高低湿环境下酥朽复合绝缘子短样温升与热源仿真分析
时间：2023-04-25 10:05:05 来源：千叶帆 本文已影响人
侯思祖，钟 正，黄齐林，刘云鹏，耿江海
(1.河北省电力网联网技术重点实验室(华北电力大学)，河北 保定 071003；
2.河北省输变电安全防御重点实验室(华北电力大学)，河北 保定 071003)
复合绝缘子由于其重量轻、抗污闪性能好、维护成本低等优点，已广泛应用于超特高压输电线路，据不完全统计110 kV以上输电线路复合绝缘子数量已超过1 000万支[1-3]。但长期受复杂运行环境条件的影响，复合绝缘子出现伞套老化、护套-芯棒界面脱粘、芯棒酥朽等缺陷。以上缺陷在一定环境条件下均会引起复合绝缘子不同程度的温升[4-6]，而红外检测方法是检测劣化复合绝缘子的有效手段[7-9]。
通过研究线路异常发热绝缘子，表明复合绝缘子存在难以直观检测的隐蔽性缺陷时，通过红外仪观察绝缘子表面温度分布情况，有助于复合绝缘子内部隐蔽性缺陷的早期检测[10-12]。Da Costa等人也通过红外热像手段，发现护套芯棒界面以及表面污秽对其温升有明显影响[13-15]。文献[16-19]则用其他测量手段发现护套、芯棒损坏，绝缘子吸湿后都会有劣化以及异常发热现象产生。上述文献表明，复合绝缘子的劣化情况多种多样，但目前关于不同湿度下复合绝缘子异常发热现象及其热源分析的相关文献还较少。
针对以上问题，本文基于有限元法分别仿真计算了高湿(95%RH)环境和低湿(35%RH)环境下复合绝缘子典型短试样护套及芯棒的温升特性并分析了相应情况下引起温升的主要热源。进一步通过试验结果与仿真结果对比，验证了仿真模型的合理性和结果的正确性。本文研究结论对揭示不同劣化状态或缺陷类型下复合绝缘子温升特性及机理具有指导意义和重要参考价值。
本文酥朽劣化复合绝缘子来自某500 kV交流线路，该支复合绝缘子运行时间10年，伞裙老化发硬，失去韧性，高压端附近护套大面积粉化脱落。通过观察护套脱落区域裸露出的芯棒可以看出，该部分芯棒质地变酥、形如枯木，由此可见高压端附近芯棒已发生严重酥朽劣化。酥朽复合绝缘子外观如图1所示。
图1 酥朽复合绝缘子外观Fig.1 The decay-like composite insulator
为了定量分析不同劣化部位对复合绝缘子温升热源的影响，本文从酥朽复合绝缘子试品的劣化段和非劣化段分别截取两段长50mm的典型短试样，将其编号为#1和#2，其中芯棒直径30mm，护套厚度3mm，如图2所示。
图2 两段短试样截取位置示意图Fig.2 Diagram of the interception position of two short specimens
#1试样为酥朽劣化试样，护套表面存在电蚀痕迹且局部开裂，开裂处附近护套粉化，芯棒酥朽侧的芯棒-护套界面脱粘，芯棒酥朽区域约占整段芯棒的一半且贯穿试样两端。#2试样仅护套表面老化颜色发暗，韧性下降，但芯棒及芯棒-护套界面未出现明显劣化痕迹。
针对复合绝缘子典型短试样，本文利用Comsol仿真软件，建立三维模型，比较分析了高低湿环境下两段短试样的温升以及电流密度分布情况。
2.1 模型尺寸及参数
三维模型主要由高压电极，地电极和短样试品三部分构成，如图3所示。其中高压电极和地电极均为直径80mm，厚10mm的纯铜材料，护套为厚3mm的硅橡胶，芯棒为直径30mm的玻璃纤维增强环氧树脂。
图3 模型示意图Fig.3 Model diagram
根据#1试样护套老化，芯棒-护套界面脱粘，芯棒酥朽的特征建立模型1，根据#2试样仅护套表层老化，芯棒-护套界面及芯棒自身无劣化痕迹的特征建立模型2。
本文通过各材料相对介电常数和介损因数的变化表征材料的老化状态，同时高湿环境下，老化部分的护套和芯棒存在吸湿现象，因而高低湿环境下老化部分的材料参数也需分别讨论[20]。由于酥朽复合绝缘子短样护套及芯棒材料老化时间均在10年左右，因此选择材料老化10年的参数值表征干燥环境下老化后的材料参数，两种老化状态下的短试样模型示意图如图4所示。
图4 两种老化模型示意图Fig.4 Schematic diagram of two aging models
(1)新试样(对照组)：取同厂家同型号的新绝缘子检测其护套和芯棒材料的相对介电常数和介损因数，同时新材料在高湿环境下几乎不吸湿，因此不同湿度下新试样 材料参数相同。
