涉及一种复合绝缘子温升预测方法。

背景技术：

复合绝缘子因其在污秽环境中的优异性能，自20世纪90年代以来，在我国得到了广泛的应用。中国110kv及以上电压等级的输电线路中广泛使用复合绝缘子，已成为世界上第一个在特高压交、直流输电系统中以有机外绝缘为主的国家。然而，相比于传统的瓷和玻璃绝缘子，复合绝缘子的运行经验较少，在长期的运行中，还是出现了一些事故或意外事件，如不明原因闪络、伞裙破坏、酥朽断裂和异常温升等。这些事故或意外事件正是复合绝缘子在大规模应用中面临的主要挑战。

近年来，随着线路巡检中红外测温手段的普及，大量运行复合绝缘子被检测到异常温升现象。以南方电网为例，在2011年的全网复合绝缘子红外测温检查中，3条500kv线路中出现异常温升的复合绝缘子数量超过10％。此外，在对国内多起复合绝缘子酥朽断裂事故的调查中，研究人员发现复合绝缘子在发生酥朽断裂之前均存在异常温升现象。因此对复合绝缘子的温升现象进行预测，有助于对复合绝缘子的事故或意外事件进行预测，对指导外绝缘设备的运行和维护具有重要意义，保证输电线路的正常运行。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本发明提出了一种复合绝缘子温升预测方法，能够对复合绝缘子的温升现象进行预测，对指导外绝缘设备的运行和维护具有重要意义。

为了实现以上目的，本发明提供了一种复合绝缘子温升预测方法，包括：

1)建立复合绝缘子饱和吸湿介损的时间-电晕强度等效模型：

其中，βe为复合绝缘子的劣化转换因子；e为电晕强度，单位为kv/cm；c0为复合绝缘子在电晕作用下的活化常数，单位为cm/kv；eref为参考电晕强度，单位为kv/cm；

2)根据复合绝缘子饱和吸湿介损的时间-电晕强度等效模型，当电晕强度为e时，达到相同饱和吸湿介损所需的时间满足下式：

其中，te是电晕强度为e时的老化时间，teref是参考电晕强度eref下的老化时间，单位为h；

3)在参考电晕强度eref下，复合绝缘子饱和吸湿介损tanδ满足下式：

4)根据公式(2)和公式(3)得到复合绝缘子饱和吸湿介损tanδ、电晕强度e和电晕强度为e时的老化时间te的关系：

5)线性拟合得到复合绝缘子温升ti与复合绝缘子饱和吸湿介损tanδ的关系：

ti＝-0.0925+0.159·tanδ(5)

其中，复合绝缘子温升ti的单位为℃；

6)根据公式(4)和(5)得到复合绝缘子温升ti与电晕强度e以及电晕强度为e时的老化时间te的关系：

7)已知复合绝缘子表面承受的电晕强度e和电晕强度为e时的老化时间te，te即为复合绝缘子的运行时间，根据公式(6)即得到复合绝缘子温升ti。

进一步地，所述参考电晕强度eref为10.8kv/cm。

进一步地，所述复合绝缘子在电晕作用下的活化常数c0为40.9cm/kv。

进一步地，所述复合绝缘子在电晕作用下的活化常数c0的计算方法包括：

1)在不同电晕强度条件下对复合绝缘子进行放电，得到不同强度电晕条件下的复合绝缘子饱和吸湿介损，并进行指数拟合；

2)以参考电晕强度为10.8kv/cm，令其转换因子βe＝1.0，将步骤1)获得的不同电晕强度条件下的复合绝缘子饱和吸湿介损及指数拟合数据与参考电晕强度下的复合绝缘子饱和吸湿介损及指数拟合数据进行关联，得到不同电晕强度条件下对应的转换因子βe；

