一种高性能环氧绝缘件内部缺陷模拟系统、方法及应用与流程

1.本发明属于高压试验技术领域，尤其涉及一种高性能环氧绝缘件内部缺陷 模拟系统、方法及应用。


背景技术：

2.目前，气体绝缘组合电器(gasinsulated switchgear，gis)由于可靠性高和 占地面积小等优点，在电力系统中得到了广泛的应用。目前gis中的绝缘子大 多采用环氧树脂浇注而成，由于加工工艺问题以及运输安装不当乃至运行期间 的机械振动都有可能使绝缘子中产生裂纹或者气泡，形成绝缘子的气隙缺陷， 长期运行工况下气隙缺陷会逐渐扩大并引发gis产生局部放电，长时间的局部 放电将加速绝缘老化劣化并最终导致设备绝缘击穿，从而引发设备故障并可能 造成巨大损失，因此有效检测气隙缺陷是至关重要的。然而目前现场测量的很 多图谱与现有的典型气隙模型的图谱特征不具有相关性，无法进行有效的诊 断，甚至将其作为干扰信号而忽略，这对现场设备的安全来说是巨大的隐患。 调研发现，不同的成因可能导致固体绝缘内部气隙缺陷的类型有所差异，受制 作工艺的影响，浇注后的盆式绝缘子在固化过程中，材料不均匀的体积收缩往 往使绝缘子中出现气泡，裂缝等不同形状的缺陷，运输或安装过程中的不当的 操作也会使设备受到非正常应力作用，导致在金属与固体绝缘材料连接处出现 分层或裂纹，因此固体绝缘气隙缺陷大致可以分为绝缘子内部的气泡缺陷和绝 缘子与高压导体交界面处的气隙缺陷。
3.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前现场测量的很多图谱 与现有的典型气隙模型的图谱特征不具有相关性，无法进行有效的诊断，甚至 将其作为干扰信号而忽略，以致运检人员未能及时发现环氧绝缘件设备中可能 存在的气泡、裂纹等故障，这对现场环氧设备的安全来说是巨大的隐患。
4.解决以上问题及缺陷的难度为：通过对环氧树脂现有技术存在的问题以及 缺陷进行分析，主要的重难点在于搭建一套合理的能够模拟实际环氧树脂绝缘 件可能存在的缺陷模拟试验平台，其中与实际缺陷较为契合的缺陷模型，选择 合适的电源、电阻、电容等电路元件，以及在试验过程中信号的采集等都具有 一定难度。
5.解决以上问题及缺陷的意义为：在高压绝缘中，环氧树脂绝缘材料作为主 绝缘已经被广泛的应用于gis及gil设备中。当设备内部出现故障时，检测出 故障的类型以及原因是实际工程中亟需解决的一个问题，其中，环氧树脂绝缘 件气隙缺陷的形状尺寸等因素会对放电特征造成一定影响。考虑到目前环氧绝 缘件局部放电故障检测及诊断面临着巨大的瓶颈，现场环境复杂多变，且气隙 的成因多种多样，而检测时的参考样本库大多是实验室中获得是典型的放电图 谱，较为单一，难以满足工程需求，这可能是导致现场诊断效果不佳的关键原 因，因此设计合理的实验平台模拟实际中可能存在的缺陷，得到不同缺陷下的 实验数据，补充气隙缺陷类型，丰富缺陷数据库。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高性能环氧绝缘件内部缺陷 模拟系统、方法及应用。
7.本发明是这样实现的，一种高性能环氧绝缘件内部缺陷模拟系统包括：
8.工频交流电源模块、放电室模块、检测模块和缺陷模型；
9.所述交流电源模块与放电室模块连接，用于通过无局放试验变压器提供并 控制放电室模块内高压；
10.所述放电室模块包括放电腔体，所述放电腔体用于对缺陷模型提供实验人 员需要的高压以及放电环境，所述缺陷模型设置在放电腔体内部，所述放电腔 体与无局放试验变压器的高压端连接；
11.所述检测模块用于检测缺陷模型放电时的放电信号；
