天津大学等单位的科研人员发表电工环氧绝缘件缺陷无损检测方法的研究进展

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超/特高压输变电技术迅速发展对电力设备绝缘性能提出了更高的要求。环氧绝缘件是电力设备绝缘系统的重要组成部分，但在生产、运行过程中都会产生不同程度的缺陷，在多场耦合作用下极易引发沿面闪络或击穿故障，威胁电力设备乃至电力系统的安全稳定运行，研究环氧绝缘件中缺陷的无损检测及评价方法具有重要意义。

智能电网教育部重点实验室 天津大学电气自动化与信息工程学院、平高集团有限公司、国家电网有限公司的研究人员李进、赵仁勇、杜伯学、郝留成、边凯，在2021年第21期《电工技术学报》上撰文，研究了环氧绝缘件在生产、运行过程中容易出现的缺陷类型，分析了不同缺陷对绝缘性能造成的影响。介绍了基于电学特性的缺陷检测方法、高频检测方法和超声波检测方法的基本原理，并评估了不同方法对环氧绝缘件缺陷的检测效果。从检测精度以及优缺点等角度对相关检测方法进行了综合评价，并对未来环氧绝缘件缺陷检测的研究和发展方向进行了展望。

近年来，超高压、远距离、大容量输电技术迅速发展，对电力设备的绝缘性能提出了更高的要求，而设备小型化、紧凑化的发展趋势使绝缘性能的重要性愈加突出。环氧树脂易于成型、化学性能稳定、耐热性能好、机械韧性和电气绝缘性能优异，因此被广泛应用于高压电工装备绝缘。

环氧树脂绝缘件主要包括浇注类和浸渍类，前者主要应用于电机、电器、高压开关以及干式变压器等，比如环氧浇注盆式绝缘子在气体绝缘开关设备（Gas Insulated Switchgear, GIS）中起着支撑载流导体母线、电气绝缘及隔离气室的作用；后者则主要应用于电机线圈、绝缘拉杆和干式套管等，例如绝缘拉杆主体采用纤维增强环氧树脂复合材料制成，用于将运动从接地部分传送到高电位部分，以实现电气连接的通断。

环氧绝缘件中一旦出现绝缘缺陷，运行过程中会导致局部电场畸变，甚至达到平均电场强度的数倍以上。电场畸变引起的局部放电容易使环氧绝缘件老化，绝缘性能下降，最终使高压电力设备绝缘系统发生沿面闪络、内部击穿等故障，并严重威胁电力系统的安全稳定运行。

已有研究表明，GIS环氧绝缘件中裂纹、分层、气泡三种不同缺陷下局部放电产生的脉冲波形、击穿电压等放电特征以及击穿风险均存在差异，其中裂纹缺陷产生的局部放电脉冲波形的上升沿最小，其击穿电压也最小，在长期运行工况下击穿风险最高。对GIS绝缘内部不同形状气隙缺陷处电场分布的有限元仿真分析发现，气隙缺陷大小对电场强度畸变影响较小，而缺陷形状以及所在位置为场强畸变的重要影响因素；采用特高频法对实际GIS缺陷模型产生的局部放电进行检测，发现裂缝缺陷下的放电比气泡缺陷下的放电更为剧烈，并且裂缝宽度越小放电越剧烈。对芳纶纤维增强型绝缘拉杆实体三维模型进行电场仿真分析表明，复合材料界面结合不佳引起的层间分离缺陷是运行中绝缘拉杆放电的主要原因。

上述研究均表明环氧绝缘件中存在的各类缺陷都会严重影响其绝缘性能，是导致高压电力设备故障的重要原因。对环氧绝缘件中的缺陷进行有效、准确的检测有助于提高其使用寿命并降低高压电力设备运行维护成本。

天津大学等单位的科研人员根据国内外研究成果，介绍了环氧绝缘件中缺陷产生的机理以及相关的无损检测方法，分析了生产过程、运行过程中容易出现的缺陷类型以及对绝缘性能造成的影响，并对基于电学特性检测方法、高频检测方法和超声波检测方法进行了对比、总结和展望。

他们表示，目前国内外研究人员对电工环氧绝缘件缺陷提出了诸多检测方法，但是都存在各自的局限性。

• 脉冲电流法能够检测到缺陷导致的局部放电信号，便于实现绝缘系统在线实时监测，但是对于缺陷定位比较困难，检测精度有待进一步提高。

• 感应电荷层析成像法是一种新型检测方法，能够实现缺陷大小和位置可视化检测，具备在线监测潜力，具有很大的应用前景，但是目前的研究还在仿真分析阶段，仍需进一步探索以实现工程应用。

• X射线检测是无损检测中最常用的方法之一，可直观显示缺陷形状和尺寸，检测结果便于长期保存，但是对于尺寸较小的裂纹、脱粘及应力集中等缺陷难以奏效，需要的设备体积大，在线检测困难，并且射线对人员有损伤作用，必须采取防护措施。

• 微波检测法具有能耗低、穿透性强、无需耦合剂、易于小型化等优势，可以进行动态检测与实时处理，但是易受温度、气压、取样位置的影响，要求操作人员有比较熟练的技能。

• 超声脉冲反射法原理简单，对工件内部缺陷有很高灵敏度，便于现场检测，可及时获得检测结果，缺点是需要耦合剂，对材料表面要求较高，扫查复杂工件困难。

• 相控阵超声法是基于脉冲反射法原理而发展的，可以同时拥有许多角度的超声波，就相当于拥有多种角度的探头同时工作，检测效率更高，同时可以通过建模，建立一个三维立体图形，缺陷显示直观，缺点是对声阻抗参数相差悬殊的复合材料界面缺陷还无法实现检测。

• 非线性超声法是近年来兴起的一种缺陷检测方法，可有效检测出环氧绝缘件拉伸塑性变形、蠕变损伤、闭合裂纹等早期缺陷，相较于传统方法，检测灵敏度更高，能够达到微米级，但是在试件的边缘会存在检测盲区，并且检测结果常受耦合状态、干扰信号的影响，检测成本较高。

他们最后指出，环氧绝缘件的应用对高压电力设备的绝缘性能和使用寿命有显著的提升作用，但是环氧绝缘件中存在缺陷会导致电场发生严重畸变，引发局部放电，使环氧绝缘件逐渐劣化，最终使绝缘系统发生沿面闪络、内部击穿等故障。因此需要对环氧绝缘件中缺陷的有效检测进行更深入研究。

1）目前国内外对环氧绝缘件缺陷检测主要采用单一手段进行缺陷检测，大大限制了缺陷检出的有效性和准确性。如何实现多种检测手段协同作用，综合评定绝缘件是否存在缺陷是今后的发展方向。

2）环氧绝缘件还会出现由填料分布不均或者交联度不均等引起的潜伏性缺陷，目前还没有方法能进行有效检测。潜伏性缺陷通过影响表面电荷行为及改变介电参数分布造成局部电场集中，成为诱发绝缘件故障的重要原因。迫切需要开发更为先进的光电传感器件与方法，实现电工环氧绝缘件潜伏性缺陷的早期预警。

以上研究成果发表在2021年第21期《电工技术学报》，论文标题为“电工环氧绝缘件缺陷无损检测方法研究进展”，作者为李进、赵仁勇 等。