【摘要】：近年來,隨著紅外測溫技術(shù)在輸電線路巡檢中的普及,大量運行于我國南方高濕地區(qū)的復(fù)合絕緣子被檢測到異常發(fā)熱現(xiàn)象。異常發(fā)熱與復(fù)合絕緣子材料劣化關(guān)系密切,并可能進一步發(fā)展成為酥朽斷裂。然而,目前尚不清楚復(fù)合絕緣子異常發(fā)熱的主要機制及其與材料劣化的對應(yīng)關(guān)系。本文重點針對復(fù)合絕緣子中的硅橡膠材料和玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料(GRP)在高濕環(huán)境下的劣化特性及機理開展研究,旨在揭示復(fù)合絕緣子材料劣化與異常發(fā)熱的關(guān)系,獲得復(fù)合絕緣子異常發(fā)熱的發(fā)展過程,重點開展了以下幾方面工作:運行復(fù)合絕緣子表現(xiàn)出點溫升和段溫升兩種異常發(fā)熱形式。點溫升僅在高濕環(huán)境下出現(xiàn),溫升部位集中于絕緣子金具與第一片大傘之間的護套區(qū)域,主要熱源為高壓端傘套材料表層吸濕后在交變電場下的介質(zhì)損耗。通過對溫升部位硅橡膠材料分層介電特性的分析,提出了以硅橡膠材料飽和吸濕后介質(zhì)損耗作為評價異常發(fā)熱復(fù)合絕緣子傘套劣化程度的特征量,明確了高濕環(huán)境下的電暈放電是引起復(fù)合絕緣子傘套劣化的主要因素。復(fù)合絕緣子段溫升由劣化的芯棒引起,其溫升值較點溫升更大,溫升范圍從高壓端護套延伸至數(shù)個傘裙單元,且在高濕和低濕環(huán)境下均會出現(xiàn)顯著溫升。段溫升復(fù)合絕緣子芯棒出現(xiàn)蝕損,具體表現(xiàn)為蝕孔和截面陰影兩種劣化形式,借助掃描電鏡(SEM)、熱重(TGA)、X射線光電子能譜(XPS)、紅外光譜(FTIR)等測試手段,分析了引起芯棒蝕損的化學(xué)反應(yīng)過程,芯棒蝕孔主要由材料水解引起,而截面陰影則是由水解反應(yīng)和放電作用共同導(dǎo)致。開展了考慮高濕環(huán)境、污穢、紫外輻照等因素的復(fù)合絕緣子人工老化試驗,有效模擬了復(fù)合絕緣子傘套異常發(fā)熱的產(chǎn)生與發(fā)展過程,獲得了復(fù)合絕緣子傘套溫升與硅橡膠材料飽和吸濕介損的對應(yīng)關(guān)系。試驗研究了高濕電暈放電下硅橡膠材料的飽和吸濕介損特性,借助SEM、TGA等測試手段,獲得了硅橡膠材料在高濕電暈放電下表面微觀形貌的變化特征,有機硅化合物和氫氧化鋁的分解是引起硅橡膠材料表面孔洞的主要原因。利用Langmuir水分擴散模型研究了自由水、結(jié)合水含量隨材料劣化的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)自由水是引起硅橡膠材料吸濕后介質(zhì)損耗變化的主要因素。獲得了不同強度電暈放電下硅橡膠材料的飽和吸濕介損特性,建立了硅橡膠材料飽和吸濕介損的時間-電暈強度等效模型,結(jié)合復(fù)合絕緣子傘套溫升與硅橡膠材料飽和吸濕介損的對應(yīng)關(guān)系,提出了復(fù)合絕緣子傘套溫升的預(yù)測方法。