高湿环境下复合绝缘子材料劣化特性及机理

发布时间：2020-08-26 07:31

【摘要】：近年来,随着红外测温技术在输电线路巡检中的普及,大量运行于我国南方高湿地区的复合绝缘子被检测到异常发热现象。异常发热与复合绝缘子材料劣化关系密切,并可能进一步发展成为酥朽断裂。然而,目前尚不清楚复合绝缘子异常发热的主要机制及其与材料劣化的对应关系。本文重点针对复合绝缘子中的硅橡胶材料和玻璃纤维增强环氧树脂复合材料(GRP)在高湿环境下的劣化特性及机理开展研究,旨在揭示复合绝缘子材料劣化与异常发热的关系,获得复合绝缘子异常发热的发展过程,重点开展了以下几方面工作:运行复合绝缘子表现出点温升和段温升两种异常发热形式。点温升仅在高湿环境下出现,温升部位集中于绝缘子金具与第一片大伞之间的护套区域,主要热源为高压端伞套材料表层吸湿后在交变电场下的介质损耗。通过对温升部位硅橡胶材料分层介电特性的分析,提出了以硅橡胶材料饱和吸湿后介质损耗作为评价异常发热复合绝缘子伞套劣化程度的特征量,明确了高湿环境下的电晕放电是引起复合绝缘子伞套劣化的主要因素。复合绝缘子段温升由劣化的芯棒引起,其温升值较点温升更大,温升范围从高压端护套延伸至数个伞裙单元,且在高湿和低湿环境下均会出现显著温升。段温升复合绝缘子芯棒出现蚀损,具体表现为蚀孔和截面阴影两种劣化形式,借助扫描电镜(SEM)、热重(TGA)、X射线光电子能谱(XPS)、红外光谱(FTIR)等测试手段,分析了引起芯棒蚀损的化学反应过程,芯棒蚀孔主要由材料水解引起,而截面阴影则是由水解反应和放电作用共同导致。开展了考虑高湿环境、污秽、紫外辐照等因素的复合绝缘子人工老化试验,有效模拟了复合绝缘子伞套异常发热的产生与发展过程,获得了复合绝缘子伞套温升与硅橡胶材料饱和吸湿介损的对应关系。试验研究了高湿电晕放电下硅橡胶材料的饱和吸湿介损特性,借助SEM、TGA等测试手段,获得了硅橡胶材料在高湿电晕放电下表面微观形貌的变化特征,有机硅化合物和氢氧化铝的分解是引起硅橡胶材料表面孔洞的主要原因。利用Langmuir水分扩散模型研究了自由水、结合水含量随材料劣化的变化规律,发现自由水是引起硅橡胶材料吸湿后介质损耗变化的主要因素。获得了不同强度电晕放电下硅橡胶材料的饱和吸湿介损特性,建立了硅橡胶材料饱和吸湿介损的时间-电晕强度等效模型,结合复合绝缘子伞套温升与硅橡胶材料饱和吸湿介损的对应关系,提出了复合绝缘子伞套温升的预测方法。试验研究了不同湿度、温度下GRP材料的吸湿、吸水特性,发现水分沿玻璃纤维取向侵入将导致GRP材料因水解反应及物理溶出而失重,且温度越高,失重越快,提出了适用于GRP材料的Langmuir水分扩散温度修正模型。试验获得了湿热作用下GRP材料电气性能、机械性能的劣化规律,GRP材料在高湿环境下电导、极化损耗、局部放电等特性均随湿热作用时间增大,拉伸及弯曲强度随湿热作用时间经历了快速下降-平稳-下降的过程。通过SEM测试获得了湿热作用下GRP材料环氧树脂水解,玻璃纤维/环氧树脂界面失效,玻璃纤维断裂的劣化过程,上述过程将引起材料机械性能下降,并导致材料吸湿性能上升,在高湿环境下的电气性能劣化,引起GRP材料温升。在电场作用下,湿热作用导致的GRP材料微孔将使局部场强集中,诱发水树枝。水树枝在GRP材料中的生长将受到玻璃纤维的“吸引”作用,当水树枝发展至玻璃纤维/环氧树脂界面时,还将引发电树枝。进一步研究GRP材料中水树枝向电树枝的转化特性,发现在低含水量条件下水树枝更容易转化为电树枝。试验获得了 GRP材料中电树枝的生长特性,电树枝的生长受玻璃纤维“吸引”,在玻璃纤维/环氧树脂界面附近的生长模式因界面状态而异,材料中含水量的增大将使电树枝由枝状变为丛状。提出了以临界击穿场强作为表征界面状态的特征量,建立了考虑玻璃纤维/环氧树脂界面临界击穿场强的GRP材料电树枝仿真模型,获得了玻璃纤维介电常数、取向,玻璃纤维/环氧树脂界面状态对电树枝生长的影响规律,揭示了上述因素对GRP材料中电树枝生长的影响机制。玻璃纤维的介电常数决定了电树枝的生长方向,当玻璃纤维介电常数高于环氧树脂基体时,玻璃纤维对电树枝表现出“吸引”作用,反之表现为“排斥”作用;玻璃纤维较高的临界击穿场强将使电树枝无法进入而绕行发展;玻璃纤维/环氧树脂界面状态决定了电树枝在界面附近的生长模式,当界面临界击穿场强低于环氧树脂时,电树枝将在与界面区域接触后沿该区域直线式生长,电树枝生长至较高临界击穿场强的界面,将停止生长并在相邻分支形成新的电树枝生长通道。基于电树枝在GRP材料中的生长特性及机理,提出了降低玻璃纤维材料介电常数、适当减小玻璃纤维直径,适当增大玻璃纤维的表面积等材料优化设计建议。综合GRP材料在高湿环境下的劣化特性及机理,将复合绝缘子芯棒异常发热的发展分为4个阶段:1.端部界面劣化阶段,2.芯棒水解阶段,3.环氧树脂氧化阶段,4.芯棒预断裂阶段。
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM216
【图文】：

