中压设备绝缘老化分析及状态维修探讨（1）

摘 要：本文简介了中压电气设备绝缘系统在多种应力联合作用下的老化规律及各种寿命模型。概述了基于绝缘老化在线监测的状态维修的必要性、实现方法和当前的研究状况。

关键词：绝缘老化　状态维修　监测

我国的35KV、10KV（6KV）电压等级的供电网络，通常称为中压网络，其线路的辐射范围及开关站的数量等均为供电网络之最。因此在中压领域开关设备的发展水平，直接影响我国供电网络的可靠性及技术装备水平。所以中压电气设备的绝缘老化问题，已成为威胁中压电气设备安全可靠运行的主要隐患。我公司的银山110KV新站的35KV配电室、中小型35KV配电室和特钢110KV第三变电站的35KV配电室发生5起因开关设备绝缘老化，而引起母线弧光短路故障，造成系统保护动作，中断冶炼和轧线生产系统供电，给企业造成不同程度的经济损失。结合上述5起故障分析，有三起故障发生在35KV母线的PT柜，两起为35KV的馈线柜。均为JYN—35KV系列封闭式手车式开关柜，故障原因是开关柜内部绝缘老化（对地及相间）而引起的对地和相间放电，导致发展为相间弧光短路。为此本文重点分析手车式中压开关柜设备绝缘存在的问题，并对电气设备的状态维修进行探讨。

1.柜体设计及绝缘材料老化

1.1柜体设计问题

1.1.1相间复合绝缘净空间小，普遍小于30mm,满足不了相间距离要求，断路器边相对地（即对金属隔板）距离太小（仅100mm），虽然实际短路容量小于额定开断容量，但在开断短路电流过程中，容易造成两边相对地短路，扩大事故范围。

1.1.2 绝缘材质差，憎水性差，容易凝露导致滑闪放电。特别是一些用金属螺栓连接的拼装绝缘板，整体性差，悬浮电位高，容易发生局部放电或树枝形放电，导致绝缘件表面爬距小，在污秽凝露状态时放电电压较低。当相对湿度为80%—90%，温度为25—30⁰C，空气中水分大量增加时，也会导致绝缘材料受潮。

1.1.3 小车柜间、隔室之间的隔离不严，当一台开关柜的某一绝缘薄弱环节击穿发生单相弧光接地时产生的游历气体中包含着静电电荷，对空气绝缘和有机绝缘造成极大的破坏，小车只要有一点缝隙都会迅速扩散，扩大了事故范围。

1.2绝缘材料老化

    1.2.1热老化；高压电气设备运行中产生的热量导致绝缘的温度升高。在1948年Dakin提出的新观点认为热老化实为有聚合链分裂等作用的氧化效应，本质为一种化学反应过程，因此应当遵循化学反应速率方程为：

lnL＝lnA＋B/T

式中，A、B—分别是由特定老化反应所决定的常数；

L—为绝缘寿命；

T—为绝对温度。

该方程的提出，为电气设备绝缘热老化的分析和研究提供了理论基础，也为高温加速老化试验及试验结果的外推提供了理论依据。

1.2.2电老化；绝缘在电场应力作用下的老化行为，尚无定量化描述的理论公式。通常普遍采用倒数幂关系的经验公式来表示绝缘在外施电场下的老化规律^［1，2］，其经验公式如下：

