電工環氧絕緣件缺陷無損檢測方法研究進展

　　摘要 超/特高壓輸變電技術迅速發展對電力設備絕緣性能提出了更高的要求。環氧絕緣件是電力設備絕緣系統的重要組成部分，但在生產、運行過程中都會產生不同程度的缺陷，在多場耦合作用下極易引發沿面閃絡或擊穿故障，威脅電力設備乃至電力系統的安全穩定運行，研究環氧絕緣件中缺陷的無損檢測及評價方法具有重要意義。該文研究了環氧絕緣件在生產、運行過程中容易出現的缺陷類型，分析了不同缺陷對絕緣性能造成的影響。介紹了基于電學特性的缺陷檢測方法、高頻檢測方法和超聲波檢測方法的基本原理，并評估了不同方法對環氧絕緣件缺陷的檢測效果。從檢測精度以及優缺點等角度對相關檢測方法進行了綜合評價，并對未來環氧絕緣件缺陷檢測的研究和發展方向進行了展望。

　　李進; 趙仁勇; 杜伯學; 郝留成; 邊凱， 電工技術學報 發表時間：2021-11-10

　　關鍵詞：高壓電力設備 環氧絕緣件 絕緣缺陷 無損檢測

　　0 引言

　　近年來，超高壓、遠距離、大容量輸電技術迅速發展，對電力設備的絕緣性能提出了更高的要求，而設備小型化、緊湊化的發展趨勢使絕緣性能的重要性愈加突出[1-2]。環氧樹脂易于成型、化學性能穩定、耐熱性能好、機械韌性和電氣絕緣性能優異，因此被廣泛應用于高壓電工裝備絕緣[3-4]。環氧樹脂絕緣件主要包括澆注類和浸漬類，前者主要應用于電機、電器、高壓開關以及干式變壓器等[5-6]，比如環氧澆注盆式絕緣子在氣體絕緣開關設備(Gas Insulated Switchgear, GIS)中起著支撐載流導體母線、電氣絕緣及隔離氣室的作用[7];后者則主要應用于電機線圈、絕緣拉桿和干式套管等[8]，例如絕緣拉桿主體采用纖維增強環氧樹脂復合材料制成，用于將運動從接地部分傳送到高電位部分，以實現電氣連接的通斷[9]。

　　環氧絕緣件中一旦出現絕緣缺陷，運行過程中會導致局部電場畸變，甚至達到平均電場強度的數倍以上[10]。電場畸變引起的局部放電容易使環氧絕緣件老化，絕緣性能下降，最終使高壓電力設備絕緣系統發生沿面閃絡、內部擊穿等故障，并嚴重威脅電力系統的安全穩定運行[11-12]。已有研究表明， GIS 環氧絕緣件中裂紋、分層、氣泡三種不同缺陷下局部放電產生的脈沖波形、擊穿電壓等放電特征以及擊穿風險均存在差異，其中裂紋缺陷產生的局部放電脈沖波形的上升沿最小，其擊穿電壓也最小，在長期運行工況下擊穿風險最高[13-16]。對 GIS 絕緣內部不同形狀氣隙缺陷處電場分布的有限元仿真分析發現，氣隙缺陷大小對電場強度畸變影響較小，而缺陷形狀以及所在位置為場強畸變的重要影響因素;采用特高頻法對實際 GIS 缺陷模型產生的局部放電進行檢測，發現裂縫缺陷下的放電比氣泡缺陷下的放電更為劇烈，并且裂縫寬度越小放電越劇烈 [17]。對芳綸纖維增強型絕緣拉桿實體三維模型進行電場仿真分析表明，復合材料界面結合不佳引起的層間分離缺陷是運行中絕緣拉桿放電的主要原因 [18]。上述研究均表明環氧絕緣件中存在的各類缺陷都會嚴重影響其絕緣性能，是導致高壓電力設備故障的重要原因。對環氧絕緣件中的缺陷進行有效、準確的檢測有助于提高其使用壽命并降低高壓電力設備運行維護成本。