3)将不同电晕强度下获得的转换因子βe及其对应的电晕强度倒数1/e代入公式(1)，即获得硅橡胶在电晕作用下的活化常数c0＝40.9cm/kv。

进一步地，所述步骤1)中采用单针电极模拟电晕放电，针电极作为高压电极，针尖曲率半径是0.2mm，针电极与复合绝缘子的上表面距离为1mm。

进一步地，所述复合绝缘子的材质为硅橡胶。

进一步地，所述复合绝缘子的运行条件为：温度为23℃±2℃，相对湿度为80％±3％。

与现有技术相比，本发明的复合绝缘子温升预测方法，基于复合绝缘子饱和吸湿介损的时间-电晕强度等效模型，得到复合绝缘子饱和吸湿介损tanδ、电晕强度e和电晕强度为e时的老化时间te的关系，并线性拟合得到复合绝缘子温升ti与复合绝缘子饱和吸湿介损tanδ的关系，从而可以得到复合绝缘子温升ti与电晕强度e以及电晕强度为e时的老化时间te的关系，在已知复合绝缘子表面承受的电晕强度e和电晕强度为e时的老化时间te，te即为复合绝缘子的运行时间，即得到复合绝缘子温升ti，另外在测量得到复合绝缘子温升ti和复合绝缘子的运行时间，也可以反过来对复合绝缘子表面承受的电晕强度e进行预测，本发明的预测方法，能够根据模拟结果对复合绝缘子的温升现象进行预测，有助于对复合绝缘子的事故或意外事件进行预测，对指导外绝缘设备的运行和维护具有重要意义，保证输电线路的正常运行。

附图说明

图1为本实施例的验证试验中复合绝缘子温升随老化时间的变化图；

图2a为本实施例的验证试验中复合绝缘子在高湿环境下的温升图；图2b为本实施例的验证试验中复合绝缘子在低湿环境下的温升图；

图3为本实施例的验证试验中干燥和吸湿后复合绝缘子的介损随老化时间的变化图；

图4为本实施例的验证试验中复合绝缘子温升与复合绝缘子的饱和吸湿介损的对应关系图；

图5为本实施例的活化常数c0的计算方法示例中不同电压下的复合绝缘子饱和吸湿介损随老化时间的变化图；

图6为本实施例的活化常数c0的计算方法示例中不同电晕强度条件下的复合绝缘子饱和吸湿介损与参考电晕强度下的复合绝缘子饱和吸湿介损的关联图；

图7为本实施例的活化常数c0的计算方法示例中不同强度电晕放电下βe的对数坐标与电晕强度倒数1/e的关系图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例提供了一种复合绝缘子温升预测方法，包括以下步骤：

1)建立复合绝缘子饱和吸湿介损的时间-电晕强度等效模型：

其中，βe为复合绝缘子的劣化转换因子；e为电晕强度，单位为kv/cm；c0为复合绝缘子在电晕作用下的活化常数，单位为cm/kv；eref为参考电晕强度，单位为kv/cm；

2)根据复合绝缘子饱和吸湿介损的时间-电晕强度等效模型，当电晕强度为e时，达到相同饱和吸湿介损所需的时间满足下式：

其中，te是电晕强度为e时的老化时间，teref是参考电晕强度eref下的老化时间，单位为h；

3)在参考电晕强度eref下，复合绝缘子饱和吸湿介损tanδ满足下式：

4)根据公式(2)和公式(3)得到复合绝缘子饱和吸湿介损tanδ、电晕强度e和电晕强度为e时的老化时间te的关系：

5)线性拟合得到复合绝缘子温升ti与复合绝缘子饱和吸湿介损tanδ的关系：

ti＝-0.0925+0.159·tanδ(5)

其中，复合绝缘子温升ti的单位为℃；

6)根据公式(4)和(5)得到复合绝缘子温升ti与电晕强度e以及电晕强度为e时的老化时间te的关系：

7)已知复合绝缘子表面承受的电晕强度e和电晕强度为e时的老化时间te，te即为复合绝缘子的运行时间，根据公式(6)即得到复合绝缘子温升ti。

本实施例提供的复合绝缘子温升预测方法，基于复合绝缘子饱和吸湿介损的时间-电晕强度等效模型，得到复合绝缘子饱和吸湿介损tanδ、电晕强度e和电晕强度为e时的老化时间te的关系，并线性拟合得到复合绝缘子温升ti与复合绝缘子饱和吸湿介损tanδ的关系，从而可以得到复合绝缘子温升ti与电晕强度e以及电晕强度为e时的老化时间te的关系，在已知复合绝缘子表面承受的电晕强度e和电晕强度为e时的老化时间te，te即为复合绝缘子的运行时间，即得到复合绝缘子温升ti，另外在测量得到复合绝缘子温升ti和复合绝缘子的运行时间，也可以反过来对复合绝缘子表面承受的电晕强度e进行预测，本发明的预测方法，能够根据模拟结构对复合绝缘子的温升现象进行预测，有助于对复合绝缘子的事故或意外事件进行预测，对指导外绝缘设备的运行和维护具有重要意义，保证输电线路的正常运行。

