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中压环氧绝缘户外设备运行 状态的预测研究

April 19, 2017 • HV/HP Testing / 高压/高能试验, 最近文章汇总

凭借其硬度,聚合物材料中的环氧家族在户外绝缘领 域中占据独特的位置。例如,这种特性意味着它不能 像硅橡胶一样被归类为弹性材料,但却可以充当承载 负荷的部件,因此不需要玻璃纤维芯棒(无论是芯棒 还是芯管),而玻璃纤维芯棒是复合线路和复合设备 绝缘子不可缺少的组成部分。
  这带来了一个问题:为复合护套绝缘子和设备制定的 实验和标准能否适用于环氧绝缘设备?如果不能,又 该如何评价环氧绝缘设备?由于环氧绝缘设备被广泛 应用于诸如下列的中压中:母线支撑绝缘子,外壳保 护设备(如真空重合器,分段隔离开关),熔断器,仪 表变压器(电站内电压电流测量装置),套管,针式以 及支柱绝缘子等,当然亟需上述问题的答案。
  的确,在国际大电网会议(CIGRE)内部,它们一直被 称为“结构聚合物”,以与其它的线路和设备绝缘子的 护套材料区别开,这种表述能否被技术行业接受还有 待观察。
  环氧绝缘设备具有优于陶瓷的诸多优点。环氧绝缘设 备重量更轻,是非脆性材料,意味着更易安装,不会碎 裂或断裂。它们也可以被浇注成型为各种形状。由于 同一种材料具有承担电气和机械双重负荷的功能,环 氧绝缘设备消除了交界面这一重要的环节,而交界面 可能不仅是生产中也是运行中的问题根源。此外,环 氧绝缘设备也不需要使用油,以及显然与此相关的维 护问题。甚至能以任意方向悬挂环氧绝缘设备,这在 净安装空间十分紧张的地方是优势。
  但是,环氧材料必须不仅像复合绝缘子一样能够耐受 各种严酷自然环境的考验,而且也必须耐受因材料内 部活性组分的存在而产生的任何内部电应力,才能实 现上述所有潜在的优势。  
目前,多数用于室外设备的环氧材料是脂环化合物 (CEP)类,而不是用于制造玻璃纤维实芯棒和空心管的 双酚类。CEP的特点是饱和的分子结构,因而具有更强 的抗漏电起痕与电腐蚀性能。这种特殊特性在双酚环 氧树脂中则较为逊色,即便双酚环氧树脂拥有非常优 良的机械与电性能也是如此。  
创新也正在涌现。几年前引用了憎水脂环环氧化合物 (HCEP),也一直在研发适用性灵活的各种HCEP,用于 复合绝缘子的伞裙。而现在另一种创新应用也面世 了,即可以将导线直接连接到铁塔的环氧绝缘横担。  
在没有环氧树脂标准测试方法的情况下,可以综合使 用下列方法解决有关环氧树脂预期运行效果的问题: 实验室以及现场测试、计算机创建闪络和劣化模型以 及统计分析。这是本文的目标所在。本文总结了ABB 美国公司和美国亚利桑那州立大学Ravi Gorur教授近 年来共同研究的成果。
  使用复合材料的户外绝缘有两种主要故障模式:其中 一种是漏电起痕和电蚀损造成表面劣化,另一种是表 面污秽造成闪络,使设备无法继续支撑系统电压。本 项目主要研究中压设备变压器,但也涉及对绝缘子的 评定。
  实验内容
在实验室中,依据ASTM D2303/IEC 587进行斜面法 实验,确定耐电蚀损与漏电起痕性能。实验采用与最 终产品材料相同的长方形环氧板。使用盐雾法在实验 室中评定闪络特性。采用了已经在IEEE上发表的以前 项目中建立的理论模型,扩大预测范围。 此外,为了更好地将实验结果与实际环境下的运行状 况相关联,建立了两座新的户外实验站,一座位于亚 利桑那州立大学工程研究中心的屋顶上,另一座在位 于北卡罗莱纳州Pinetops的ABB公司内。选择这两个 地点主要是不仅便于研究,而且也涵盖了对复合-绝 缘设备很重要的大部分环境条件,比如,亚利桑那州 的实验站夏季炎热漫长,从总的年紫外线辐射来看, 属于最严酷的地区之一。Pinetops实验站全年高湿 度,气候相对温和,是许多运行区域的典型代表。  
每个实验站安装了8支全新样品。实验电压15 kV(相 当于25 kV系统电压),等于2倍于额 定工作电压。这一过电压提供了加速 因子,加速了劣化过程,对于促进样品 绝缘子即使在一个相对干净的环境中 仍能在合理时间内出现劣化是必不可 少的。  
图一:(a)位于美国Pinetops户外实验站(b)北卡罗莱纳亚利桑达州立大学 Tempe校园户外实验站(c)南非开普敦KIPTS户外实验站。 环氧绝缘 中压环氧绝缘户外设备运行 状态的预测研究 Fig12

图一:(a)位于美国Pinetops户外实验站(b)北卡罗莱纳亚利桑达州立大学 Tempe校园户外实验站(c)南非开普敦KIPTS户外实验站。

  ABB公司通常会把所有新产品在南 非的Koeberg绝缘子污秽实验站 (KIPTS)进行至少一年的实验。该实验 站离海很近,是世界上污染最严重的 实验站之一(既有海洋污秽也有工业 污秽)。事实上,KIPTS实验站的污秽 级别极高,依据IEC 60815的标准将归 类为‘非常重度’。本项目采用的几个 样品曾在KIPTS进行过为期一年的实 验,两个实验站均配备有泄漏电流监 测仪器。实验站的图片如图一所示, 重要的天气数据列于表1。   环氧绝缘 中压环氧绝缘户外设备运行 状态的预测研究 Table12   本项目还从芬兰和挪威运行高达20年 的绝缘设备中取样。关于20年运行寿 命期间,预期的物理和化学变化程度, 这些样品提供了至关重要的信息。  
实验结果分析
表2列出了项目中各种样品的评定结 果,样品均是大小伞裙交替。   环氧绝缘 中压环氧绝缘户外设备运行 状态的预测研究 Table21   风化造成了所有现场老化的样品表面 粗糙,图二展示了一支针式绝缘子样 品的顶部和底部伞裙,该绝缘子在北 欧运行了约20年,值得一提的是,图 中垂直安装的绝缘子,其下表面相对 没有变化。  
图二:运行20年的针式绝缘子(a)受到保护的下表面 (b)暴露在外的上表面。 环氧绝缘 中压环氧绝缘户外设备运行 状态的预测研究 Fig22

图二:运行20年的针式绝缘子(a)受到保护的下表面
(b)暴露在外的上表面。

 

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