电压互感器 绝缘结构和老化因素的对应措施
在互感器设计中绝缘部分一般采用传统的设计方法即采用检验统计的方法确定互感器绝缘的寿命近年来互感器绝缘设计方法中出现了现代的设计方法如有限元分析法可靠性设计技术和优化设计技术并且借助计算机技术的发展使用大型专业分析优化软件进行分析设计采用现代设计方法得到的方案比利用传统设计方法设计出的方案更加经济合理由于现代设计方法还处于发展之中现代设计方法的具体内容难以确定但目前己有多种比较成熟的方法概括起来有:优化设计有限元分析可靠性分析造型设计价值工程设计专家系统计算机辅助设计等而且这些方法交叉运用可以构成多种具有独特应用对象的方法如可靠性优化设计等
一电压互感器的绝缘结构
电压互感器按绝缘介质分有干式浇注式油浸式和气体式四类电压互感器的绝缘结构按照电压等级的不同使用环境的不同采取不同的方式通常专供测量用的低电压互感器是干式高压或超高压密封式气体绝缘如六氟化硫互感器也是干式浇注式适用于35kV及以下的电压互感器35kV以上的产品均为油浸式其中环氧树脂浇注式互感器与传统的油浸式充气式互感器相比具有无油无气无外壳终身免维护绝缘性能好等优点是目前世界上普遍使用的一种互感器
1干式绝缘结构
干式绝缘结构制造简单成本低廉但绝缘强度不高所以采用这种结构的电压一般不超过380V导线采用QZ型漆包圆铜线绝缘结构所用的绝缘材料主要有绝缘纸玻璃丝布带酚醛塑料等线圈与铁心之间采用胶木或塑料骨架绝缘层间绝缘以及一次与二次线圈之间的主绝缘一般采用黄蜡绸或聚脂薄膜仪用电压互感器环形铁心与线圈之间的绝缘一般采用绝缘纸板再绕一两层玻璃丝带黄蜡绸或聚脂膜带干式结构简单但体积较大只适用于低压户内装置或者10kv及以下的仪用电压互感器
2浇注式绝缘结构
所谓浇注式绝缘是指由树脂填料颜料及固化剂等按一定比例混合后浇注到装有互感器的一二次绕组及其他零部件的模具内经固化成型所形成的固体绝缘固化成型的混合胶既固定了各相关零部件又是互感器的主绝缘浇注绝缘具有绝缘性能好机械强度高防潮防火等优点树脂混合胶在室温或高温下具有较好的流动性可以填充小的间隙容易浇注成比较复杂的形状树脂混合胶还具有很强的粘合作用能把金属和许多绝缘材料牢固地粘接在一起是比较理想的互感器绝缘成型材料目前广泛应用于35kV及以下电压等级的户内互感器
目前我国互感器上普遍使用的树脂有环氧树脂和不饱和树脂两种不饱和树脂价格便宜可常温固化浇注工艺简单但是其电气和机械强度低耐热性较差此外不饱和树脂的饱和蒸汽压高混合胶不宜真空脱气浇注时也不宜抽真空浇注体内有气泡不饱和树脂的固化收缩率大混合胶固化时容易开裂因此不饱和树脂只适用于低电压的产品环氧树脂的固化收缩率小饱和蒸汽压低适于在高温高真空下浇注使混合胶的流动性更好可以最大限度地脱气从而得到性能理想的浇注体
浇注式绝缘有半浇注和全浇注两种:半浇注式是线圈单独浇注然后再装上铁心全浇注式是线圈和铁心装好后一起浇注环氧树脂全浇注电压互感器具有以下特点1实现了无油化保护了环境2实现了免维护节约了大量的人力物力及停电时间3其制造材料均为不燃或耐燃自熄物质阻燃防爆
线圈对铁心和地的绝缘都由树脂承担浇注时要求不夹入气泡或导电杂质线圈层间绝缘采用电缆纸或复合绝缘纸一次与二次线圈间的主要绝缘采用环氧树脂筒酚醛纸筒或经过真空压力浸漆的电缆纸筒塑料浇注式结构紧凑维护方便适用于3～10kV的户内装置
环氧树脂是一种早就广泛应用的化工原料它不仅是一种难燃阻燃的材料且具有优越的电气性能后来逐渐为电工制造业所采用浇注式电压互感器结构紧凑维护简单随着户外用树脂的发展亦将逐渐在35kV以上户外产品上采用浇注式电压互感器按浇注形式分为半浇注式和全浇注式其中一次绕组和各低压绕组以及一次绕组出线端的两个套管均浇注成一个整体然后再装配铁心的是一种常用的半浇注式结构优点是浇注体比较简单容易制造缺点是结构不够紧凑铁心外露会产生锈蚀需要定期维护;绕组和铁心均浇注成一体的叫全浇注式其特点是结构紧凑几乎不需维护但是浇注体比较复杂铁心缓冲层设置比较麻烦
浇注互感器外绝缘根据户内户外两种结构形式有所不同户内互感器用混合胶将一次绕组引线浇注成套管以保证引线端子到底座或外露铁心的绝缘距离浇注套管一般是圆锥体圆柱体或方柱体有时也根据需要设有伞裙户外互感器的外绝缘有许多伞裙以增加沿面爬电距离有时还设计为大小伞裙以提高其防污和抗凝露闪络能力户外浇注互感器的胶料与户内浇注互感器的胶料有所不同其所用环氧树脂填料固化剂均应满足户外运行条件