具体地，本实施例的复合绝缘子的材质为硅橡胶，本实施例的复合绝缘子温升预测方法针对的复合绝缘子的运行条件为：温度为23℃±2℃，相对湿度为80％±3％；在测量已知复合绝缘子温升ti和复合绝缘子的运行时间，对复合绝缘子表面承受的电晕强度e进行预测时，温升测量的环境为：温度为23℃±2℃，相对湿度为93％±3％，风速为0。

具体地，参考电晕强度eref为10.8kv/cm，参考电晕强度eref可通过在comsol软件中的有限元计算得到。

具体地，复合绝缘子在电晕作用下的活化常数c0为40.9cm/kv。

为了验证本实施例复合绝缘子温升预测方法，本实施例中提供了下述的验证试验。

试样信息：试验所用试样由中国某复合绝缘子厂家提供，结构高度为550mm，干弧距离为350mm，爬电距离为1044mm，有3个直径为160mm的大伞以及6个直径为104mm的小伞。

试验条件：模拟中国南方沿海高湿地区的环境条件，位于北回归线以南，赤道以北，东经113°46'～114°37'，北纬22°27'～22°52'，处于亚热带季风气候区，空气湿润，年平均气温为22.9℃，平均湿度为77％，年降水量平均为1935.8mm。空气悬浮颗粒(pm2.5)年平均值为40g/m³。爬电比距采用了iec61109规定的34.6mm/kv，施加电压为30kv；雨水电导率约为10us/cm；高温高湿条件设置为50℃±2℃和95％±3％；污秽雾由2gnacl溶解于1l去离子水中制成；采用氙灯模拟紫外辐照，辐照强度为0.85～0.95kw/m²。与iec62217中提出的老化方案相比，本试验将一次老化循环试验分为了0～24小时和25～48小时两个阶段。其中0～24小时中包括了高温、高湿、高电压、紫外辐照和降雨环境，25～48小时中包括了高湿、高电压和盐雾环境。本试验中高湿环境覆盖了整个老化过程，并在污秽雾中去掉了硅藻土，老化过程中，每500小时取下一支绝缘子，对其进行分析和测试。

温升测试：将试样置于温度为23℃±2℃，湿度为93％±3％的环境中静置24小时，而后对试样施加交流30kv电压，采用fluketix640红外热像仪获得试样表面温度，设置红外热象仪的发射率为0.95。加压30分钟内，试样温度快速上升，而后维持稳定。定义加压120分钟时绝缘子表面温度最高点处的温度与未发热部位温度的温差为试样温升，得到图1的复合绝缘子温升随老化时间的变化图，即老化不同时间的复合绝缘子温升测试结果及指数拟合曲线，拟合曲线决定系数为0.97。结果显示，在高温、高湿以及盐雾环境中老化，复合绝缘子将会出现异常发热现象，且随着老化时间的增长，绝缘子温升也逐渐升高，温升部位集中在金具以上的护套区域。老化5000小时复合绝缘子在温度为23℃±2℃，湿度为93％±3％环境下的温升情况如图2a所示，同时对老化后的复合绝缘子在温度为23℃±2℃，湿度为30％±3％的环境下进行温升测试，温升情况如图2b所示，并未出现温升，可见该类异常发热仅在高湿环境下产生。试验获得的复合绝缘子异常发热特征与点温升所述完全一致，该类复合绝缘子异常发热现象正是由伞套材料表层吸湿后在交变电场下的介质损耗引起。

介质损耗测试：1)取绝缘子高压端第一片伞裙，从伞裙上表面截取3片直径为3cm，厚度为1.0mm±0.1mm的圆形薄片试样；2)将试样用无水乙醇擦拭，然后放入50℃电热鼓风干燥箱进行干燥，干燥时间24小时；3)使用nove-control宽频介电谱仪，对试样的介质损耗进行测试，测试在2分钟内完成，通过测试3片试样介损的平均值获得干燥试样在50hz下的介质损耗特性；4)将试样置于恒温恒湿箱中，设定温度为50℃，湿度为80％，静置24小时；5)使用nove-control宽频介电谱仪，对试样的介质损耗特性进行测试，测试在2分钟内完成，通过测试3片试样介质损耗的平均值获得吸湿后试样在50hz下的介质损耗特性。干燥和吸湿后复合绝缘子硅橡胶材料介质损耗测试结果如图3所示。对干燥试验结果进行指数拟合，决定系数为0.38；对吸湿后试样介质损耗测试结果进行指数拟合，决定系数高达0.97。结果显示随着老化时间的增长，材料吸湿后的介电损耗逐渐增大，且变化率逐渐增大；干燥试样的介质损耗表现出微弱的增长趋势。

