基于吸湿性与介电特性的复合绝缘子老化状态评价方法

摘要

本发明属于电压与绝缘技术领域，特别涉及一种基于吸湿性与介电特性的复合绝缘子老化状态评价方法。其是切取待测复合绝缘子高压端一片伞裙，并取其表层硅橡胶材料制成直径为3cm，厚度为0.7±0.1mm的圆形薄片试样，试样进行表面处理并干燥后，进行湿度为80％的吸湿过程中的介质损耗测试，并求取饱和介质损耗因数，根据饱和介质损耗因数和评分公式S＝56.41+56.58e

说明书

技术领域

本发明属于电压与绝缘技术领域，特别涉及一种基于吸湿性与介电特性的复合绝 缘子老化状态评价方法。

背景技术

复合绝缘子作为输电线路的重要绝缘设备，其与玻璃和瓷绝缘子相比，具有耐污 闪能力强，重量轻，机械强度高，易运输等优点。但是由于有机材料中结合各分子的共价键 键和力比较弱，因而构成有机材料的大分子容易断裂。因此，随着运行年限的增长，复合绝 缘子硅橡胶材料的老化却比其它类型的绝缘子更为严重。复合绝缘子硅橡胶材料的老化会 导致其机械和电气性能的下降，严重的会导致事故发生，因此对复合绝缘子的老化状态进 行评价具有重大意义。

目前，复合绝缘子硅橡胶材料的老化状态评估有很多方法。最常用的是憎水性测 试，长期试验发现，当绝缘子表面出现粉化时，憎水性并不能有效反映其伞裙硅橡胶材料的 老化状态。此外，泄漏电流分析、外观检查、紫外成像、Fourier红外光谱分析、扫描电镜等方 法也得到了一定的应用，但这些方法因为无法定量分析测试结果或者灵敏度较低，导致无 法广泛应用于评估复合绝缘子硅橡胶材料的老化状态。因此探寻复合绝缘子硅橡胶材料老 化的新特征量，进而提出新的老化状态评判方法具有重大意义。

介质损耗被国内外学者广泛应用于绝缘设备和材料的老化状态评估的研究中，例 如聚酰亚胺薄膜、油浸纸、聚乙烯电缆、电机绕组以及玻璃绝缘子等均有相关研究使用介质 损耗来评价其老化状态，但关于复合绝缘子硅橡胶材料在老化过程中介质损耗特性的研究 却没有报道。另一方面，复合绝缘子硅橡胶材料具有吸湿性。水作为强极性物质侵入硅橡胶 材料内部，在交变电场作用下发生转向极化，产生极化损耗，最终将导致硅橡胶材料的老 化。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种基于吸湿性与介电特性的复合绝缘子老化 状态评价方法。

基于前期研究结果表明，在潮湿环境下，硅橡胶材料的吸湿能力越强，其吸湿达饱 和后的介质损耗因数越大。在此基础上，通过测试不同老化程度的人工老化和现场运行复 合绝缘子硅橡胶试样在不同湿度下的介质损耗特性，并结合试样表面微观特性进行系统分 析，提出了基于硅橡胶材料吸湿过程中介质损耗特性判断老化状态的新方法。

包括以下步骤：

(1)从需要进行老化评分的复合绝缘子高压端取下一片伞裙，并切取其上表面硅 橡胶材料制备成直径为3cm，厚度为0.7±0.1mm的圆形薄片试样；

(2)将试样用无水乙醇擦拭，除去表面污秽，然后放入电热恒温鼓风干燥箱中进行 干燥，设定温度为50℃；

(3)干燥24h之后，将试样置于恒温恒湿箱中，设定温度为50℃，湿度为80％；

(4)吸湿时间达10～20h后，每隔t≥5h对试样进行一次介电特性测试，测试过程如 下：启动宽频介电谱仪，扫频范围为10⁶～1Hz，步长为1.41，每次测试时间为3min，测试完毕 后迅速将试样放回恒温恒湿箱；连续测试4个值；

(5)完成介电特性测试后，求所测得的4个值的平均值，即为饱和介质损耗因数；

(6)将饱和介质损耗因数套入公式S＝C₀+C₁e^k·tanδ中，求得该复合绝缘子的老化得 分，其中C₀，C₁，k为常数，分别等于56.41，56.58，-12.35，tanδ为饱和介质损耗因数，即评分 公式为S＝56.41+56.58e^{-12.35·tanδ}；若得分小于60分，则认为该复合绝缘子老化程度高，需 要更换或进行进一步检查；若大于60分则认为还可以继续运行。