12.所述检测模块包括电容分压器、示波器及局部放电检测仪，所述示波器及 电容分压器用于实时显示电压源提供的电压，所述的局部放电检测仪用于检测 当缺陷模型发生放电时的放电信号及特征。
13.进一步，所述交流电源模块选择50kv/10kva无局放试验变压器。
14.进一步，所述无局放试验变压器通过无局放保护电阻与电容分压器、耦合 电容和放电腔体连接，所述耦合电容与局部放电检测仪连接。
15.进一步，所述放电腔体包括有机玻璃柱状腔体、设置在有机玻璃柱状腔体 顶端的高压导杆、套在高压导杆一端的高压套管、通过法兰固定在设置在有机 玻璃柱状腔体顶端的椭球形顶盖；缺陷模型设置在有机玻璃柱状腔体内部。
16.进一步，所述放电腔体侧面连接有真空泵和真空表。
17.进一步，所述缺陷模型一端与放电腔体内部的高压端连接，一端接地；所 述缺陷模型包含裂纹缺陷模型、分层缺陷模型、圆柱形空洞缺陷模型和多气泡 缺陷模型。
18.进一步，放电腔体内部可以随时替换不同缺陷模型，并调节电极间的距 离，所述放电腔体上端固定有高压套管。
19.本发明的另一目的在于提供一种环氧绝缘件内部缺陷模拟模拟方法，所述 环氧绝缘件内部缺陷模拟模拟方法包括以下步骤：
20.步骤1：仪器设备检查；首先检查放电腔体内部，清理以前做实验遗留在 腔体内部的物体；检查升压工作台，确认高压电源可以正常工作，检测局部放 电检测仪等元件，确认完好；
21.步骤2：依次对各个试验设备和装置进行接线；为保证整个实验过程的安 全应首先进行接地线的准确可靠接地，再连接高压侧；先连接主回路，再连接 测量回路；
22.步骤3：确认各连接准确无误；首先在空气中正常大气压下试验，一旦局 部放电监测界面显示局部放电信号就停止加压，并记录下此缺陷模型发生局放 的起始电压u0；
23.步骤4：当在空气中检测到一定的局部放电信号时，换成sf6气体；关闭 电源，并用接地杆进行放电；保持缺陷模型位置不变，盖好手孔盖板并将所有 螺丝拧紧，以确保腔体密封；
24.步骤5：取下真空泵接头，将真空泵接到该腔体的阀门上，启动真空泵对 该腔体抽真空直至腔体上的气体压力表指示在-0.1mpa以下；然后将sf6气体 罐的接头接到阀门上，
慢慢注入sf6气体直到气体压力表指示在0.25mpa左 右；
25.步骤6：开启电源，从零开始缓慢均匀升高实验电压，观察局部放电监测 界面，并记录放电试品的起始放电电压u0；继续缓慢加压，观察局部放电信 号，如果信号能够保持相对稳定，就用超高频检测系统采集局部放电脉冲信 号，为了放电的稳定性和获取稳定的放电发展统计数据，在稳定电压维持 10min，同时保证采集设备连续记录10s的放电数据；
26.步骤7：数据采集完毕，缓慢降压直至电压为零，关闭电源，并遵循先高 压侧，后低压侧，先测量系统，后高压系统的原则拆除系统接线；
27.步骤8：更换实验模型，重复步骤1～步骤7，直到对全部缺陷模型都进行 局部放电试验；
28.步骤9：清理、清扫试验现场，关闭所有电源，试验完毕。
29.进一步，还包括准备步骤，制作放电腔体，根据要求确定试验材料，并对 试验材料进行处理。
30.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明的 目的是针对现有的环氧绝缘件故障模拟实验系统还没有针对内部不同缺陷研究 的问题，提供一种环氧绝缘件中内部缺陷模拟实验系统,该系统能在实验室中模 拟交流条件下环氧绝缘件缺陷引发pd的情况，并获取不同的外施电压、缺陷 种类和劣化程度等对pd的影响。
31.本发明依据常见的气隙缺陷的成因，设计了3种单气隙缺陷模型与3种多 气隙缺陷模型，基于局部放电检测手段，对不同类型的气隙放电特征进行探 索，对进一步丰富缺陷数据，为现场模式识别工作提供依据。
