图1 GIS绝缘子的密度分布差异[23]
Fig.1 Density distribution of the GIS insulator[23]
摘要 超/特高压输变电技术迅速发展对电力设备绝缘性能提出了更高的要求。环氧绝缘件是电力设备绝缘系统的重要组成部分，但在生产、运行过程中都会产生不同程度的缺陷，在多场耦合作用下极易引发沿面闪络或击穿故障，威胁电力设备乃至电力系统的安全稳定运行，研究环氧绝缘件中缺陷的无损检测及评价方法具有重要意义。该文研究了环氧绝缘件在生产、运行过程中容易出现的缺陷类型，分析了不同缺陷对绝缘性能造成的影响。介绍了基于电学特性的缺陷检测方法、高频检测方法和超声波检测方法的基本原理，并评估了不同方法对环氧绝缘件缺陷的检测效果。从检测精度以及优缺点等角度对相关检测方法进行了综合评价，并对未来环氧绝缘件缺陷检测的研究和发展方向进行了展望。
关键词：高压电力设备 环氧绝缘件 绝缘缺陷 无损检测
近年来，超高压、远距离、大容量输电技术迅速发展，对电力设备的绝缘性能提出了更高的要求，而设备小型化、紧凑化的发展趋势使绝缘性能的重要性愈加突出[1-2]。环氧树脂易于成型、化学性能稳定、耐热性能好、机械韧性和电气绝缘性能优异，因此被广泛应用于高压电工装备绝缘[3-4]。环氧树脂绝缘件主要包括浇注类和浸渍类，前者主要应用于电机、电器、高压开关以及干式变压器等[5-6]，比如环氧浇注盆式绝缘子在气体绝缘开关设备（Gas Insulated Switchgear, GIS）中起着支撑载流导体母线、电气绝缘及隔离气室的作用[7]；后者则主要应用于电机线圈、绝缘拉杆和干式套管等[8]，例如绝缘拉杆主体采用纤维增强环氧树脂复合材料制成，用于将运动从接地部分传送到高电位部分，以实现电气连接的通断[9]。
环氧绝缘件中一旦出现绝缘缺陷，运行过程中会导致局部电场畸变，甚至达到平均电场强度的数倍以上[10]。电场畸变引起的局部放电容易使环氧绝缘件老化，绝缘性能下降，最终使高压电力设备绝缘系统发生沿面闪络、内部击穿等故障，并严重威胁电力系统的安全稳定运行[11-12]。已有研究表明，GIS环氧绝缘件中裂纹、分层、气泡三种不同缺陷下局部放电产生的脉冲波形、击穿电压等放电特征以及击穿风险均存在差异，其中裂纹缺陷产生的局部放电脉冲波形的上升沿最小，其击穿电压也最小，在长期运行工况下击穿风险最高[13-16]。对GIS绝缘内部不同形状气隙缺陷处电场分布的有限元仿真分析发现，气隙缺陷大小对电场强度畸变影响较小，而缺陷形状以及所在位置为场强畸变的重要影响因素；采用特高频法对实际GIS缺陷模型产生的局部放电进行检测，发现裂缝缺陷下的放电比气泡缺陷下的放电更为剧烈，并且裂缝宽度越小放电越剧烈[17]。对芳纶纤维增强型绝缘拉杆实体三维模型进行电场仿真分析表明，复合材料界面结合不佳引起的层间分离缺陷是运行中绝缘拉杆放电的主要原因[18]。上述研究均表明环氧绝缘件中存在的各类缺陷都会严重影响其绝缘性能，是导致高压电力设备故障的重要原因。对环氧绝缘件中的缺陷进行有效、准确的检测有助于提高其使用寿命并降低高压电力设备运行维护成本。
本文根据国内外研究成果，介绍了环氧绝缘件中缺陷产生的机理以及相关的无损检测方法，分析了生产过程、运行过程中容易出现的缺陷类型以及对绝缘性能造成的影响，并对基于电学特性检测方法、高频检测方法和超声波检测方法进行了对比、总结和展望。