步骤(1)中所述一片伞裙取自复合绝缘子高压端第一片伞裙。

本发明的有益效果为：本发明通过饱和介质损耗因数给出评分公式，能够准确灵 敏的判断复合绝缘子硅橡胶材料的老化程度，且能将不同地区试样的老化状态进行统一评 分，对运行部门的检修计划制定给出参考性建议。

附图说明

图1为试样形状示意图；

图2为薄片试样在不同湿度下吸湿过程中介质损耗因数变化曲线；

图3为人工老化试样饱和介质损耗因数随老化时间的变化特性；

图4为黑龙江地区绝缘子试样介质损耗因数随运行年限的变化特性；

图5为浙江地区绝缘子试样介质损耗因数随运行年限的变化特性；

图6为一种基于吸湿性与介电特性的复合绝缘子老化状态评价方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明 仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

(1)从需要进行老化评分的复合绝缘子高压端取下一片伞裙，并切取其上表面硅 橡胶材料制备成直径为3cm，厚度为0.7±0.1mm的圆形薄片试样，如图1所示。由于硅橡胶的 老化主要是表层，若切取的试样过厚，则会影响该方法的灵敏度。试样取两片。

(2)将两片试样分别用无水乙醇擦拭，除去表面污秽，然后放入DHC-9070A电热恒 温鼓风干燥箱中进行干燥，设定温度为50℃，以使试样在进行吸湿前的状态进行统一。

(3)干燥24h之后，启动Novocontrol宽频介电谱仪(扫频范围为3μHz～3GHz)，对试 样的介电特性进行测试，扫频范围为10⁶～1Hz，步长为1.41。扫频范围从高到底的原因是扫 频范围过小或从低频开始扫描，会导致47Hz下的值不准，随机波动的可能性加大。

(4)对试样测试完毕后，分别置于湿度分别为80％和30％的BINDER恒温恒湿箱中， 设定温度为50℃。

(5)在不同的时刻测试试样吸湿5h内的介质损耗因数，并在吸湿10h后，每隔t≥5h 对试样进行一次介电特性测试，每次测试时间为3min，测试完毕后迅速将试样放回恒温恒 湿箱。整个吸湿过程共计80h。由于测试是在常温下进行，因此测试时间需严格把控，时间过 长会破坏试样的吸湿状态，因此每次试样的测试时间需一致。

通过对试样进行上述试验后，获得如图2所示的试样在不同湿度下吸湿过程中介 质损耗因数变化曲线。从图2中不难看出，在两个湿度下试样介质损耗的变化规律相似。吸 湿初期，试样的介质损耗因数迅速增大；当吸湿时间到达5h后，试样的介质损耗因数趋于饱 和，不再有明显增大趋势。由于在干燥条件下测得的介质损耗因数并不能灵敏的判断硅橡 胶材料的老化程度，而在高湿度下吸湿后测得的饱和介质损耗因数能够准确、灵敏的判断 复合绝缘子硅橡胶材料的老化程度。由于80％湿度下的硅橡胶试样的介质损耗因数较30％ 湿度下更为显著，因此，以下研究以80％湿度、扫频频率为47Hz的饱和介质损耗因数值为特 征量，饱和介质损耗因数值定义为在80％湿度下，试样吸湿10～20h后，每隔t≥5h对试样进 行一次介电特性测试，连续4个测量值的平均值。

为验证使用饱和介质损耗因数对判断复合绝缘子硅橡胶材料老化程度进行评价 的有效性以及给出评价公式，选取了10支新复合绝缘子试样在紫外照射、盐雾、高温高湿等 环境因素下进行了5000h多因素综合人工老化试验，获得了老化程度各异的复合绝缘子试 样，并对该批试样的伞裙硅橡胶材料在吸湿过程中的介电特性进行了测试。

图3给出了人工老化试样在80％湿度以及干燥环境下的介质损耗因数随老化时间 的变化特性。由图3可知，人工老化试样随着老化程度的加剧，其饱和介质损耗因数显著增 大，而干燥状态下的试样介质损耗因数增大不明显。