(2)模型1：假设该模型护套及芯棒各处劣化程度相同，护套老化、芯棒酥朽后两种材料对应的相对介电常数和介损因数较新试样均有所增大，并且高湿环境下由于材料吸湿，水分子作为极性分子侵入材料内部后进一步加大材料的相对介电常数和介损因数。同时，芯棒-护套脱粘使得界面处存在气隙，本文通过在界面处设置0.1mm的空气间隙表征界面脱粘。
(3)模型2：研究表明正常情况下老化时间为10年的复合绝缘子护套通常仅表层0.6mm厚的硅橡胶发生明显劣化，内部护套材料参数较新试样变化不明显[21]。因此本文将模型2中护套表面0.6mm的部分设置为老化层，其余部分与新试样参数一致。高湿环境下，仅护套表面老化层发生吸湿，相对介电常数和介损因数增大。
通过介电常数测试仪和介损测试仪对新试样、干燥下的老化试样以及高湿环境吸湿后的老化试样各部分材料进行测试，参数如表1所示。
表1 仿真模型材料参数Tab.1 Material parameters of simulation model
2.2 传热方式
传递热量主要是依靠3种方式：热传导、热对流和热辐射。
热传导是一种建立在组成物质的基本微观粒子随机运动基础上的扩散行为，是与直接接触有关的传热方式。其热流密度公式为
(1)
其中，q为热传导热流密度，单位是W/m2,λ是导热系数，反应材料导热能力的大小，单位是W/(m×K)。dt/dx为温度梯度，单位为K/m。
热对流是指在有温差的条件下，伴随流体的宏观移动发生的因冷热流体互相掺混导致的热量迁移，主要发生在具有不同温度的流体和固体表面之间。其热流速率公式为
q=h(Tw-Tf)
(2)
其中，h是表面传热系数，反应材料导热能力的大小，单位是W/(m2×K),Twω和Tf分别表示表面温度和环境温度。
热辐射是指物体向外发射辐射能量的过程，任何温度高于0K的物体均具有一定的这种发射能力，是一种非接触的传热方式。由于热辐射相对热传导和热对流来说，数值较小，影响程度低，所以本文不考虑热辐射对温升的影响[21]。
考虑到500kV复合绝缘子运行最大场强为3.4kV/cm[21]，因此本文在高压电极施加9kV工频电压，采用电热耦合模块计算不同时间试品的温度分布及电流情况。
3.1 护套老化对温升的影响
假设初始时刻环境温度与试样温度均为25℃，则新试样在60min温升稳定后的温度分布情况如图5所示。
图5 新试样温度分布图(t=60min)Fig.5 Temperature distribution of new sample(t=60min)
从图5可以看出，新试样表面最大温升0.01℃，内部最大温升0.012℃，整体几乎无温升。进一步提取t=0min,15min,30min,45min,60min时刻新试样从中心到外表面沿径向轴线的温度分布曲线，以及电流密度分布情况，如图6、图7所示。
图6 新试样温升曲线图Fig.6 Temperature rise curve of new sample
图7 新试样电流密度Fig.7 Current density of new sample
从图6、图7可以看出，t=15min时护套温度高于芯棒温度。而t=60min时，芯棒温度则高于护套温度。且护套部分的电流密度为3.84×10-3A/m2，高于芯棒内部的电流密度3.76×10-3A/m2。由此可见，对于未发生老化的新试样，泄漏电流主要经护套表面和内部流出，该部分泄漏电流引起的护套温升为试样温升的主要热源。起初由护套表面泄漏电流引起温升，随着时间变化，护套同时向芯棒内部进行热传递并与周围空气进行对流散热，所以出现护套温度高于芯棒而后芯棒温度高于护套的现象。同时，新试样泄漏电流较小，温升功率较低，引起的温升现象不明显。
当复合绝缘子运行10年后，护套表层老化，护套老化试样在60min温升稳定后的温度分布情况如图8所示。
图8 护套老化试样温度分布图(t=60min)Fig.8 Temperature distribution of sheath aging sample(t=60min)