32.本发明综合考虑了气泡、气隙缺陷的位置、尺寸等因素，更加贴近实际中 环氧绝缘件可能发生的状况，对开展不同内部缺陷情况下环氧树脂绝缘放电， 寻找最优绝缘结构设计。为了降低环氧树脂绝缘设备三支柱绝缘子表面放电触 发条件提供了帮助。
33.本发明通过设置不同的缺陷模型来模拟实际生产、运行过程中环氧绝缘件 可能出现的缺陷类型，具有更加接近实际故障的特点，同时具有较好的准确性 和响应速度。
附图说明
34.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所 需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术 的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下 还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1是本发明实施例提供的高性能环氧绝缘件内部缺陷模拟系统的结构原 理图。
36.图中：1、无局放试验变压器；2、调压台；3、无局放保护电阻；4、电容 分压器；5、耦合电容；6、高压套管；7、放电腔体；8、缺陷模型；9、局部 放电检测仪；10、示波器；11、真空泵；12、真空表。
37.图2是本发明实施例提供的裂纹缺陷模拟示意图。
38.图3是本发明实施例提供的分层缺陷示意图。
39.图4是本发明实施例提供的圆柱形空洞缺陷示意图。
40.图5是本发明实施例提供的圆锥形气隙缺陷放电图谱示意图。
41.图6是本发明实施例提供的圆柱形气隙放电图谱示意图。
42.图7是本发明实施例提供的椭球形气隙放电图谱示意图。
43.图8是本发明实施例提供的20.265kpa浇注气压下的气隙缺陷放电图谱示 意图。
44.图9是本发明实施例提供的60.795kpa浇注气压下的气隙缺陷放电图谱示 意图。
45.图10是本发明实施例提供的101.325kpa浇注气压下的气隙缺陷放电图谱 示意图。
具体实施方式
46.在高压绝缘领域，如在gis、gil等开关设备上用环氧树脂制造的套管、 支撑绝缘子、触头盒、绝缘筒和极柱等全封闭性设备，并充有大量sf6气体， 当出现故障时，检修起来比较复杂，事故后平均停电周期较长。比如应用在极 柱方面，主要是指将真空灭弧室和/或导电连接及其端子用固体绝缘材料封装组 成的独立部件。由于其固体绝缘材料主要是环氧树脂、电力硅橡胶和黏结剂 等，依次按照固封工艺把真空灭弧室的外表面从下到上将黏结剂、电力硅橡胶 及环氧树脂包封在主回路外围形成极柱。在生产过程中，极柱应保证不能造成 真空灭弧室性能降低或性能丧失，其表面应平整光滑，不应有降低电气和力学 性能的疏松、杂质、气泡或气孔，不应有裂纹等缺陷。本发明设计了两类气隙 缺陷模型，分别为绝缘子于金属导杆交界处的界面气隙缺陷模型与绝缘子内部 气泡缺陷模型。对不同类型的气隙缺陷的放电特征进行分析总结，可以补充缺 陷放电样本库；根据气隙放电发展特征参量的变化趋势，构造能够表征放电发 展阶段的特征向量，采用特征选择算法对特征向量进行优化，并基于支持向量 机，提出识别气隙放电发展阶段的诊断策略，可以实现对气隙放电严重程度的 评估。
47.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。
48.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高性能环氧绝缘件内部缺陷 模拟系统、方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