环氧绝缘件在生产过程中一般要经过混料、脱气、浇注或浸渍、固化、脱模等过程，每一个环节处理不当都可能导致绝缘件中出现缺陷[19]。纤维增强环氧树脂复合材料在浸渍时，环氧树脂浸润纤维过程中树脂细观流动和微观流动状态的差异是缺陷裹入的主要原因[20]。盆式绝缘子固化过程由于填充用氧化铝密度约为3.5g/cm3，而环氧树脂密度只有1.2g/cm3且粘度很低，在固化过程中会发生明显的沉降效应，GIS绝缘子的密度分布差异如图1所示，固化收缩作用使绝缘子边缘和绝缘子与导体界面处形成应力集中，运行过程中热膨胀与机械负载容易引发界面缺陷，进而引发局部放电[21]。此外，环氧绝缘件一般由金属嵌件及环氧绝缘体构成，装模时嵌件表面沾有脱模剂将会影响嵌件和绝缘体的粘接强度，导致其间产生气隙；脱模时如果保温措施不当，金属嵌件和绝缘体降温速度差别很大，二者之间也容易产生间隙[22]。绝缘件生产过程中出现的缺陷还未对高压电力设备造成严重影响，认为应改进出厂检测标准，提高缺陷检出精度，避免缺陷产品进入实际工程应用。
图1 GIS绝缘子的密度分布差异[23]
Fig.1 Density distribution of the GIS insulator[23]
在运行过程中，环氧绝缘件会承受电、热、机械等多场耦合作用，容易产生气孔、裂纹缺陷或者界面处微小的气隙缺陷，如图2所示[23-25]。盆式绝缘子在安装后会出现导体不对中的问题，由此产生的额外应力会使其形成微裂纹缺陷，并在带电运行过程中进一步扩大，最终导致沿绝缘子裂纹形成导体对壳体的放电通道[26]。文献[27]对复合绝缘子击穿故障进行了研究分析，发现绝缘子运行过程中芯棒-护套界面脱粘，形成气隙，进而导致芯棒发生贯穿性放电。由此可见，环氧绝缘件在运行过程中产生的微小缺陷会不断发展，使绝缘件的绝缘性能逐渐下降，甚至导致绝缘击穿、断裂，严重危及电网的安全。因此，对于运行中的高压电力设备，需要建立有效的在线监测系统，实现缺陷的快速检出。
图2 环氧绝缘件样品及其横截面显微照片[27]
Fig.2 Epoxy insulation sample and microscopic photographs of specimen[27]
2.1.1 脉冲电流法检测
环氧绝缘件中存在缺陷时，在高电压作用下会导致内部电场发生畸变，从而引发局部放电，会在极短的时间内中和一定数量的正负电荷，表现出来就是一个陡峭的电流脉冲。通过测量和分析该电流脉冲来判断环氧绝缘件中是否存在缺陷的方法称为脉冲电流法[28]。图3为脉冲电流法原理图，将环氧绝缘件等效为一个集总参数对地电容元件，局部放电会在电容上产生一个瞬时的脉冲电流变化，可利用电容耦合作用在检测阻抗中产生一个脉冲电流，通过测量该脉冲电流可获得局部放电信息[29]。
图3 脉冲电流法原理图[31]
Fig.3 Principle diagram of pulse current method[31]
目前相关研究人员在利用脉冲电流法检测局部放电方面展开了大量的研究。以环氧板内部气隙缺陷为研究对象，气隙直径增加将导致局放起始电压降低，最大放电量增加，放电重复率提高，将对绝缘更加不利，能够检测到直径1mm气隙缺陷[30]。盆式绝缘子工频电压下局部放电测试试验发现，在靠近中心导体高电场区域的气隙缺陷局放更剧烈，能检测出不同位置直径3mm气隙缺陷[31]。此外，利用时差定位统计和多源放电分离方法能够检测并定位盆式绝缘子内部存在的多气泡缺陷[32]。
2.1.2 感应电荷层析成像法
感应电荷层析成像（Induced Charge Tomography, ICT）是Liang Hucheng提出的一种新型缺陷检测方法，其原理是根据气体绝缘设备导杆表面和管壁上的感应电荷分布重构GIL/GIS内部的介电常数和电场强度空间分布，能够识别绝缘子内的气隙缺陷[33]。图4给出了绝缘子/导体界面处和绝缘子/管壁界面处分别设置两条裂纹情况，基于ICT方法重构的感应电荷以及介电常数分布如图5所示，在绝缘子与导体和管壁接触的位置（C1-P1、C2-P2和C3-P3）可以观察到感应电荷峰，并且裂纹的存在会干扰感应电荷的分布，导致峰值处（C2和P1）出现一个低谷；重构后的介电常数分布图像不仅能够识别绝缘子的轮廓，而且能够分辨出绝缘子内部的缺陷。该技术可用于电气设备的在线监测与诊断，并且能够实现缺陷可视化检测，具有很高的应用前景。
