在役绝缘子失效特征和无损检测.docVIP

在役绝缘子失效特征与无损检测 丁杰 李晓红 陈汉明 （武汉大学 动力与机械学院，湖北 武汉 430072） 摘 要：在电网各个环境中运行的不同种类的绝缘子，长期服役后都会不同程度地产生失效导致故障事故的发生，对电网可靠性带来了极大地潜在威胁。研究绝缘子的失效特征对于指导绝缘子安全检测具有十分重要的意义。本文基于在役绝缘子种类繁多和结构复杂的特点分析绝缘子失效特征和损伤部位，提出了利用无损检测技术检测绝缘子损伤缺陷的方法。 关键词：绝缘子 失效特征 损伤部位 在役无损检测 绝缘子作为电网中用量庞大的零部件，其质量直接关系着电网的安全运行。在役绝缘子由于长期处于运行高压的作业下，又受露天环境的侵蚀，因而不可避免地产生失效。国内外电网中由于绝缘子失效而产生的绝缘子脆断或击穿事故时有发生，已经造成了严重的经济损失[1，2，3 ]。本文针对在役绝缘子种类繁多和结构复杂的特点，分析了各类绝缘子失效的特征及其部位，研究了相应的无损检测方法，在实践中取得了良好的效果。 1 绝缘子的种类及其失效特征 目前在役运行的绝缘子，按材质分为陶瓷绝缘子、合成绝缘子和玻璃绝缘子等三种；按照用途分为变电所绝缘子和线路绝缘子[4]。各类在役绝缘子无损检测的效果，不仅与检测的方法有关，更与在役绝缘子失效的特征及部位关系密切。 1.1 瓷绝缘子结构和失效特征 变电所中使用的支柱瓷绝缘子主要有竖直放立和横担放置等两种挂网形式，由于放置高度适中，故此类绝缘子的无损检测研究较多。图1为支柱绝缘子结构简图，瓷瓶上端通过铸铁法兰与母线引下线电缆连接，下端通过铸铁法兰与固定支架连接。 1－铸铁法兰 2－伞群 3－易产生裂纹区 4－胶装水泥 图1 支柱瓷绝缘子结构与失效部位示意图 支柱瓷绝缘子底部铸铁法兰与邻近伞群之间因坡度角θ不同而存在三种不同的形状结构（图4）。θ在0°到20°之间变化，在θ＝0°的特殊情况下，该处结构为圆柱型。 据统计[3]，支柱瓷绝缘子断裂事故中约95%以上的断裂区域位于铸铁法兰口内3mm到临近伞裙之间。因此，铸铁法兰外露10mm至内深20mm的区域是无损检测的重点区域。 1.2 合成绝缘子的结构与失效特征 合成绝缘子的基本结构见图2，内部芯棒由树脂浸渍的几万根玻璃纤维构成，以保证芯棒有足够高的机械强度，但芯棒的耐大气老化性能相对较弱；芯棒外部的护套和伞裙一般由硅橡胶材料制成。护套包覆的芯棒外表面，一方面提供良好的外绝缘性能，另一方面保护芯棒免受大气侵蚀。 1－金具 2－芯棒 3－护套 4－伞群 图2 合成绝缘子结构示意图 合成绝缘子上网运行后，芯棒脆断是较大的危害[5，6，7]。护套与芯棒之间界面的密封性能下降，层间产生气隙，进一步侵蚀芯棒，导致芯棒脆断。因此，合成绝缘子的伞裙与护套、护套与芯棒之间的密封性（气隙）是检测的重点。 2 绝缘子的超声检测方法 绝缘子的材料绝缘特性决定其不适合涡流和磁粉这两种电磁检测的方法。液体渗透法可以检测瓷瓶釉面上的表面裂纹[8]，但瓷绝缘子铸铁法兰口处常存在不可去除的沙粒，故渗透法的检测效果很差。由1.2中合成绝缘子的失效部位可知，渗透法亦不适合其检测。用超声波方法对在役绝缘子检测，不仅成本低、效率高、对人体和环境无危害，更大的优势在于对裂纹敏感，检测灵敏度高。 2.1 瓷绝缘子的超声检测 由1.1讨论可知，瓷瓶与铸铁法兰的结合处是支柱绝缘子无损检测的重点部位。但该部位的形状差异大，利用超声波进行检测时，必须要考虑探头的结构与K值，超声波检测的波型对绝缘子结构的适应性以及检测的灵敏度的影响，否则裂纹的检出率非常低。 2.1.1 超声波探头的结构 铸铁法兰和邻近伞群之间的柱面（或台面）是超声检测的探测面。但绝缘子的柱面高度仅在30～70mm之间不等，探头在探测面上移动的范围特别窄，所以一般结构的探头不适合。 用于在役瓷绝缘子检测的探头，其前沿和后沿的尺寸应尽可能短，最好控制在5mm以下；探头电缆线应采用顶部引出形式，以保证探头有足够的移动空间。检测曲率大的瓷瓶，还需考虑将探头磨成与瓷瓶相同的曲率，以减小曲面的耦合损失。 2.1.2 超声波斜探头的K值 探头发射的超声波应全面扫查危险区域，并尽量使声束与裂纹垂直入射，以提高裂纹检出率。利用斜探头探伤，探头K值的选择至关重要。若K值合适，尽管探头移动的距离有限，超声波声束仍可扫查到整个检测范围。 通过研究，斜探头K值的选择应按照以下原则：当探头贴近邻近伞群时，至少要扫查到铸铁法兰以上高10mm的水平面；而探头靠近铸铁法兰时，须能扫查到铸铁法兰下深20mm的水平面。经计算可得，当扫查圆柱型绝缘子时，探头的K值取值范围： (20+a) / D ≤ k≤ (H-10+b) / D （1） 式中：D－伞