49.如图1所示，本发明实施例提供的高性能环氧绝缘件内部缺陷模拟系统包 括提供电源的无局放试验变压器1、调压台2、无局放保护电阻3、电容分压器 4以及耦合电容5、高压套管6、放电腔体7、缺陷模型8、局部放电检测仪 9、示波器10、真空泵11、真空表12。
50.所述放电腔体包括有机玻璃柱状腔体、设置在有机玻璃柱状腔体顶端的高 压导杆、套在高压导杆一端的高压套管、通过法兰固定在设置在有机玻璃柱状 腔体顶端的椭球形顶盖；人工绝缘缺陷模型设置在有机玻璃柱状腔体内部。
51.所述的无局放试验变压器为50kv/10kva；
52.所述的无局放保护电阻为15kω；
53.所述的电容分压器分压比为100000：1；
54.所述的耦合电容为1μf；
55.所述的真空计选用数字皮拉尼真空计；
56.所述的示波器选择tek-tbs2104x，100mhz带宽，最高2gs/s采样率；
57.所述的真空泵选用德国busch r5系列真空泵，通过真空泵球阀接到不锈 钢管末端，用以对腔体内抽真空。
58.所述的pd脉冲信号检测系统为htjf-2000多通道局部放电检测仪，可检 测试品电容量范围为6pf-250mf；
59.所述的放电腔体宽度为50cm、厚度为10cm、高度为60cm的圆柱体，两 端采用圆形封头结构，配合特氟龙橡胶圈实现密封，且均可自由拆卸。人工绝 缘缺陷模型设置在放电腔体内部，绝缘缺陷模型高压部分一端与高压连接，一 端与接地部分相连接；真空泵11通过橡胶软管与腔体一侧连通，同时容器内 部与真空表计12相连，实时显示放电腔体内部压力。顶端在所述的圆形顶盖 中心处设置一个孔径为15cm的通孔，所述的高压套管穿过通孔延伸至放电腔 体内部，并且在与放电腔体连接处通过法兰实现密封。接地导电杆伸出缸体的 一端通过铜蛇皮线接地，其伸入腔体内部的一端及高压导电杆伸入缸体内部的 一端均采用螺纹总长为15mm，螺距为lmm的螺纹结构与所述的绝缘缺陷电极 连接以调节电极之间的距离。
60.调压台2的输入端经导线接入220v/50hz交流电，输出端口接无局放试验 变压器1输入端；无局放试验变压器1输出端经导线与无局放保护电阻3连 接；在保护电阻3上并联电容或阻容分压器4与示波器连接；试验变压1器通 过调压台2调控给经导线连接的放电腔体7提供连续调节工频交流电压；工频 交流供压系统的输出端经导线与放电腔体7相连，导线通过高压套管6连入气 体放电室的内部的模拟绝缘缺陷；将试验电源电压加载到模拟绝缘缺陷的一 端，绝缘缺陷的另一端经接地线与大地直接相连，这样电源可供给模拟绝缘缺 陷局部放电的连续可调节的工频交流电压；所述的脉冲电流检测系统采用 iec60270并联检测法,由所述的放电腔体7的高压端引出导线连接到所述耦合 电容的高压端，耦合电容5的低压端通过导线连接所述局部放电检测仪9。pd 脉冲信号通过所述检测阻抗放大输入到数字存储示波器10中，用以监视气体 放电室中发生的pd，并记录pd脉冲信号的幅值。
61.本发明实施例提供的一种环氧绝缘件内部缺陷模拟方法包括以下步骤：
62.步骤1：仪器设备检查。首先检查放电腔体7内部，清理以前做实验遗留 在腔体内部的物体；检查调压台2，确认无局放试验变压器1可以正常工作， 检测局部放电检测仪9等元件，确认完好；
63.步骤2：按照图4所示接线图依次对各个试验设备和装置进行接线。为保 证整个实验过程的安全应首先进行接地线的准确可靠接地，再连接高压侧；先 连接主回路，再连接测量回路；
