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介质击穿:如何避免,如何检测
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介质击穿:如何避免,如何检测

February 18, 2016 • Columns, Ravi's Column, 最近文章汇总

最近,我参观了一家电力公司,这家公司正遭受 瓷绝缘子串脱帽(即瓷绝缘子本体与绝缘子头 部 分 离 的 过 程 )引 起 的 断 电 事 故 的 困 扰 。此 断 电 事 故 的主要原因是绝缘子击穿(或物理学家所说的介质击 穿)。IEEE词典将“击穿”定义为通过固体电介质本体 的 破 坏 性 放 电 ,对 于 绝 缘 子 而 言 ,将 导 致 电 介 质 强 度 的永久性丧失。 对于盘 形悬式 绝 缘 子,主绝 缘由端头金具间的瓷介质 提 供 。因 为 此 处 两 电 极 间 的 距 离 最 短 ,所 以 这 里 的 电 场 强 度 比 绝 缘 子 其 它 部 分 要 高 得 多 。采 用 标 准 的 方 法 对击穿进行评估,如ASTM D149或IEC 243-1。评估 时 ,将 待 测 材 料 薄 片 放 置 在 球 形 或 平 板 电 极 之 间 ,并 施 加 工 频 电 压 。将 样 品 浸 入 油 中 ,这 样 可 以 确 保 放 电 仅在材料内部产生而不会穿过其表面。 根据文献资料记录,瓷片试样介电强度的典型值为 15kV/mm。因为在实际中,大多数绝缘子的瓷件厚度范 围为15-25mm,所以此值主要具备学术价值。这意味着 它们可以承受的电应力要比瓷件的固有电介质强度低。 ANSI C 29.1和IEC 383要求对出厂绝缘子进行击穿的 抽 样 检 查 。一 般 情 况 下 ,新 绝 缘 子 的 击 穿 电 压 要 高 于 110 kV,同时,根据它在绝缘子串中的位置,通过每一 绝缘子的电压变化范围为5~20kV。这样就产生了如 下 问 题 : 在 电 应 力 远 远 低 于 所 测 绝 缘 强 度 时 ,是 什 么 导致了瓷绝缘子被击穿的现象? 用于电气工程级别的电瓷材料是由各种材料的复杂混 合 物 烧 制 而 成 ,包 含 许 多 气 孔 和 界 面 。行 业 标 准 中 虽 然规定了对成品绝缘子进行抽样孔隙率测试,但此测 试 不 能 预 示 使 用 了 多 年 之 后 绝 缘 子 的 内 部 状 况 。事 实 上,已经发生过在绝缘子使用长达15~20年之后出现 了击穿现象。 除了绝缘子的成分和在生产过程中烧制的具体步骤外, 许多因素都可能导致绝缘子击穿。这些因素包括50/60 Hz过电压的幅值和持续时间,雷电和操作冲击过电压, 机械振动和环境条件。因此,预测绝缘子在使用过程中 是否被击穿以及如何时被击穿是很难做到的。 一旦击穿现象发生,其路径将涉及单个或多个局部 放 电 通 道 。这 些 通 道 逐 渐 发 展 ,在 很 多 情 况 下 不 会 完 全桥接绝缘子钢帽和铁脚之间的距离。故这些绝缘 子 的 电 阻 测 量 值 可 以 在 较 大 的 范 围 内 变 化 。例 如 ,优 质的瓷绝缘子的内电阻在1010 ~1012Ω范围内变化。 比较而言,有缺陷的瓷绝缘子产生的电阻值具有很 大的变化范围(即0~108Ω),这取决于缺陷的程度 范围和性质。
从 带 电 检 修 的 角 度 来 看 ,绝 缘 子 串 中 仅 有 几 个 带 有 缺 陷的单元是允许的,这主要是因为检修工作通常在晴 天 时 进 行,并且在 检 修 开 始前也可以确 定 处 于良 好工 作 状 态 的 单 元 的 实 际 数 量 。例 如 ,在 6 9 k V 时 ,绝 缘 子 串 中 缺 陷 单 元 的 允 许 数 量 是 1 个 ,而 在 7 6 5 k V 时 ,此 数 值可上升为多达10个。但是,在闪络发生时,即使存在 一 个 缺 陷 单 元 也 会 导 致 灾 难 性 的 故 障( 导 线 脱 落 ), 致 使 工 频 持 续 电 流 大 幅 度 升 高( 几 百 安 培 ),其 路 径 取决于绝缘子内部(本体)和外部(表面)的阻抗。 完好无损的工作单元,其内阻抗要比外阻抗高得多。 这样将导致电流沿着绝缘子的表面流动。但是对于有 缺 陷 的 单 元 而 言 ,电 流 会 发 生 分 流 ,部 分 电 流 会 在 绝 缘子内部流动。正是这种内部电流和其产生的巨大电 动力导致了瓷件与钢帽的分离。 绝缘子的外阻抗取决于热电离(它是电弧温度的函数)、 水分(如相对湿度、雨水和露水)以及污秽物等因素, 因此很难确定。由于涉及到如此多的变量因素,绝缘子 串中含有带缺陷的单元在某些地方能够正常工作,而在 其它地方却发生导线脱落也许就不足为奇了。 随着绝缘子脱帽现象在高雷电强度区域越来越普遍, 需要将塔基接地电阻值维持在较低水平(例如使用 地网)。但是,问题的核心还是在于瓷件本体的质量, 而且不同制造商生产的质量也大不一样。陡波冲击测 试(IEC61211中所述)是评估电介质整体性能的有效方 式,虽然我们尚不能每次都能确定此测试是否能够鉴 定 出 厂 时 质 量 不 合 格 的 绝 缘 子 。即 使 大 部 分 使 用 说 明 中 并 没 有 包 含 这 一 测 试 ,将 这 一 测 试 加 到 说 明 书 中 也 是比较保险的。 用户可以通过以下更为实际的方式来解决这一问题: 在 进 行 定 期 维 修 时 ,卸 下 在 不 同 时 期 使 用 的 单 元 ,并 进 行 电 阻 测 量 、陡 波 冲 击 测 量 和 热 - 机 试 验 等 。然 后 创 建一个数据库,列出测试结果以及供应商名称和制造 年 份 。通 过 这 种 方 式 ,电 力 公 司 就 可 以 确 定 问 题 的 产 生是制造商的原因,还是主要在于材料本身的性能。 随 着 现 代 社 会 对 于 高 可 靠 性 产 品 需 求 的 增 长 ,及 时 识 别 出 有 缺 陷 的 、即 将 击 穿 的 瓷 绝 缘 子 越 来 越 关 键 ,但 这 并 不 是 仅 仅 通 过 外 观 检 查 就 可 以 做 到 的 。有 几 种 合 适 的 仪 器 可 以 用 于 此 项 检 测 ,且 随 着 缺 陷 绝 缘 子 的 状 态 接 近 短 路 ,它 们 的 灵 敏 度 就 会 增 强 。遗 憾 的 是 ,因 为接近短路的情况很少发生,需要训练有素和有丰富 经验的人员来正确解读测试结果。
Prof. Ravi S. Gorur Arizona State University 介质击穿:如何避免,如何检测 介质击穿:如何避免,如何检测 介质击穿:如何避免,如何检测 Photo for Topic 2 Sept 28

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