复合绝缘子,脆断

第１章绪论逡逑个别线路上，并且线路带电之后，鸟啄现裙撕裂也仅发生在局部区域，且己有厂家受大风撕裂［｜８＇｜９１。逡逑裂。复合绝缘子承受机械强度的芯棒，是以高材料制成的复合材料。在复合绝缘子的短时或很大的机械载荷，就能使复合绝缘子芯棒缘了的通常断裂。作为高分子复合材料，现为纤维的不规则断裂，并同时伴有大量纤，如图１－２所示。逡逑

红外热像图,复合绝缘子,绝缘子

教授将该类断裂现象命名为复合绝缘子酥朽断裂［３２ｊ，并认为水分侵入芯棒是引逡逑起复合绝缘子酥朽断裂的重要原因。值得一提的是，发生酥朽断裂的绝缘子有逡逑的断面出现明显碳化，呈黑色［３３］，如图１－４邋ａ）所示，有的断面未出现碳化，呈逡逑白色［３４１，如图１－４邋ｂ）所示。目前，对于复合绝缘子发生酥朽断裂的机理并不清逡逑楚，对于如何防止酥朽断裂也没有明确的方法。逡逑Yj邋ＩｌｉＪ逡逑ａ）断面碳化逦ｂ）断面未碳化逡逑ａ）邋Ｆｒａｃｔｕｒｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｗｉｔｈ邋ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ逦ｂ）邋Ｆｒａｃｔｕｒｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｗｉｔｈ邋ｎｏ邋ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ逡逑图１－４复合绝缘子酥朽断裂逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｄｅｃａｙ－ｌｉｋｅ邋ｆｒａｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ邋ｉｎｓｕｌａｔｏｒ逡逑（４）异常发热。在对复合绝缘子酥朽断裂问题的研究中，我们发现绝缘子逡逑在发生断裂前均能检测到异常发热现象［３２＇３Ｗ９］。２０１１年，在中国广西省发生一逡逑起复合绝缘子酥朽断裂事故１３８］，南方电网对全网复合绝缘子进行了红外测温检逡逑查，发现多条线路存在大量复合绝缘子异常发热现象，其中３条５００邋ｋＶ线路的逡逑异常发热复合绝缘子数量超过１０％，异常发热绝缘子的红外热像图如图１－５所逡逑示。在此之前

吸湿率,表面放电,芯棒,情况

足同标准规定的直流击穿强度，并建议适当提高芯棒生产过程中的环境温度从逡逑而抑制吸湿。检测到吸湿率分别为０．０３％和０．０６％时芯棒表面的放电情况分别逡逑如图１－８邋ａ）和１－８邋ｂ）所示。逡逑＂１７／８５／２０１３邋0－邋１７／８５／２０１３逦０逡逑８０邋１１８３０逦＿邋８８邋２５５１８逡逑ａ）吸湿率０．０３％逦ｂ）吸湿率０．０６％逡逑ａ）邋Ｍｏｉｓｔｕｒｅ邋ｃｏｎｔｅｎｔ邋ｏｆ邋０．０３％逦ｂ）邋Ｍｏｉｓｔｕｒｅ邋ｃｏｎｔｅｎｔ邋ｏｆ邋０．０６％逡逑图１－８不同吸湿率下芯棒表面放电情况逡逑Ｆｉｇ．邋１－８邋Ｓｕｒｆａｃｅ邋ｄｉｓｃｈａｒｇｅｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＣｉＲＰ邋ｃｏｒｅｓ邋ｗｉｔｈ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｍｏｉｓｔｕｒｅ邋ｃｏｎｔｅｎｔｓ逡逑丹佛大学Ｋｕｍｏｓａ等人｜ＩＱ２邋ＩＭ１也对芯棒在水分侵入ｄｊ电气特性进行ｒ测逡逑试，获得了不同基材和玻纤材料对芯棒吸湿韦及吸湿后泄露电流的影响，并发逡逑９逡逑

【参考文献】