减小字体
增大字体- ·上一篇文章：在五轴数控加工中有关多刀加工自由曲面的刀具选择
- ·下一篇文章：地空导弹智能故障诊断的规则推理
针对高压设备绝缘老化及状态维修分析
摘要：针对电气设备的绝缘老化现象，对一些灵敏反映绝缘老化的物理或逻辑参量进行间断或连续的在线监测，从而实现状态维修。
关键词： 绝缘老化；状态维修；在线监测
Insulation Ageing of High Voltage Equipment and Implement Its Condition Based Maintenance
SU Guo-sheng1, YANG Shao-fu2
(1. Department of Plan&construction Engineering ,Xu Chang College For Vocational Technology ,Xuchang 461000, China,；2. Department of Information Engineering, Xu Chang College For Vocational Technology, Xuchang 461000, China)
Abstract：Bases on the phenomenon that electrical equipments occur insulation aging, monitoring some physics or logic parameter which sensitive reflect insulation ageing by disconnected or continuous, thereby implemented the condition based maintenance for it
Key words: Insulation ageing；Condition based maintenance；Monitoring online
1 绝缘材料的老化
1.1 热老化
高压电气设备运行中产生的热量导致绝缘体的温度升高。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是不同的，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际上是由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＝lnA＋B/T，其中，A、B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Montsinger 10℃规则难以区分不同条件下老化的差异的缺点。
1.2 电老化
绝缘体在电场应力作用下的老化行为，尚无定量描述的理论公式。通常采用倒数幂关系的经验公式L=K/En来表示绝缘体在外施电场下的老化规律[12]，其中E为外加电场，K为试验确定的常数，与具体的绝缘系统或材料有关，n为电压耐受系数，须在一定的电压和温度下试验确定。
不少研究者认为，当外加电压低于绝缘体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。通过建立热—电应力联合作用下的绝缘概率寿命模型，发现在温度确定的条件下，绝缘材料的寿命曲线趋向一电场阈值ET，当绝缘承受的外加电场低于或接近该电场阈值时，其寿命将趋于无穷[3]。这一临界电场值可通过对击穿时间与外施电场大小的Weibull统计分析得出[4]。这种存在电场临界值的观点与经验和直觉比较一致。通常认为电气击穿强度是评价绝缘老化的一个最根本的属性，当外施电场远低于材料的击穿强度时，相当于材料具有非常高的耐电强度，此时绝缘材料将在非常长的时间内耐受该电场而不出现击穿。
对于上述阈值电场的存在，也有人持不同观点。Armin Bruning通过对气穴中空气从亚电晕(Sub-corona)到强烈电晕(intense-corona)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。以上现象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阈值。通过测量气穴表面的温升有可能利用Arrhenius方程在气体空腔这样的微小区域水平上评价绝缘的老化。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。但是这种观点似乎不好解释进行交流耐压等试验中电压升高到一定程度时，普遍观察到的电流急剧上升现象。相比之下，阈值寿命模型更能为经验所接受，且较能体现其对绝缘设计的指导作用。
1.3 多应力联合老化
经验表明，绝缘老化的程度和老化的速率根据材料的物理、化学特性，外施应力的类型和持续时间，生产过程中采用的工艺而定，故需对绝缘材料在上述应力的多种组合作用下的老化行为及各种应力的协同作用进行广泛深入的研究以求其老化规律。
电—热联合应力老化是目前研究中采用最多的一种应力组合方式。建立老化寿命模型主要的手段是将电老化反幂形式经验公式L=K/En和热应力老化的Arrhenius方程L=Aexp（B／T）统一起来。而得到绝缘寿命—外施电场—温度之间的关系。L(T，E)=K(T)E－n（T）exp（B／T）为Ramu得出的电—热联合应力下的寿命方程，K和电压耐受系数n成为温度的函数。
电力设备中很多因素产生机械应力，主要有设备旋转部分的振动或绝缘结构中介质部分与金属导体部分热膨胀系数不同而引起的周期性应力以及绝缘材料承受的交变电场力等。机械应力的破坏主要表现为绝缘材料疲劳而产生裂纹或气穴，诱发电树枝的形成和生长。对于旋转电机等设备，其绝缘同时遭受电、热及机械应力的作用且都是占主导地位的应力。因此，研究相应固体绝缘材料在上述联合应力作用下的性能非常重要。
对于运行在湿度较大的环境中的设备，湿度对绝缘材料尤其是潮气敏感材料(如聚酯等)老化过程的影响不可忽视。Dixon对封闭电气设备中这类材料的研究得出了该情形下绝缘寿命与温度、湿度的函数关系。在一定的范围内对不同的温度和湿度进行换算可得出在改变了的温度及湿度下绝缘的累积等效寿命。
有学者认为，从本质上来看，影响绝缘老化的最主要因素如电、热、机械应力、潮气及辐射等，都以化学反应的形式作用于绝缘材料，因此，在化学反应速率方程的基础上，应当能够找到一种统一的形式来表示多应力下绝缘的老化规律。
绝缘体在正常工作应力下的寿命，绝大多数是将加速老化试验结果向正常应力下外推得到的。加速试验外推的真实性和等效性受到持统计学观点的研究者的怀疑，而Dakin认为，在可靠的理论基础上进行的外推总比缺乏数据而不能获得任何信息要好。但有的试验如高频加速老化试验与工频下有很大不同，无法向工频外推，这是要妥善解决的问题。
1.4 绝缘击穿机理的一些探讨
气体放电领域中汤逊放电理论和流注放电理论比较成熟，在实践上也有很好的应用。液体中的击穿早在本世纪初即有研究，但其理论成就不及气体和固体。对纯净液体电介质分别施加冲击电压和缓变电压研究发现，液体介质的击穿过程主要应包含如下四个阶段：金属电极场致发射或介质中的强场电离导致带电粒子和空间电荷区形成的阶段；带电粒子的摩擦运动造成温度升高，低密度区形成并向对面电极扩散的电热阶