3油浸式绝缘结构
在我国互感器中目前油浸式电压互感器占很大比重其结构形式普遍用于35kV及以上各等级电压互感器较低电压等级的户内产品也有采用这种结构的油浸式电压互感器可分为单级式和串级式两种单级式用于220kV及以下各电压等级串级式用于66kV及以上电压等级
油浸式电压互感器的绝缘可分为:在油中的内部绝缘和在空气中的外部绝缘主绝缘为一次绕组及高压引线对铁心或接地部分和对其他绕组的绝缘串级式电压互感器的铁心与铁心之间及铁心与地之间的绝缘也视为主绝缘纵绝缘为绕组的线匝间层间线段间的绝缘
4气体绝缘结构
SF6气体无色无味具有较高的电气强度优良的灭弧性能良好的冷却特性不可燃灭弧能力强是一种极好的绝缘物质将它用于电气设备可免除火灾的威胁缩小设备尺寸提高系统运行的可靠性SF6金属封闭式组合电器GIS的出现缩小了户外变电所的占地面积提高了运行的安全可靠性一般SF6气体绝缘互感器用在GIS设备的配套设备中互感器装到GIS上以后充满SF6气体有着良好的绝缘性能
SF6电压互感器采用单相双柱式铁心器身结构与油浸单级式电压互感器相似包括绕组端部绝缘高压引线绝缘一次绕组与铁轭外壳等其他接地金属件之间的绝缘若是三台单相电压互感器装在一个外壳内还包括相间绝缘层间绝缘采用有纬巨制粘带和聚酷薄膜一次绕组截面采用矩形或分级宝塔形引线绝缘根据互感器是配套式还是独立式有所不同目前国内制造厂采用高压引线与其它附件的SF6间隙来保证其绝缘强度
采用SF6气体的互感器误差稳定目前只生产接地型单项式用于分相全封闭组合电器三相由三台单相互感器构成用于三相共箱全封闭组合电器另外还有独立式单相SF6气体绝缘互感器用于一般开敞式变电站
二造成绝缘老化的因素
电气设备的绝缘在长期运行过程中会发生一系列如固体介质软化或熔解等形态变化低分子化合物及增塑剂的挥发等的物理变化和如氧化电解电离生成新物质等的化学变化致使其电气机械及其他性能逐渐劣化如电导和介质损耗增大变脆开裂等这些现象统称为绝缘的老化绝缘老化最终导致绝缘失效电力设备不能继续运行所示绝缘材料的寿命与老化时间的关系见图1
图1绝缘材料的寿命与老化时间的关系
促使绝缘老化的原因很多主要有热电和机械力的作用此外还有水分潮气氧化各种射线微生物等因素的作用绝缘老化的速度与绝缘结构材料制造工艺运行环境所受电压负荷情况等有密切关系
1热老化
电气设备绝缘在运行过程中因周围环境温度过高或因电气设备本身发热而导致绝缘温度升高1930年v.m.montsinger首次提出了绝缘寿命与温度之间的经验关系即10℃规则认为温度每升高10℃则绝缘寿命约减半但实际上不同绝缘的老化速度应该不同因此10℃规则不能简单地应用于所有的绝缘系统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
Lnl=lnα+b/t
其中αb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高温加速老化试验及试验结果的外推提供了理论依据弥补了Montsinger10℃规则难以区分不同条件下老化的差异的缺点
在高温作用下绝缘的机械强度下降结构变形因氧化聚合而导致材料丧失弹性或者造成耐放电性能降低因材料裂解而造成绝缘击穿电老化寿命缩短因为温度增高时放电起始电压降低放电强度增加放电产生的化学腐蚀增加热的不稳定性也能在更低的电压与频率下发生户外电气设备会因热胀冷缩而使密封破坏水分侵入绝缘或因瓷绝缘件与金属件的热膨胀系数不同在温度剧烈变化时瓷绝缘件破裂但是有试验数据表明不能用室温下所得材料耐放电性的试验结果来预测高温下的性能
2电老化
电气设备绝缘在运行过程中会受到电场的作用绝缘所承受的电场强度对其寿命有非常大的影响原因是一方面场强增加放电次数增加;另一方面加快了从局部放电到击穿的过程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一般电老化寿命与场强不是线性关系而是反幂关系在雷电过电压和操作过电压的作用下绝缘中可能发生局部损坏以后再承受过电压作用时损坏处逐渐扩大最终导致完全击穿