　　本文根據國內外研究成果，介紹了環氧絕緣件中缺陷產生的機理以及相關的無損檢測方法，分析了生產過程、運行過程中容易出現的缺陷類型以及對絕緣性能造成的影響，并對基于電學特性檢測方法、高頻檢測方法和超聲波檢測方法進行了對比、總結和展望。

　　1 環氧絕緣件中缺陷產生機理

　　1.1 生產過程中的缺陷

　　環氧絕緣件在生產過程中一般要經過混料、脫氣、澆注或浸漬、固化、脫模等過程，每一個環節處理不當都可能導致絕緣件中出現缺陷[19]。纖維增強環氧樹脂復合材料在浸漬時，環氧樹脂浸潤纖維過程中樹脂細觀流動和微觀流動狀態的差異是缺陷裹入的主要原因[20]。盆式絕緣子固化過程由于填充用氧化鋁密度約為 3.5g/cm3，而環氧樹脂密度只有 1.2g/cm3 且粘度很低，在固化過程中會發生明顯的沉降效應，GIS 絕緣子的密度分布差異如圖 1 所示，固化收縮作用使絕緣子邊緣和絕緣子與導體界面處形成應力集中，運行過程中熱膨脹與機械負載容易引發界面缺陷，進而引發局部放電[21]。此外，環氧絕緣件一般由金屬嵌件及環氧絕緣體構成，裝模時嵌件表面沾有脫模劑將會影響嵌件和絕緣體的粘接強度，導致其間產生氣隙;脫模時如果保溫措施不當，金屬嵌件和絕緣體降溫速度差別很大，二者之間也容易產生間隙[22]。絕緣件生產過程中出現的缺陷還未對高壓電力設備造成嚴重影響，認為應改進出廠檢測標準，提高缺陷檢出精度，避免缺陷產品進入實際工程應用。

　　1.2 運行過程中的缺陷

　　在運行過程中，環氧絕緣件會承受電、熱、機械等多場耦合作用，容易產生氣孔、裂紋缺陷或者界面處微小的氣隙缺陷，如圖 2 所示[23-25]。盆式絕緣子在安裝后會出現導體不對中的問題，由此產生的額外應力會使其形成微裂紋缺陷，并在帶電運行過程中進一步擴大，最終導致沿絕緣子裂紋形成導體對殼體的放電通道[26]。文獻[27]對復合絕緣子擊穿故障進行了研究分析，發現絕緣子運行過程中芯棒-護套界面脫粘，形成氣隙，進而導致芯棒發生貫穿性放電。由此可見，環氧絕緣件在運行過程中產生的微小缺陷會不斷發展，使絕緣件的絕緣性能逐漸下降，甚至導致絕緣擊穿、斷裂，嚴重危及電網的安全。因此，對于運行中的高壓電力設備，需要建立有效的在線監測系統，實現缺陷的快速檢出。

　　2 環氧絕緣件缺陷無損檢測方法

　　2.1 基于電學特性缺陷檢測方法

　　2.1.1 脈沖電流法檢測

　　環氧絕緣件中存在缺陷時，在高電壓作用下會導致內部電場發生畸變，從而引發局部放電，會在極短的時間內中和一定數量的正負電荷，表現出來就是一個陡峭的電流脈沖。通過測量和分析該電流脈沖來判斷環氧絕緣件中是否存在缺陷的方法稱為脈沖電流法[28]。圖 3 為脈沖電流法原理圖，將環氧絕緣件等效為一個集總參數對地電容元件，局部放電會在電容上產生一個瞬時的脈沖電流變化，可利用電容耦合作用在檢測阻抗中產生一個脈沖電流，通過測量該脈沖電流可獲得局部放電信息[29]。

　　目前相關研究人員在利用脈沖電流法檢測局部放電方面展開了大量的研究。以環氧板內部氣隙缺陷為研究對象，氣隙直徑增加將導致局放起始電壓降低，最大放電量增加，放電重復率提高，將對絕緣更加不利，能夠檢測到直徑 1mm 氣隙缺陷[30]。盆式絕緣子工頻電壓下局部放電測試試驗發現，在靠近中心導體高電場區域的氣隙缺陷局放更劇烈，能檢測出不同位置直徑 3mm 氣隙缺陷[31]。此外，利用時差定位統計和多源放電分離方法能夠檢測并定位盆式絕緣子內部存在的多氣泡缺陷[32]。