基于以上试验结果，提出基于吸湿性与介电特性的人工老化复合绝缘子老化状态 评价方法。根据饱和介质损耗因数对试样的老化程度进行评分，具体公式如下所示：

S＝C₀+C₁e^k·tanδ

其中：C₀，C₁，k为常数，tanδ为饱和介质损耗因数

为将该评分公式运用到现场运行绝缘子中，对两个典型地区运行年限各异的复合 绝缘子试样在吸湿过程中的介质损耗特性也进行了测试，步骤如下：

(1)从需要进行老化评分的复合绝缘子高压端取下一片伞裙，并切取其上表面硅 橡胶材料制备成直径为3cm，厚度为0.7±0.1mm的圆形薄片试样，如图1所示。试样包括A5、 A12、A16，分别指黑龙江地区运行年限为5年、12年、16年的复合绝缘子试样；以及B7、B9、 B14，分别指浙江地区运行年限为7年、9年、14年的复合绝缘子试样。

(2)将试样用无水乙醇擦拭，除去表面污秽，然后放入DHC-9070A电热恒温鼓风干 燥箱中进行干燥，设定温度为50℃，对试样在进行吸湿前的状态进行统一。

(3)干燥24h之后，将试样置于BINDER恒温恒湿箱中，设定温度为50℃，湿度为 80％。

(4)吸湿时间达10h后，每隔t≥5h对试样进行一次介电特性测试，测试过程如下： 启动Novocontrol宽频介电谱仪(扫频范围为3μHz～3GHz)，对试样的介电特性进行测试，扫 频范围为10⁶～1Hz，步长为1.41，每次测试时间为3min，测试完毕后迅速将试样放回BINDER 恒温恒湿箱。

(5)完成介电特性测试后，对每个试样求所测得的4个值的平均值，即为饱和介质 损耗因数。

根据它们的饱和介质损耗因数以及试样信息对评分公式的系数进行了确定。测试 现场运行绝缘子试样信息如表1所示。

表1现场运行复合绝缘子试样信息

从图4-5可以看出，现场试样的结果与人工老化结果规律性是一致的。因此综合人 工老化试样和现场老化试样的饱和介质损耗因数以及其对应的运行地区和运行年限，确定 公式的常数项值。

认为人工老化新试样为100分，试样A5为80分，试样A16为60分。分数与饱和介质损 耗因数为指数关系。

得出：C₀，C₁，k分别等于56.41，56.58，-12.35

即公式为：S＝56.41+56.58e^{-12.35·tanδ}

则可以对现场试样均进行评分，评分结果如表2所示。

表2现场运行复合绝缘子试样评分信息表

从表2中可知，本方法能够准确灵敏的判断复合绝缘子硅橡胶材料的老化程度，且 能将不同地区试样的老化状态进行统一评分。

实施例1

选取典型地区青海地区不同运行年限的复合绝缘子试样进行老化评分。

(1)由于在运行时，复合绝缘子高压端的第一片伞裙相对其他部位的伞裙电场强 度最强，将需要进行老化评分的复合绝缘子高压端第一片伞裙切下，并取其上表面硅橡胶 材料制备成直径为3cm，厚度为0.7±0.1mm的圆形薄片试样，如图1所示。试样包括C4、C6、 C11，分别指青海地区运行年限为4年、6年、11年的复合绝缘子试样。

(2)将试样用无水乙醇擦拭，除去表面污秽，然后放入DHC-9070A电热恒温鼓风干 燥箱中进行干燥，设定温度为50℃，对试样在进行吸湿前的状态进行统一。

(3)干燥24h之后，将试样置于BINDER恒温恒湿箱中，设定温度为50℃，湿度为 80％。

(4)吸湿时间达10h后，每隔t≥5h对试样进行一次介电特性测试，测试过程如下： 启动Novocontrol宽频介电谱仪(扫频范围为3μHz～3GHz)，对试样的介电特性进行测试，扫 频范围为10⁶～1Hz，步长为1.41，每次测试时间为3min，测试完毕后迅速将试样放回BINDER 恒温恒湿箱。

(5)完成介电特性测试后，对每个试样求所测得的4个值的平均值，即为饱和介质 损耗因数。

(6)将饱和介质损耗因数套入公式S＝56.41+56.58e^{-12.35·tanδ}中，求得该复合绝缘 子的老化得分，结果如表3所示。

表3青海地区复合绝缘子试样老化评分信息表