电老化是所有的高压电气设备不可避免的一种老化形式用于高压电气设备的绝缘在制造过程中内部或多或少会存在一些微观尺度甚至宏观尺度的气隙缺陷当外电场达到气隙的起始放电电压时就会发生局部放电破坏绝缘的结构逐步降低它的绝缘性能常用的单应力电老化模型有反幂及指数模型分别为
L=K-n
L=αexp-bE式中E为电场强度knαb为实验确定的常数
电老化的机理十分复杂如电场的均匀程度与电压的频率均会对电老化的速度造成影响当固体绝缘介质处在均匀电场中时其击穿电压往往较高;而在不均匀的电场中其击穿电压往往较低同一种绝缘介质在不同的电压频率下放电次数随频率成比例增加因此除频率非常高引起热击穿外一般绝缘的电老化寿命与频率成反比此外不同材料的寿命一场强曲线是交错的
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在温度确定的条件下绝缘材料的寿命曲线趋向一电场闽值式当绝缘承受的外加电场低于或接近该电场阐值时其寿命将趋于无穷对于上述闻值电场的存在也有持不同观点的人认为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阐值一些学者通过对气穴中空气从亚电晕到强烈电晕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阐值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
3机械力老化
在机械负荷自重振动撞击和短路电流电动力的作用下绝缘会破坏机械强度下降另外材料内部存在拉伸应力时它的耐放电性能下降但压缩应力对它的耐放电性能影响不大由于材料在制造和应用过程中常存在残余拉伸应力因此它对材料老化寿命的影响极为重要
4湿度老化
环境的相对湿度对绝缘材料耐受表面放电的性能有影响如果绝缘承受表面放电环境的相对湿度对材料的耐放电性有显著影响由于在高相对湿度下放电的结果在材料表面会生成一层半导电层使放电产生自衰因此在表面放电情况下一定相对湿度范围内绝缘材料的电老化寿命随相对湿度的增高而增长;但在较高的相对湿度下寿命随相对湿度的增高而缩短如果水分侵入绝缘内部将会造成介质电损耗增加或击穿电压下降对于某些绝缘材料例如聚乙烯由于水分的存在在很低的电场强度下也会发生树枝现象
5化学老化
绝缘材料在水分酸臭氧氮的氧化物等的作用下物质结构和化学性能会改变以致降低电气和机械性能例如变压器油在空气中会因氧化产生有机酸使介质损耗增加:同时还会形成固体沉淀物堵塞油道影响对流散热使绝缘的温度上升而使绝缘性能下降
6其他老化因素
绝在户外使用的绝缘材料受日光直接照射在紫外线作用下也会发生老化在核反应堆X射线装置中用的绝缘材料受到辐射作用均会发生老化此外在温热带地区绝缘材料还会受到各种微生物的损害即所谓微生物老化
绝缘材料在实际应用中往往同时受到多种老化因素的共同作用其效应并不是各种单一因素老化效应的简单叠加它们之间还存在着相互作用所以老化机理很复杂
三电压互感器绝缘结构发展趋势
电压互感器的原理比较简单不同用户依据电压互感器使用的场合用途产品更新换代的速度对电压互感器提出不同的使用寿命要求由于不同寿命的产品成本价格有着很大的差异电压互感器的绝缘设计寿命将按照用户预期使用的寿命来设计将彻底改变旧有产品使用越久越合算的观念
将机械设计中应力一强度干涉理论将引入电气绝缘可靠性技术中来这项技术的发展使电器产品的绝缘使用寿命可以随着用户对不同场合用途的电压互感器使用寿命提出差异化要求成为现实
电压互感器的绝缘寿命薄弱环节即一次线圈直角部分的尖端电极造成的电位线畸变引起电场集中问题可以通过增大薄弱区域的绝缘来解决这个问题但增大绝缘要与成本增加综合考虑;也可以考虑采取屏蔽的方式改进线圈的设计降低电场温度场应力的方式来进行优化如增大线圈线径增加线圈直径增大散热和对线圈直角部分倒圆角对一次线圈增加铜制均压环的方式解决电场畸变的问题等降低温度的方式和增加铜制均压环的方式都需要增加铜金属的成本经济上不划算因此选择比较经济的对一次线圈直角部分进行倒圆角将尖端电极和造成电场集中的电极变的圆滑改善电场分布的方式进行优化