　　2.1.2 感應電荷層析成像法

　　感應電荷層析成像(Induced Charge Tomography, ICT)是 Liang Hucheng 提出的一種新型缺陷檢測方法，其原理是根據氣體絕緣設備導桿表面和管壁上的感應電荷分布重構 GIL/GIS 內部的介電常數和電場強度空間分布，能夠識別絕緣子內的氣隙缺陷[33]。圖 4 給出了絕緣子/導體界面處和絕緣子/管壁界面處分別設置兩條裂紋情況，基于 ICT 方法重構的感應電荷以及介電常數分布如圖 5 所示，在絕緣子與導體和管壁接觸的位置(C1-P1、C2-P2 和 C3-P3)可以觀察到感應電荷峰，并且裂紋的存在會干擾感應電荷的分布，導致峰值處(C2 和 P1)出現一個低谷;重構后的介電常數分布圖像不僅能夠識別絕緣子的輪廓，而且能夠分辨出絕緣子內部的缺陷。該技術可用于電氣設備的在線監測與診斷，并且能夠實現缺陷可視化檢測，具有很高的應用前景。

　　2.2 高頻檢測法

　　2.2.1 X 射線檢測法

　　X 射線在穿過待檢環氧絕緣件時會與其發生相互作用，射線強度因絕緣件的吸收和散射而減弱[34]。當強度均勻的 X 射線照射絕緣件時，如果局部區域存在缺陷或結構存在差異，將改變絕緣件對射線的衰減，使得不同部位透射射線強度不同，可以實現缺陷的分辨和檢出[35]。

　　X 射線成像檢測方法能夠檢測出盆式絕緣子內部較大的裂紋空隙，但檢測方位會影響缺陷成像效果，需要從多個角度進行拍攝[36]。環氧絕緣件厚度對 X 射線成像檢測的效果也會產生影響，對于厚度 30mm 的盆式絕緣子試樣，能夠檢測出直徑 1mm 的氣孔缺陷和寬 0.3mm、深 0.5mm 的裂紋缺陷;對于厚度 60mm 試樣，能夠檢測出直徑 2mm 的氣孔缺陷和寬 0.3mm、深 0.7mm 的裂紋缺陷;對于厚度 90mm 試樣，無法獲得氣孔和裂紋的有效圖像[37]。

　　2.2.2 微波檢測法

　　微波在透過環氧絕緣件時會發生反射、透射和散射，并會受到絕緣件電磁特性和幾何特性的影響，微波檢測法就是通過研究微波與絕緣件之間的相互作用，對接收到的微波信號進行分析來判斷絕緣件中是否存在缺陷[38]。

　　文獻[39]研制了由微波檢測系統與自動化系統組成無損檢測試驗平臺對 110kV 復合絕緣子進行檢測，在芯棒和硅橡膠界面預制了氣隙缺陷并對結果進行了歸一化處理，如圖 6 所示，可以檢測出長 1cm 直徑 1mm 的氣隙缺陷。此外，使用微波反射法對復合絕緣子內部缺陷進行檢測，根據讀數偏移量相對值來判斷缺陷，最小可以檢測到 0.3mm 深、4mm 寬的氣隙缺陷[40]。

　　2.3 超聲波檢測法

　　2.3.1 超聲脈沖反射法

　　當超聲波從一種介質垂直進入聲阻抗不同的另一種介質時，在兩種介質表面會發生反射和透射，并且入射波、反射波和透射波在同一條直線上，波形也不會變化[41]。圖 7 為超聲波在環氧復合絕緣試樣中的傳播模型。若是在傳播過程中沒有遇到缺陷，超聲波會在絕緣件底部-空氣界面發生負全反射，反射波會沿著原路徑回到超聲探頭;若超聲波在傳播過程中遇到氣泡、裂縫等小缺陷，會在絕緣件-缺陷界面發生負全反射，而遇不到缺陷的部分超聲波則會傳播到絕緣件底部-空氣界面反射，此時超聲探頭會接收到缺陷反射波和底面反射波[42]。