試驗研究了不同濕度、溫度下GRP材料的吸濕、吸水特性,發(fā)現(xiàn)水分沿玻璃纖維取向侵入將導(dǎo)致GRP材料因水解反應(yīng)及物理溶出而失重,且溫度越高,失重越快,提出了適用于GRP材料的Langmuir水分擴散溫度修正模型。試驗獲得了濕熱作用下GRP材料電氣性能、機械性能的劣化規(guī)律,GRP材料在高濕環(huán)境下電導(dǎo)、極化損耗、局部放電等特性均隨濕熱作用時間增大,拉伸及彎曲強度隨濕熱作用時間經(jīng)歷了快速下降-平穩(wěn)-下降的過程。通過SEM測試獲得了濕熱作用下GRP材料環(huán)氧樹脂水解,玻璃纖維/環(huán)氧樹脂界面失效,玻璃纖維斷裂的劣化過程,上述過程將引起材料機械性能下降,并導(dǎo)致材料吸濕性能上升,在高濕環(huán)境下的電氣性能劣化,引起GRP材料溫升。在電場作用下,濕熱作用導(dǎo)致的GRP材料微孔將使局部場強集中,誘發(fā)水樹枝。水樹枝在GRP材料中的生長將受到玻璃纖維的“吸引”作用,當水樹枝發(fā)展至玻璃纖維/環(huán)氧樹脂界面時,還將引發(fā)電樹枝。進一步研究GRP材料中水樹枝向電樹枝的轉(zhuǎn)化特性,發(fā)現(xiàn)在低含水量條件下水樹枝更容易轉(zhuǎn)化為電樹枝。試驗獲得了 GRP材料中電樹枝的生長特性,電樹枝的生長受玻璃纖維“吸引”,在玻璃纖維/環(huán)氧樹脂界面附近的生長模式因界面狀態(tài)而異,材料中含水量的增大將使電樹枝由枝狀變?yōu)閰矤�。提出了以臨界擊穿場強作為表征界面狀態(tài)的特征量,建立了考慮玻璃纖維/環(huán)氧樹脂界面臨界擊穿場強的GRP材料電樹枝仿真模型,獲得了玻璃纖維介電常數(shù)、取向,玻璃纖維/環(huán)氧樹脂界面狀態(tài)對電樹枝生長的影響規(guī)律,揭示了上述因素對GRP材料中電樹枝生長的影響機制。玻璃纖維的介電常數(shù)決定了電樹枝的生長方向,當玻璃纖維介電常數(shù)高于環(huán)氧樹脂基體時,玻璃纖維對電樹枝表現(xiàn)出“吸引”作用,反之表現(xiàn)為“排斥”作用;玻璃纖維較高的臨界擊穿場強將使電樹枝無法進入而繞行發(fā)展;玻璃纖維/環(huán)氧樹脂界面狀態(tài)決定了電樹枝在界面附近的生長模式,當界面臨界擊穿場強低于環(huán)氧樹脂時,電樹枝將在與界面區(qū)域接觸后沿該區(qū)域直線式生長,電樹枝生長至較高臨界擊穿場強的界面,將停止生長并在相鄰分支形成新的電樹枝生長通道。基于電樹枝在GRP材料中的生長特性及機理,提出了降低玻璃纖維材料介電常數(shù)、適當減小玻璃纖維直徑,適當增大玻璃纖維的表面積等材料優(yōu)化設(shè)計建議。綜合GRP材料在高濕環(huán)境下的劣化特性及機理,將復(fù)合絕緣子芯棒異常發(fā)熱的發(fā)展分為4個階段:1.端部界面劣化階段,2.芯棒水解階段,3.環(huán)氧樹脂氧化階段,4.芯棒預(yù)斷裂階段。
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM216
【圖文】：