如图8所示，相较于新试样，护套老化试样温升略有提高，试样表面最大温升0.016℃，内部最大温升0.024℃，但依旧不太明显。进一步提取t=0min,15min,30min,45min,60min时刻护套老化试样从中心到外表面沿径向轴线的温度分布曲线，以及电流密度分布情况，如图9、图10所示。
图9 护套老化试样温升曲线图Fig.9 Temperature rise curve of sheath aging sample
图10 护套老化试样电流密度Fig.10 Current density of heath aging sample
从图9、图10可以看出，t=15min时护套温度略高于芯棒温度。而t=60min时，芯棒温度则高于护套温度。且护套部分的电流密度为4.29×10-3A/m2，高于芯棒内部的电流密度3.76×10-3A/m2。由此可见，对于护套老化试样，泄漏电流主要从护套老化层流出，护套老化层引起的温升为试样温升的热源。起初由护套表面老化层泄漏电流引起温升，护套温度高于芯棒，随着时间变化，护套同时向芯棒内部进行热传递并与周围空气进行对流散热，温升稳定后芯棒温度高于护套老化层温度。且由于护套表层老化，泄漏电流增大，温升功率较新试样略有提高，但提高并不明显。
通过上述分析可知，护套劣化会导致绝缘子温升增加，但变化不大。新试样与护套老化试样的热源均为护套部分，温度由护套部分向芯棒内部传递。
3.2 芯棒酥朽对温升的影响
对于酥朽试样，芯棒酥朽，芯棒-护套界面脱粘，其在60min温升稳定后的温度分布情况如图11所示。
图11 酥朽试样温度分布图(t=60min)Fig.11 Temperature distribution diagram of crisp sample(t=60min)
与护套老化试样对比可发现，酥朽试样的发热现象较护套老化试样更加明显，试样表面最大温升1.916℃，内部最大温升5.406℃，较护套老化试样温升有明显提高。进一步提取t=0min,15min,30min,45min,60min时刻酥朽试样从中心到外表面沿径向轴线的温度分布曲线，以及电流密度分布情况，如图12、图13所示。
图12 酥朽试样温升曲线图Fig.12 Temperature rise curve of crisp sample
图13 酥朽试样电流密度Fig.13 Current density of brittle sample
从图12、图13可以看出，任意时刻芯棒温度均明显高于护套温度，且芯棒部分的电流密度为0.055A/m2，高于护套部分的电流密度0.002A/m2。由此可见，对于酥朽试样，泄漏电流主要从酥朽芯棒内部以及芯棒-护套界面处流出，芯棒酥朽引起的温升为试样温升的热源。起初由酥朽芯棒部分的泄漏电流引起温升，热量从芯棒内部通过热传递向外扩散，由于芯棒散热难于护套表面，随着时间，芯棒内部热量集聚，温升进一步升高。由于芯棒酥朽，绝缘劣化，泄漏电流明显增大，温升功率较护套老化试样明显提高，温升增大。
通过对比酥朽试样和护套老化试样的温升情况可以看出，内绝缘劣化，即芯棒劣化或芯棒-护套界面粘接不良，所引起的复合绝缘子温升比外绝缘劣化所引起的温升程度要高，温升现象更加明显。
3.3 高湿环境对温升的影响
高湿(95%RH)环境下，复合绝缘子短试样护套及芯棒材料存在吸湿过程，随着材料劣化程度加重，吸湿量增大。吸湿后材料的相对介电常数和介损角正切均发生较大变化，进而影响试样的温升，高湿环境下护套老化试样和酥朽试样的温度分布情况如图14和图15所示。
图14 高湿环境下护套老化试样温度分布图(t=60 min)Fig.14 Temperature distribution diagram of sheath aging sample in high humidity environment(t=60 min)
图15 高湿环境下酥朽试样温度分布图(t=60min)Fig.15 Temperature distribution of crisp sample in high humidity environment(t=60 min)
由图14、图15可以看出，高湿环境较低湿环境下护套老化试样和酥朽试样温升更加明显，护套老化试样表面最大温升3.119℃，内部最大温升5.891℃，酥朽试样表面最大温升61.126℃，内部最大温升146.71℃。进一步分析护套老化试样和酥朽试样的电流密度分布情况，如图16、图17所示。