　　超聲脈沖反射法檢測可以探明各類氣泡、縫隙、分層、脫粘等缺陷。低頻超聲脈沖回波法能夠檢測 7~38mm 厚玻璃纖維增強層壓復合材料，通過增益變化反映缺陷，可分辨出 10mm 分層及疲勞損傷下形成的裂紋[43]。超聲脈沖反射法檢測不同運行年限的定子線棒環氧云母玻璃纖維層壓絕緣，發現超聲波傳播時間隨定子線棒使用時間的增加而增加，可用來評估定子線棒絕緣的老化程度[44];對 252kV 盆式絕緣子環氧復合材料進行檢測，發現對于同一大小缺陷，隨著深度增加，缺陷反射波幅值減小，而同一深度的缺陷，隨著缺陷直徑減小，缺陷反射波幅值變小，能檢測的最小缺陷為直徑 2mm 氣泡和 1mm 橫向裂紋，檢測深度可達 50mm，誤差小于 1.40%[45]。此外，利用超聲脈沖反射法可以測量環氧絕緣件中超聲傳播速度，根據聲速和應力的關系，即聲彈性效應，可以測量絕緣件中應力大小[46];利用超聲縱波法檢測 GIS 盆式絕緣子環氧復合材料垂直壓應力，結果表明，環氧復合材料平均聲彈性系數為 4.556×10-5MPa-1，測量相對誤差在應力 10～ 15MPa 時較大，最大為 85.78%，在應力 40～70MPa 時小于 19.87%[47]。

　　2.3.2 相控陣超聲法

　　相控陣超聲檢測是通過控制換能器陣列中各個陣元的激勵和延遲時間來改變陣元發射或者接收聲波的時間，實現焦點位置和聚焦方向的控制，完成相控波束合成，相控陣超聲檢測原理圖如圖 8 所示[48-49]。

　　相控陣超聲換能器是由多個相互獨立的壓電晶片組成的，每個壓電晶片根據一定的延時用電子控制系統控制激發，使陣列中各晶片發射的超聲波疊加形成一個新的波陣面;在接收反射波過程中，按照一定的時序控制接收單元將接收信號合成，形成一個超聲反射波信號，傳輸到探傷儀，生成內部結構圖像。

　　相控陣超聲法能有效檢測出復合絕緣子芯棒貫穿式鉆孔、界面存在明顯空氣隙等幾種典型缺陷的尺寸和位置，可輔助定量判斷缺陷的大小和類型，但是相控陣的圖像存在較多的雜波，信噪比較低[50]。文獻[51]提出了一種基于水囊柔性耦合的復合絕緣子超聲相控陣檢測方法，如圖 9 所示，解決了超聲探頭與絕緣件耦合困難的問題，能夠檢出芯棒中直徑 2mm 的氣隙缺陷和護套/芯棒界面 0.8mm 缺陷。

　　2.3.3 非線性超聲法

　　的超聲波由于非線性作用而失真，從而導致二次諧波分量產生。這些非線性效應導致應力 σ 和應變 ε 之間的關系偏離了 Hooke 定律中描述的經典線性關系，因此需要引入更高階的彈性項[52]，即? ? ?? ? ?? E ?1 ?? (1)式中，E 為楊氏模量;β 為非線性系數。非線性系數 β 具有二次諧波產生效率的物理意義，可以通過式(2)求解非線性波動方程來獲得[53]。

　　式中，A1 和 A2 分別為基波和二次諧波粒子的位移幅度; k 為波數;x 為傳播距離。可以看出，在入射聲波頻率和試樣厚度確定的情況下，非線性系數 β 只與 2 2 1 A / A 有關。對于相同大小的檢測試樣，可以測量在相同超聲入射信號下由壓電傳感器產生的輸出電壓信號 A1 ? 和 A2 ? ，并代替實際位移 A1 和 A2，以方便地評估超聲非線性程度。