第１章緒論逡逑個別線路上，并且線路帶電之后，鳥啄現(xiàn)裙撕裂也僅發(fā)生在局部區(qū)域，且己有廠家受大風(fēng)撕裂［｜８＇｜９１。逡逑裂。復(fù)合絕緣子承受機械強度的芯棒，是以高材料制成的復(fù)合材料。在復(fù)合絕緣子的短時或很大的機械載荷，就能使復(fù)合絕緣子芯棒緣了的通常斷裂。作為高分子復(fù)合材料，現(xiàn)為纖維的不規(guī)則斷裂，并同時伴有大量纖，如圖１－２所示。逡逑

教授將該類斷裂現(xiàn)象命名為復(fù)合絕緣子酥朽斷裂［３２ｊ，并認為水分侵入芯棒是引逡逑起復(fù)合絕緣子酥朽斷裂的重要原因。值得一提的是，發(fā)生酥朽斷裂的絕緣子有逡逑的斷面出現(xiàn)明顯碳化，呈黑色［３３］，如圖１－４邋ａ）所示，有的斷面未出現(xiàn)碳化，呈逡逑白色［３４１，如圖１－４邋ｂ）所示。目前，對于復(fù)合絕緣子發(fā)生酥朽斷裂的機理并不清逡逑楚，對于如何防止酥朽斷裂也沒有明確的方法。逡逑Yj邋ＩｌｉＪ逡逑ａ）斷面碳化邐ｂ）斷面未碳化逡逑ａ）邋Ｆｒａｃｔｕｒｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｗｉｔｈ邋ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ邐ｂ）邋Ｆｒａｃｔｕｒｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｗｉｔｈ邋ｎｏ邋ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ逡逑圖１－４復(fù)合絕緣子酥朽斷裂逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｄｅｃａｙ－ｌｉｋｅ邋ｆｒａｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ邋ｉｎｓｕｌａｔｏｒ逡逑（４）異常發(fā)熱。在對復(fù)合絕緣子酥朽斷裂問題的研究中，我們發(fā)現(xiàn)絕緣子逡逑在發(fā)生斷裂前均能檢測到異常發(fā)熱現(xiàn)象［３２＇３Ｗ９］。２０１１年，在中國廣西省發(fā)生一逡逑起復(fù)合絕緣子酥朽斷裂事故１３８］，南方電網(wǎng)對全網(wǎng)復(fù)合絕緣子進行了紅外測溫檢逡逑查，發(fā)現(xiàn)多條線路存在大量復(fù)合絕緣子異常發(fā)熱現(xiàn)象，其中３條５００邋ｋＶ線路的逡逑異常發(fā)熱復(fù)合絕緣子數(shù)量超過１０％，異常發(fā)熱絕緣子的紅外熱像圖如圖１－５所逡逑示。在此之前

足同標準規(guī)定的直流擊穿強度，并建議適當提高芯棒生產(chǎn)過程中的環(huán)境溫度從逡逑而抑制吸濕。檢測到吸濕率分別為０．０３％和０．０６％時芯棒表面的放電情況分別逡逑如圖１－８邋ａ）和１－８邋ｂ）所示。逡逑＂１７／８５／２０１３邋0－邋１７／８５／２０１３邐０逡逑８０邋１１８３０邐＿邋８８邋２５５１８逡逑ａ）吸濕率０．０３％邐ｂ）吸濕率０．０６％逡逑ａ）邋Ｍｏｉｓｔｕｒｅ邋ｃｏｎｔｅｎｔ邋ｏｆ邋０．０３％邐ｂ）邋Ｍｏｉｓｔｕｒｅ邋ｃｏｎｔｅｎｔ邋ｏｆ邋０．０６％逡逑圖１－８不同吸濕率下芯棒表面放電情況逡逑Ｆｉｇ．邋１－８邋Ｓｕｒｆａｃｅ邋ｄｉｓｃｈａｒｇｅｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＣｉＲＰ邋ｃｏｒｅｓ邋ｗｉｔｈ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｍｏｉｓｔｕｒｅ邋ｃｏｎｔｅｎｔｓ逡逑丹佛大學(xué)Ｋｕｍｏｓａ等人｜ＩＱ２邋ＩＭ１也對芯棒在水分侵入ｄｊ電氣特性進行ｒ測逡逑試，獲得了不同基材和玻纖材料對芯棒吸濕韋及吸濕后泄露電流的影響，并發(fā)逡逑９逡逑

【參考文獻】

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本文編號：2804893