64.步骤3：确认各连接准确无误。首先在空气中正常大气压下试验，一旦局 部放电监测界面显示局部放电信号就停止加压，并记录下此缺陷模型发生局放 的起始电压u0；
65.步骤4：当在空气中检测到一定的局部放电信号时，就可以换成sf6气 体。关闭电源，并用接地杆进行放电。保持缺陷模型位置不变，盖好手孔盖板 并将所有螺丝拧紧，以确保腔体密封；
66.步骤5：取下真空泵接头，将真空泵接到该腔体的阀门上，启动真空泵对 该腔体抽真空直至腔体上的气体压力表指示在-0.1mpa以下。然后将sf6气体 罐的接头接到阀门上，慢慢注入sf6气体直到气体压力表指示在0.25mpa左 右；
67.步骤6：开启电源，从零开始缓慢均匀升高实验电压，注意观察局部放电 监测界面，并记录放电试品的起始放电电压u0；继续缓慢加压，观察局部放 电信号，如果信号能够保持相对稳定，就用超高频检测系统采集局部放电脉冲 信号，为了放电的稳定性和获取稳
定的放电发展统计数据，在稳定电压维持 10min，同时保证采集设备连续记录10s的放电数据。
68.步骤7：数据采集完毕，缓慢降压直至电压为零，关闭电源，并遵循先高 压侧，后低压侧，先测量系统，后高压系统的原则拆除系统接线；
69.步骤8：更换实验模型，重复步骤1～步骤7，直到对全部缺陷模型都进行 局部放电试验。
70.步骤9：清理、清扫试验现场，关闭所有电源，试验完毕。
71.本发明实施例还包括缺陷模型的制备；在三支柱绝缘子浇注过程中人为制 造绝缘件内部浇注气隙及气泡，制造高电位气隙缺陷10个，低电位气隙缺陷 10个，气泡缺陷10个。可模拟缺陷的方法如下：
72.步骤1：单个气隙缺陷的模拟
73.设计了3种不同形状单个气隙缺陷模型来模拟绝缘子和高压导杆交界位置 的单个气隙缺陷，分别用圆锥形气隙缺陷来模拟裂缝缺陷，用半椭球形气隙缺 陷来模拟分层缺陷，用圆柱形气隙来模拟圆柱形空洞缺陷，3种模型的示意图 分别如图1、图2、图3所示。试验模型主要包括上下两平板电极，环氧树脂 绝缘材料以及存在于绝缘材料内部的气隙缺陷，为保证气隙缺陷形状，先用环 氧树脂浇注成块，切割成薄片状，再在环氧树脂片上加工出固定的缺陷形状， 最后用同种环氧树脂将电极以及带有缺陷的环氧树脂片浇注在一起，从而避免 其他类型的放电，并且为了避免气压对气隙放电的影响，3种单气隙模型在相 同气压下浇注成型。所采用的模型虽与盆式绝缘子尺寸相差较大，但两者内部 气隙缺陷产生局部放电的机理是一致的，放电特性也是等效的。
74.步骤2：多气泡缺陷的模拟
75.当前环氧树脂浇注绝缘产品通常采用真空浇注成型技术，其目的是在浇注 的过程中，去除环氧树脂中的气隙以及气泡，从而保证产品质量，因此除去其 他因素，可以认为与浇注制品内部气泡的数量和气泡的大小与浇注真空度有 关。为了获得包含不同大小和不同数量气泡的气隙模型，本发明采用控制真空 度的方法进行试品制备。在正常大气压与真空之间选取了101.325kpa(标准大 气压p0)、60.795kpa(0.6p0)和20.265kpa(0.2p0)这3个气压等级，获得 了3种气隙模型。为确定每种模型中气泡的大小，取模型切片在显微镜下进行 测量，测量结果如表1所示。总体来说，从气泡数量上来说，多气泡1《多气 泡2《多气泡3，从气泡大小上来说，同样多气泡1《多气泡2《多气泡3。
76.表1多气泡模型的浇注情况
[0077][0078]
下面结合测试对本发明的技术效果作详细的描述。
[0079]
1、圆锥形气隙缺陷
[0080]
放电特性试验中采用设备采集13.5kv下圆锥形气隙的局部放电数据，图5 为经处理后展示出的圆锥形气隙放电的典型放电图谱。
[0081]