　　非線性超聲法是近年來興起的一種缺陷檢測的新方法，能夠檢測出復合材料界面微米級的間隙缺陷。已有研究表明，復合絕緣子橡膠層與環氧層膠粘接失效時空氣層厚度最大不超過 100μm，常規無損檢測方法無法有效識別該缺陷，而非線性分析結果表明，當界面出現弱粘接缺陷時，回波信號中基頻信號幅值減小，高次諧波信號幅值增大，非線性系數會顯著增大[54]。圖 10 所示為復合絕緣子芯棒和硅橡膠界面粘接完好樣品和無明顯空氣間隙的弱粘接缺陷樣品的非線性超聲檢測結果?？梢钥闯?，粘接完好與弱粘接樣品的時域波形中不存在相位差、折反射過程不同等顯著差異，難以識別弱粘接缺陷;對接收到的時域信號進行快速傅里葉變換(Fast Fourier Transformation, FFT)，得到超聲波信號頻譜來計算超聲非線性系數 β，發現弱粘接缺陷界面的非線性系數明顯提高，能夠有效檢測出 0.76～9.85μm 的弱粘接缺陷[55-56]。

　　3 綜合評價

　　目前，國內外研究人員對電工環氧絕緣件缺陷提出了諸多檢測方法，但是都存在各自的局限性。脈沖電流法能夠檢測到缺陷導致的局部放電信號，便于實現絕緣系統在線實時監測，但是對于缺陷定位比較困難，檢測精度有待進一步提高。感應電荷層析成像法是一種新型檢測方法，能夠實現缺陷大小和位置可視化檢測，具備在線監測潛力，具有很大的應用前景，但是目前的研究還在仿真分析階段，仍需進一步探索以實現工程應用。X 射線檢測是無損檢測中最常用的方法之一，可直觀顯示缺陷形狀和尺寸，檢測結果便于長期保存，但是對于尺寸較小的裂紋、脫粘及應力集中等缺陷難以奏效，需要的設備體積大，在線檢測困難，并且射線對人員有損傷作用，必須采取防護措施。微波檢測法具有能耗低、穿透性強、無需耦合劑、易于小型化等優勢，可以進行動態檢測與實時處理，但是易受溫度、氣壓、取樣位置的影響，要求操作人員有比較熟練的技能。超聲脈沖反射法原理簡單，對工件內部缺陷有很高靈敏度，便于現場檢測，可及時獲得檢測結果，缺點是需要耦合劑，對材料表面要求較高，掃查復雜工件困難。相控陣超聲法是基于脈沖反射法原理而發展的，可以同時擁有許多角度的超聲波，就相當于擁有多種角度的探頭同時工作，檢測效率更高，同時可以通過建模，建立一個三維立體圖形，缺陷顯示直觀，缺點是對聲阻抗參數相差懸殊的復合材料界面缺陷還無法實現檢測。非線性超聲法是近年來興起的一種缺陷檢測方法，可有效檢測出環氧絕緣件拉伸塑性變形、蠕變損傷、閉合裂紋等早期缺陷，相較于傳統方法，檢測靈敏度更高，能夠達到微米級，但是在試件的邊緣會存在檢測盲區，并且檢測結果常受耦合狀態、干擾信號的影響，檢測成本較高。

　　4 討論與展望

　　環氧絕緣件的應用對高壓電力設備的絕緣性能和使用壽命有顯著的提升作用，但是環氧絕緣件中存在缺陷會導致電場發生嚴重畸變，引發局部放電，使環氧絕緣件逐漸劣化，最終使絕緣系統發生沿面閃絡、內部擊穿等故障。因此需要對環氧絕緣件中缺陷的有效檢測進行更深入研究。

　　1)目前國內外對環氧絕緣件缺陷檢測主要采用單一手段進行缺陷檢測，大大限制了缺陷檢出的有效性和準確性。如何實現多種檢測手段協同作用，綜合評定絕緣件是否存在缺陷是今后的發展方向。

　　2)環氧絕緣件還會出現由填料分布不均或者交聯度不均等引起的潛伏性缺陷，目前還沒有方法能進行有效檢測。潛伏性缺陷通過影響表面電荷行為及改變介電參數分布造成局部電場集中，成為誘發絕緣件故障的重要原因。迫切需要開發更為先進的光電傳感器件與方法，實現電工環氧絕緣件潛伏性缺陷的早期預警。