图16 高湿环境下护套老化试样电流密度Fig.16 Current density of sheath aging sample in high humidity environment
图17 芯棒劣化吸湿电流密度分布图Fig.17 Distribution diagram of moisture absorption current density of mandrel deterioration
从图16、图17中可以看出，高湿环境下，护套老化试样吸湿后，温升相较于低湿环境下有一定升高。但温升热源与未吸湿试样相同，都是护套老化层。同时，高湿环境下护套老化层电流密度达到0.08A/m2，电流密度有明显增大。对于酥朽试样，高湿环境下试样温升急剧上升，与低湿环境下对比，表面最大温升提高超过30倍。对其电流密度大小进行分析可知，电流密度最大值出现的位置为芯棒-护套界面处，其电流密度达到6.025A/m2，为低湿环境下的近百倍。由此可见，水分子作为极性分子，其通过劣化材料侵入复合绝缘子内部后，在交变电场作用下，水分产生的极化损耗大大提高了复合绝缘子的温升程度。尤其对于酥朽复合绝缘子，水分经过老化的硅橡胶护套进入芯棒-护套界面处，并在此积聚，不仅畸变了该处的电场，同时也产生极化损耗，使得高湿环境下酥朽复合绝缘子温升现象异常明显。
综上所述，(1)低湿环境下，护套老化试样温升不明显，温升热源为劣化护套部分；
而酥朽试样温升相对明显，温升热源为酥朽芯棒。(2)高湿环境下，护套老化试样温升有所提高，温升热源依旧为劣化护套部分；
而酥朽试样温升显著提高，芯棒-护套界面处的水分和吸湿后的酥朽芯棒共同作为温升热源。各试样温升及热源如表2所示。
表2 各试样温升及热源Tab.2 Temperature rise and heat source of each sample
本文搭建人工气候室对第1节中#1和#2短试样开展红外温升试验，试验布置如图18所示。试样与电极系统放置在简易气候室内，气候室尺寸为1.5m×1.5m×1.5m，通过超声加湿器控制气候室内的湿度在95%以内变化。试验在室内进行，试验期间环境温度在±1℃以内变化。试验电源采用HY-AC20型工频电源，试验电压与仿真施加电压相同为9 kV。
图18 实验平台示意图Fig.18 Schematic diagram of experimental platform
采用FLIR E60型红外成像仪记录试样60min温升稳定后的温升情况，高低湿环境下两试样温升情况如图19所示。
图19 高低湿环境下两试样温升情况Fig.19 Temperature rise of two samples in high and low humidity
由图19可知，高湿环境下试样温升高于低湿环境。相同环境条件下，#1试样温升现象较#2试样更加明显。由此可知，在输电线路红外巡检过程中，当环境湿度较高时，有利于提高酥朽劣化复合绝缘子的检出率。通过对比仿真计算值与试验值，如表3所示，误差均在±5%以内，验证了仿真模型的合理性和计算结果的正确性。分析误差来源为仿真过程中未考虑空气流动及流速变化，同时试验测量过程中存在测量误差。本文结论对揭示不同劣化状态或缺陷类型下复合绝缘子温升特性及机理具有指导意义和重要参考价值。
表3 高低湿环境下各试样温升计算值与试验值对比Tab.3 Comparison between calculated and test values in high and low humidity
(1)相同环境条件下，护套老化试样的温升小于酥朽试样。低湿环境下，护套老化试样温升热源为护套老化层，酥朽试样温升热源为芯棒酥朽部分；
高湿环境下，护套老化试样温升热源不变，而酥朽试样温升热源为芯棒-护套界面处的水分以及芯棒酥朽部分。
(2)随环境湿度增大，各试样电流密度增大，同时水分侵入引起的介质极化损耗增大，试样温升增大。
(3)通过对比仿真计算值与试验值，误差均在±5%以内，验证了仿真模型的合理性和计算结果的正确性。本文结论对揭示不同劣化状态或缺陷类型下复合绝缘子温升特性及机理具有指导意义和重要参考价值。
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