从prpd图谱上看，圆锥形气隙放电主要分布在工频负半周上升沿处，正 半周分布放电数极少，负半周放电点簇的形状呈“双层蝶翼”状，下层放电重复 率较高，形状特征较为明显。结合图谱从相位上看，放电脉冲主要集中在 180
°
～270
°
，且在200
°
附近放电重复率最高，即“蝶翼”中心处放电点较为集中。
[0082]
2、圆柱形气隙
[0083]
图6为经处理后展示出的圆柱形气隙放电的典型放电图谱。从prpd图谱 上看，圆柱形气隙产生的局放脉冲主要发生在工频周期的正半周上升沿处以及 整个负半周，即其相位主要分布在0
°
～90
°
和180
°
～360
°
。处于正半周的放电点 簇呈现出“翼”状，负半周放电点簇分布呈“拱桥”状，且负半周的脉冲数量远多 余于正半周。结合图谱看，可以发现，放电点在270
°
附近最为集中，即主 要分布在“拱桥”的顶部。
[0084]
3、椭球形气隙
[0085]
图7为椭球形气隙放电的典型图谱。从prpd图谱上看，椭球形气隙放电 主要分布在工频负半周，负半周放电簇的以270
°
为轴，呈不对称“双层拱门”状 分布，轴(270
°
)左侧点数多于轴右侧点数，且下层“拱门”的放电点数远远多于 上层，且随着时间的发展，上层点簇弯曲度逐渐减小，且点数也逐渐减少。结 合图谱可以发现，放电相位主要分布在180
°
～360
°
范围内，且在225
°
附近 放电最为集中。
[0086]
4、20.265kpa浇注气压下的气隙缺陷
[0087]
图8为环氧浇注气压为20.265kpa的典型图谱，相比于其他两个浇注气 压，该浇注气压下，环氧固化后内部形成的气泡数量较少，气泡尺寸也较小。 此气隙模型的放电特征，从prpd图谱上看可以发现，放电分布在工频周期正 负半周，且分布相对比较对称，且在正负周期上升沿处呈现出分层簇状特征， 结合图谱可以发现，放电相位主要分布在0～135
°
和180～315
°
范围内，其 中25
°
和205
°
附近放电次数最多，之后逐渐减少。
[0088]
5、60.795kpa浇注气压下的气隙缺陷
[0089]
图9为环氧浇注气压为60.795kpa的典型图谱，此气隙模型的放电特征， 从prpd图谱上看可以发现，其分布特征与20.265kpa下的缺陷样品相似，在 工频电压下，放电脉冲在正负半周上升沿均呈现出分层簇状特征，结合图 谱可以发现，放电脉冲的相位主要在0～135
°
和180～315
°
，其中25
°
和200
°
附近 放电最为集中，且负半周内放电脉冲数明显多于正半周。
[0090]
6、101.325kpa浇注气压下的气隙缺陷
[0091]
图10为环氧浇注气压为101.325kpa的典型图谱，相比于其他两个浇注气 压，该浇注气压下，环氧固化后内部产生的气泡数量较多，气泡尺寸也最大。 如图8的prpd图所示，在外施工频50kv电压下，101.325kpa浇注气压下的 气隙缺陷在正负半周均存在放电脉冲，分布较为相似，且在正负周期上升沿处 呈现出单支簇状特征，结合图谱可以发现，放电脉冲的相位主要为0
°ꢀ
～135
°
和180
°
～315
°
，其中65
°
和200
°
附近放电重复率最高。
[0092]
根据实验获得的气隙放电典型图谱，可以发现气隙放电不仅仅有一种形 式，不同
类型的气隙缺陷的放电特性存在明显差异。
[0093]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明 的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的 保护范围之内。