关键词： 绝缘老化；状态维修；在线监测
Insulation Ageing of High Voltage Equipment and Implement Its Condition Based Maintenance
SU Guo-sheng1, YANG Shao-fu2
(1. Department of Plan&construction Engineering ,Xu Chang College For Vocational Technology ,Xuchang 461000, China,；2. Department of Information Engineering, Xu Chang College For Vocational Technology, Xuchang 461000, China)
Abstract：Bases on the phenomenon that electrical equipments occur insulation aging, monitoring some physics or logic parameter which sensitive reflect insulation ageing by disconnected or continuous, thereby implemented the condition based maintenance for it
Key words: Insulation ageing；Condition based maintenance；Monitoring online
1 绝缘材料的老化
1.1 热老化
高压电气设备运行中产生的热量导致绝缘体的温度升高。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是不同的，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际上是由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＝lnA＋B/T，其中，A、B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Montsinger 10℃规则难以区分不同条件下老化的差异的缺点。
1.2 电老化
绝缘体在电场应力作用下的老化行为，尚无定量描述的理论公式。通常采用倒数幂关系的经验公式L=K/En来表示绝缘体在外施电场下的老化规律[12]，其中E为外加电场，K为试验确定的常数，与具体的绝缘系统或材料有关，n为电压耐受系数，须在一定的电压和温度下试验确定。
不少研究者认为，当外加电压低于绝缘体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。通过建立热—电应力联合作用下的绝缘概率寿命模型，发现在温度确定的条件下，绝缘材料的寿命曲线趋向一电场阈值ET，当绝缘承受的外加电场低于或接近该电场阈值时，其寿命将趋于无穷[3]。这一临界电场值可通过对击穿时间与外施电场大小的Weibull统计分析得出[4]。这种存在电场临界值的观点与经验和直觉比较一致。通常认为电气击穿强度是评价绝缘老化的一个最根本的属性，当外施电场远低于材料的击穿强度时，相当于材料具有非常高的耐电强度，此时绝缘材料将在非常长的时间内耐受该电场而不出现击穿。
对于上述阈值电场的存在，也有人持不同观点。Armin Bruning通过对气穴中空气从亚电晕(Sub-corona)到强烈电晕(intense-corona)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。以上现象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阈值。通过测量气穴表面的温升有可能利用Arrhenius方程在气体空腔这样的微小区域水平上评价绝缘的老化。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。但是这种观点似乎不好解释进行交流耐压等试验中电压升高到一定程度时，普遍观察到的电流急剧上升现象。相比之下，阈值寿命模型更能为经验所接受，且较能体现其对绝缘设计的指导作用。
1.3 多应力联合老化
经验表明，绝缘老化的程度和老化的速率根据材料的物理、化学特性，外施应力的类型和持续时间，生产过程中采用的工艺而定，故需对绝缘材料在上述应力的多种组合作用下的老化行为及各种应力的协同作用进行广泛深入的研究以求其老化规律。
电—热联合应力老化是目前研究中采用最多的一种应力组合方式。建立老化寿命模型主要的手段是将电老化反幂形式经验公式L=K/En和热应力老化的Arrhenius方程L=Aexp（B／T）统一起来。而得到绝缘寿命—外施电场—温度之间的关系。L(T，E)=K(T)E－n（T）exp（B／T）为Ramu得出的电—热联合应力下的寿命方程，K和电压耐受系数n成为温度的函数。
电力设备中很多因素产生机械应力，主要有设备旋转部分的振动或绝缘结构中介质部分与金属导体部分热膨胀系数不同而引起的周期性应力以及绝缘材料承受的交变电场力等。机械应力的破坏主要表现为绝缘材料疲劳而产生裂纹或气穴，诱发电树枝的形成和生长。对于旋转电机等设备，其绝缘同时遭受电、热及机械应力的作用且都是占主导地位的应力。因此，研究相应固体绝缘材料在上述联合应力作用下的性能非常重要。
对于运行在湿度较大的环境中的设备，湿度对绝缘材料尤其是潮气敏感材料(如聚酯等)老化过程的影响不可忽视。Dixon对封闭电气设备中这类材料的研究得出了该情形下绝缘寿命与温度、湿度的函数关系。在一定的范围内对不同的温度和湿度进行换算可得出在改变了的温度及湿度下绝缘的累积等效寿命。
有学者认为，从本质上来看，影响绝缘老化的最主要因素如电、热、机械应力、潮气及辐射等，都以化学反应的形式作用于绝缘材料，因此，在化学反应速率方程的基础上，应当能够找到一种统一的形式来表示多应力下绝缘的老化规律。
绝缘体在正常工作应力下的寿命，绝大多数是将加速老化试验结果向正常应力下外推得到的。加速试验外推的真实性和等效性受到持统计学观点的研究者的怀疑，而Dakin认为，在可靠的理论基础上进行的外推总比缺乏数据而不能获得任何信息要好。但有的试验如高频加速老化试验与工频下有很大不同，无法向工频外推，这是要妥善解决的问题。
1.4 绝缘击穿机理的一些探讨
气体放电领域中汤逊放电理论和流注放电理论比较成熟，在实践上也有很好的应用。液体中的击穿早在本世纪初即有研究，但其理论成就不及气体和固体。对纯净液体电介质分别施加冲击电压和缓变电压研究发现，液体介质的击穿过程主要应包含如下四个阶段：金属电极场致发射或介质中的强场电离导致带电粒子和空间电荷区形成的阶段；带电粒子的摩擦运动造成温度升高，低密度区形成并向对面电极扩散的电热阶