L=K/Eⁿ

式中，E—为外加电场；

K—为试验确定的常数，与具体的绝缘系统或材料有关；

N—为电压耐受系数，须在一定的电压和温度下试验确定。
    不少研究者认为，当外施电压低于绝缘的局部放电起始放电电压时，材料就不会发生由电场所引起的老化。通过建立热—电应力联合作用下的绝缘概率寿命模型，发现在温度确定的条件下，绝缘材料的寿命曲线趋向一电场阈值E_T，当绝缘承受的外加电场低于或接近该电场阈值时，其寿命将趋于无穷。这一临界电场值可通过对击穿时间与外施电场大小的Weibull统计分析得出^［3］。这种存在电场临界值的观点与经验和直觉比较一致。通常认为电气击穿强度是评价绝缘老化的一个最根本的属性，当外施电场远低于材料的击穿强度时，相当于材料具有非常高的耐电强度，此时绝缘材料将在非常长的时间内耐受该电场而不出现击穿。
    对于上述阈值电场的存在，也有持不同观点的^［1］。Armin Bruning通过对气穴中空气从亚电晕(Sub-corona)到强烈电晕(intense-corona)过渡过程中非线性电导率的理论计算和实测数据表明，低电压下的微小亚电晕电流将引起气穴中气体和气穴表面温度的升高。随电压的提高，亚电晕放电形式向强烈电晕放电形式转化，放电源的温度将不断上升。以上现象说明绝缘介质在外施电场作用下的老化是一个连续的过程，不存在任何明显影响老化进程的电场阈值。通过测量气穴表面的温升有可能利用Arrhenius方程在气体空腔这样的微小区域水平上评价绝缘的老化。该观点如被更多的实验证实，将因其物理过程清晰，测量方法明确，可能具有更大的说服力。但是这种观点似乎不好解释进行交流耐压等试验中电压升高到一定程度时，普遍观察到的电流急剧上升现象。相比之下，阈值寿命模型更能为经验所接受，且较能体现其对绝缘设计的指导作用。
    1.2.3多应力联合老化；经验表明，绝缘老化的程度和老化的速率依材料的物理、化学特性，外施应力的类型和持续时间，生产过程中采用的工艺而定，故需对绝缘材料在上述应力的多种组合作用下的老化行为及各种应力的协同作用进行广泛深入的研究以求其老化规律。
    电—热联合应力老化是目前研究中采用最多的一种应力组合方式。建立老化寿命模型主要的手段是将电老化反幂形式经验公式L=KE^－n和热应力老化的Arrhenius方程L=Aexp（B／T）统一起来。而得到绝缘寿命—外施电场—温度之间的关系。L(T，E)=K(T)E^－n（T）exp（B／T）为Ramu得出的电—热联合应力下的寿命方程^［2］，K和电压耐受系数n成为温度的函数。
    电力设备中很多因素产生机械应力，主要有设备旋转部分的振动或绝缘结构中介质部分与金属导体部分热膨胀系数不同而引起的周期性应力^［1］以及绝缘材料承受的交变电场力等。机械应力的破坏主要表现为绝缘材料疲劳而产生裂纹或气穴，诱发电树枝的形成和生长。因此，研究相应固体绝缘材料在上述联合应力作用下的性能非常重要。
    对于运行在湿度较大的环境中的设备，湿度对绝缘材料尤其是潮气敏感材料(如聚酯等)老化过程的影响不可忽视。Dixon对封闭电气设备中这类材料的研究得出了该情形下绝缘寿命与温度、湿度的函数关系^［4］。在一定的范围内对不同的温度和湿度进行换算可得出在改变了的温度及湿度下绝缘的累积等效寿命。
    有学者认为，从本质上来看，影响绝缘老化的最主要因素如电、热、机械应力、潮气及辐射等，都以化学反应的形式作用于绝缘材料，因此，在化学反应速率方程的基础上，应当能够找到一种统一的形式来表示多应力下绝缘的老化规律^［1］。
    绝缘在正常工作应力下的寿命，绝大多数是将加速老化试验结果向正常应力下外推得到的。加速试验外推的真实性和等效性受到持统计学观点的研究者的怀疑，而Dakin认为，在可靠的理论基础上进行的外推总比缺乏数据，不能获得任何信息好^［1］。但有的试验如高频加速老化试验与工频下有很大不同，无法向工频外推，这是要妥善解决的问题。
    1.2.4绝缘击穿机理的一些探讨；气体放电领域中汤逊放电理论和流注放电理论比较成熟，在实践上也有很好的应用。液体中的击穿早在本世纪初即有研究，但其理论成就不及气体和固体。对纯净液体电介质分别施加冲击电压和缓变电压研究后认为，液体介质的击穿过程主要应包含如下四个阶段：金属电极场致发射或介质中的强场电离导致带电粒子和空间电荷区形成的阶段；带电粒子的摩擦运动造成温度升高，低密度区形成并向对面电极扩散的电热阶段；在低密度区形成气体放电通道，液体分子键被打破，各种自由基和离子形成的气体放电阶段；放电熄灭，温度降低，自由基及离子重新组合的物理—化学阶段。其中电极上发生的过程作为第一阶段十分重要，T.J.Lewis1984年在IEEE EI上提出，介质中早期形成的击穿通道尺寸在分子水平常与金属表面有关，因此应重点在分子水平上考虑电极上可能的电－化学过程。对于非自恢复的绝缘介质，电树枝的形成和生长受到很大的重视，因为电树枝的发展通常被认为是绝缘将出现短期击穿的征兆。有研究者认为，固体介质中电树枝是在场强集中处发生了局部击穿并沿电场方向逐渐扩散的结果。电树枝的生长对机械应力和振动敏感。在选择绝缘材料或进行绝缘系统的设计时，应充分考虑材料抵抗机械裂纹快速传播的能力，尽量避免机械应力的集中。
    基于观察到的“低密度区”并利用电子平均自由程概念对气体、液体和固体的击穿过程进行研究后^［5］提出，这三种状态下介质的击穿过程具有相同之处，即击穿发生时沿放电路径上介质局部密度的波动规律相同。这有可能为分别研究气体、液体或固体绝缘之一的学者提供相互探讨和借鉴的机会，有利于直接借助较为成熟的气体放电研究成果，促进固、液体绝缘研究向前发展。