根据图1和图3，复合绝缘子的温升测试结果和复合绝缘子吸湿后介损的测试结果，获得复合绝缘子饱和吸湿介损与复合绝缘子温升的对应关系如图4所示。对结果进行线性拟合，拟合结果的决定系数为0.97，说明复合绝缘子的饱和吸湿介损与其温升具有良好的线性对应关系，如公式(5)的对应关系。该试验结果与本实施例提出的复合绝缘子温升预测方法具有对应关系，充分说明本实施例的预测方法，能够根据模拟结果对复合绝缘子的温升现象进行预测，有助于对复合绝缘子的事故或意外事件进行预测，对指导外绝缘设备的运行和维护具有重要意义。

本实施例还提供了如下试验，对复合绝缘子的伞裙试片进行不同电晕强度条件下的测试，获取活化常数c0，具体包括：

1)在不同电晕强度条件下对复合绝缘子的伞裙试片，进行放电，该试片尺寸与上述介质损耗测试中一致，得到不同强度电晕条件后伞裙试片饱和吸湿介损，并进行指数拟合；

具体地，不同强度电晕放电后，复合绝缘子饱和吸湿后的介质损耗试验结果及其指数拟合如图5所示，步骤1)中采用单针电极模拟电晕放电，针电极作为高压电极，针尖曲率半径是0.2mm，针电极与复合绝缘子的上表面距离为1mm，针尖电压分别为3kv、4kv、6kv、7kv、8kv时，计算得到试样中心电场强度分别为8.1kv/cm、10.8kv/cm、16.2kv/cm、18.8kv/cm、21.6kv/cm。对不同电晕电场后的结果进行拟合，决定系数分别达到0.96，0.96，0.91，0.93和0.94，说明拟合结果与实验结果具有良好的一致性。

2)以参考电晕强度为10.8kv/cm，令其转换因子βe＝1.0，将步骤1)获得的不同电晕强度条件下的复合绝缘子饱和吸湿介损及指数拟合数据与参考电晕强度下的复合绝缘子饱和吸湿介损及指数拟合数据进行关联，得到不同电晕强度条件下对应的转换因子βe；

具体地，将16.2kv/cm、18.8kv/cm和21.6kv/cm电晕强度下的试验结果与参考电晕强度10.8kv/cm下的试验结果进行关联，即将试验数据的横坐标扩大βe倍，实现与参考电晕强度下的试验数据重叠。计算获得16.2kv/cm、18.8kv/cm和21.6kv/cm电晕强度下的转换因子βe分别为1.8，4.1和8.0，关联结果如图6所示。

3)将不同电晕强度下获得的转换因子βe及其对应的电晕强度倒数1/e代入公式(1)，即获得硅橡胶在电晕作用下的活化常数c0＝40.9cm/kv；

图7为不同强度电晕放电下βe的对数坐标与电晕强度倒数1/e的关系，对试验结果进行线性拟合，发现试验结果和拟合结果的决定系数达到0.84，说明复合绝缘子吸湿后的介质损耗变化满足公式(1)所示的时间-电晕电场强度等效关系，且计算获得式中的活化常数c0＝40.9cm/kv。

利用获得的活化常数c0对13.5kv/cm电晕电场作用后复合绝缘子伞裙试片的饱和吸湿介损进行预测，预测结果和试验结果如下表所示，下表为饱和吸湿介损的试验结果、预测结果及相对偏差，预测结果与试验结果的相对偏差在15％以内。说明该方法对于复合绝缘子伞裙试片的饱和吸湿介损的预测具有良好的有效性。

本发明的预测方法，能够根据模拟结果对复合绝缘子的温升现象进行预测，有助于对复合绝缘子的事故或意外事件进行预测，对指导外绝缘设备的运行和维护具有重要意义，保证输电线路的正常运行。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。