基于电力绝缘材料老化现场测试技术分析

吴 峰 ，柯 锐 ，董中强 ，朱晓东 ，梅 端

（1.南瑞集团有限公司，江苏 南京 211000；2.武汉南瑞电力工程技术装备有限公司，湖北 武汉 430415；3.武汉南瑞有限责任公司，湖北 武汉 430074）

0 引 言

随着国民经济的不断发展，全社会对电力供应的需求及要求不断提升，这种要求推动了电力系统的快速发展。与此同时，由于温度、湿度以及紫外线等因素的影响，电力绝缘材料不可避免的出现老化情况，而电力系统的快速发展则会增加电力绝缘材料老化的现场测试工作量，提高对人员技术水平的要求。电力绝缘材料作为一种导电惰性材料，可以有效阻止导体内部的电流与外部连通，进而保障电力系统的安全、稳定运行。但电力绝缘材料在具体应用过程中出现老化等质量问题，会严重影响其绝缘性能。针对此种情况，各地区电力系统均需要定期检测分析电力绝缘材料的老化程度及绝缘性能，及时发现电力绝缘材料存在的各类问题，早发现早解决，避免电力系统的正常运行受到影响。基于此，本文研究分析电力绝缘材料老化现场测试技术，进一步提高电力绝缘材料老化现场测试效率及效果，具有重要的现实意义。

1 电力绝缘材料工作机理及老化原因

现阶段，电力绝缘材料大多为高分子橡胶绝缘材料，其属于高分子电介质，具有饱和分子链，并且通常情况下，该类分子链具有较强的抗老化性和柔弱性特征[1]。电力绝缘材料的分子结构为多结构单元组成的长链分子结构，如图1所示，其结构中的每个单链均可以通过内旋转形成不同的空间结构，一方面使得电力绝缘材料的长链分子具有不同的结构构象，另一方面也使得电力绝缘材料的介质损耗角正切相对较小，实际绝缘电阻值更高，通常情况下不会随着温度的变化而出现变化[2]。

图1 电力绝缘材料的分子结构

然而实际使用中，电力绝缘材料易受到紫外线、湿度以及温度等因素的共同影响，进而导致分子结构出现变化，促使电力绝缘材料出现老化等情况。具体来说，在紫外线、温度以及湿度等因素的共同影响下，电力绝缘材料的分子结构将会出现活化，进而产生大量的游离基，再加上紫外线短波会对电力绝缘材料的化学键造成一定破坏，多种因素共同导致电力绝缘材料出现老化、表现生成网状裂缝等问题。此外，电力绝缘材料的性质一般情况下不会随着温度的变化而变化，但高温却可以导致电力绝缘材料出现老化，其主要原因在于高温环境下电力绝缘材料的分子链将会被活化，进而促使游离基数量增加，导致电力绝缘材料的分子链易出现断裂和重组情况，引发分子结构变化，最终表现出绝缘材料老化及绝缘性能下降等问题。

2 电磁场检测技术的原理

电磁场检测技术以电磁感应原理为基础，在实际检测过程中根据电磁场中感应电流的大小和磁场变量变化综合分析确定被检测物体的缺陷情况。以电力绝缘材料为例，若在检测过程中电力绝缘材料没有出现老化或者其他质量问题，那么不仅电磁场检测技术所获取的感应电流数值较为恒定，而且电力绝缘材料表面所形成的电磁场也会相对均匀[3]。反之，若是电力绝缘材料出现老化等质量问题，那么电磁场检测技术所获取到的感应电流数值也将会出现较大变化，并且电力绝缘材料表现的电磁场也会出现一定的畸变。之所以会这样，主要原因在于电力绝缘材料出现老化后，其老化部位的分子结构发生变化，导致电力绝缘材料老化部位的感应电流和电磁场出现偏移和畸变等变化，具体表现如图2所示。

图2 电力绝缘材料老化部位感应电流和磁场变化表现

3 电力绝缘材料老化现场测试技术的必要性

电力系统中的大部分电力绝缘材料均长期在户外使用，然而相对于室内环境，户外环境不仅昼夜温差、季节温差以及湿度差相对较大，而且还会受到日照紫外线等因素的影响。具体调查发现，我国大多数地区的电力系统均采用了高分子橡胶绝缘材料，此类材料具有质量轻、强度高以及稳定性强等优势。然而正如上文所述，在实际运行过程中，电力绝缘材料将会受到多种因素的影响，极易出现老化等质量问题[4]。在此情况下，为保障电力系统的安全稳定运行，势必要经常全面测试电力系统中的电力绝缘材料性能。传统的电力绝缘材料老化测试大多采用电力耐受压实验、物理解剖以及化学测试等方式，相关测试技术虽然可以在一定程度上确定电力绝缘材料的老化程度，但实际测试过程中却会对电力绝缘材料造成一定破坏，以至于测试后需要对测试区域的电力绝缘材料进行更换处理，再加上测试效率较低，测试过程中需要进行局部停电等诸多情况。多方面因素导致传统测试技术的实际测试成本相对较高，并且会严重影响检测区域附近居民的用电体验。因此，有必要研究一种可以实现快速、灵活且不会对电力绝缘材料造成破坏的电力绝缘材料老化现场测试技术，来实现对电力绝缘材料的全面检测，提高测试效率及效果。

4 基于电磁场检测的电力绝缘材料老化现场测试技术分析

4.1 电力绝缘材料老化现场测试设备

电力绝缘材料老化现场测试设备主要是指便携式老化状态检测传感器设备，该设备主体为永磁体。在应用过程中，永磁体会形成有限元电磁场，通过此电磁场可以实现对电力绝缘材料老化部位的现场检测。具体来说，便携式老化状态检测传感器设备会根据电力绝缘材料的实际运行工况，基于方形永磁体合理构建传感器设备原初磁场BX，但由于永磁体所形成的原初磁场强度较不均匀，并且实际抗干扰能力相对较弱，因此还需要在设备两侧分别加装体积相同的方形永磁体。后加装的两个方形永磁体的所形成的磁场变量分别记作BY和BZ，通过合理调整3个磁场的相对位置旋转角可以获取一个均匀的磁场，其中的原初磁场BX还会与电力绝缘材料的表面相互平行，而BY磁场则会垂直于原初磁场和电力绝缘材料表面，BZ磁场与原初磁场BX和加装永磁体磁场BY相垂直[5]。

基于此特性，在实际现场测试过程中仅需要将便携式老化状态检测传感器设备平行置于电力绝缘材料表面，设备便会自行测试出电力绝缘材料表面磁场BX的强度以及感应电流的实际数值，由此可以初步计算出测试电力绝缘材料的绝缘性能与老化程度[6]。具体电力绝缘材料表面磁场与感应电流的关系如图3所示。在实际现场测试过程中，若是电力绝缘材料未出现老化情况，那么感应电流的方向变化沿着Y轴进行传递，而磁场则是沿着X轴进行传递，并且此时加装永磁体磁场BY和BZ的磁场强度为0，而原初磁场BX的磁场强度则会与感应电流之间呈现出正比关系。反之，若是电力绝缘材料存在老化等质量问题，那么加装永磁体磁场BY和BZ的磁场强度将不再为0，如此将只需要对加装永磁体磁场BY和BZ的磁场强度及其相对应的感应电流数值进行计算和推导，便可以获取电力绝缘材料的老化程度初步现场测试结果。

图3 电力绝缘材料表面磁场与感应电流之间的关系

4.2 可移动便携式老化现场测试

为能够有效提高便携式老化状态检测传感器设备的现场测试效率及实用性，保障测试的精准性和有效性，需要结合便携式老化状态检测传感器设备的实际情况及电力绝缘材料运行工况定制专门的设备固定夹具。具体设计过程中，固定夹具将会有夹持杆和卡箍两部分组成。在实际现场测试过程中，工作人员只需要结合电力绝缘材料工况情况合理调节夹持杆和卡箍的角度，便可以实现针对不同电力绝缘材料工况情况下的传感器设备固定效果，进而促使传感器能够在固定过程中获取到更为精准有效的数据信息，保障测试结果的真实性和有效性[7]。此外，便携式老化状态检测传感器设备的前端还配置有专用的射频线圈阻抗元器件，该元器件主要用于发射和接收转换电路信号，再加上传感器设备中内置有谐振频率条件模块，此模块主要由二极管、电感以及无磁电容组成，将其设置在射频线圈附近以后，可以有效降低检测过程中的射频线圈发射和接收信号时所产生的电磁干扰情况，进而满足对各类电力绝缘材料的现场无损检测需求，满足电力绝缘材料老化现场检测可移动便携式目标效果[8]。

5 基于电磁场检测的电力绝缘材料老化现场测试技术的具体应用

在完成便携式老化状态检测传感器设备设计以后，为了验证此设备的可行性及有效性，还需要在电力系统中进行具体的测试应用。本文以某地区电力系统中的某一段电缆为测试对象，通过便携式老化状态检测传感器设备进行具体测试，并根据测试结果绘制出电缆表面电力绝缘材料的磁场分布，具体情况如图4所示[9]。

图4 现场测试中电力绝缘材料磁场分布图

在现场测试中，测点电缆表面的电力绝缘材料存在严重的老化缺陷问题，并在后续测试中运用传统测试技术对测点老化部位进行解构分析，最终发现采用便携式老化检测传感器设备测出的老化部位确实存在较严重的电力绝缘材料老化问题，从而说明了测点老化检测传感器设备在现场应用中具有一定的可行性。在后续测试误差率分析研究中，确定便携式老化检测传感器设备现场测试误差率小于5%，满足电力系统中电力绝缘材料老化现场测试的有关要求。

6 结 论

各地区电力系统必须要根据电力系统绝缘材料老化无损检测的实际要求，定期开展电力绝缘材料老化检测工作。为了进一步提高电力系统电力绝缘材料检测效率及效果，实现对电力绝缘材料无损检测目标，本文提出了一种基于电磁场检测技术的便携式老化状态检测传感器设备理论设计架构，并在后续研究中对此设备进行具体应用型测试，将测试结果与传统测试方法所得结果相对比，验证了便携式老化状态检测传感器设备的检测精准性、有效性以及无损性均符合相关要求，并且检测效率大幅度提升，降低检测中人力物力需求，减少了检测成本，多维度结合，可以为电力绝缘材料老化现场测试提供重要支持和技术保障，推动我国电力系统的进一步发展。