图4 两个案例[35]
Fig.4 Two cases[35]
图5 两种案例下沿导体周向表面和管壁的感应电荷分布以及重建介电常数分布图像[35]
Fig.5 Induced charge distributions along the circumferential surfaces of the conductor and the pipe wall and reconstructed permittivity distributions of case 1 and case 2[35]
2.2.1 X射线检测法
X射线在穿过待检环氧绝缘件时会与其发生相互作用，射线强度因绝缘件的吸收和散射而减弱[34]。当强度均匀的X射线照射绝缘件时，如果局部区域存在缺陷或结构存在差异，将改变绝缘件对射线的衰减，使得不同部位透射射线强度不同，可以实现缺陷的分辨和检出[35]。
X射线成像检测方法能够检测出盆式绝缘子内部较大的裂纹空隙，但检测方位会影响缺陷成像效果，需要从多个角度进行拍摄[36]。环氧绝缘件厚度对X射线成像检测的效果也会产生影响，对于厚度30mm的盆式绝缘子试样，能够检测出直径1mm的气孔缺陷和宽0.3mm、深0.5mm的裂纹缺陷；对于厚度60mm试样，能够检测出直径2mm的气孔缺陷和宽0.3mm、深0.7mm的裂纹缺陷；对于厚度90mm试样，无法获得气孔和裂纹的有效图像[37]。
2.2.2 微波检测法
微波在透过环氧绝缘件时会发生反射、透射和散射，并会受到绝缘件电磁特性和几何特性的影响，微波检测法就是通过研究微波与绝缘件之间的相互作用，对接收到的微波信号进行分析来判断绝缘件中是否存在缺陷[38]。
文献[39]研制了由微波检测系统与自动化系统组成无损检测试验平台对110kV复合绝缘子进行检测，在芯棒和硅橡胶界面预制了气隙缺陷并对结果进行了归一化处理，如图6所示，可以检测出长1cm直径1mm的气隙缺陷。此外，使用微波反射法对复合绝缘子内部缺陷进行检测，根据读数偏移量相对值来判断缺陷，最小可以检测到0.3mm深、4mm宽的气隙缺陷[40]。
图6 气隙缺陷检测结果[39]
Fig.6 Detection results of air gap defects[39]
2.3.1 超声脉冲反射法
当超声波从一种介质垂直进入声阻抗不同的另一种介质时，在两种介质表面会发生反射和透射，并且入射波、反射波和透射波在同一条直线上，波形也不会变化[41]。图7为超声波在环氧复合绝缘试样中的传播模型。若是在传播过程中没有遇到缺陷，超声波会在绝缘件底部-空气界面发生负全反射，反射波会沿着原路径回到超声探头；若超声波在传播过程中遇到气泡、裂缝等小缺陷，会在绝缘件-缺陷界面发生负全反射，而遇不到缺陷的部分超声波则会传播到绝缘件底部-空气界面反射，此时超声探头会接收到缺陷反射波和底面反射波[42]。
图7 超声在环氧复合绝缘试样中的传播模型[42]
Fig.7 Ultrasound propagation model in epoxy composite insulating specimens with defects[42]
超声脉冲反射法检测可以探明各类气泡、缝隙、分层、脱粘等缺陷。低频超声脉冲回波法能够检测7～38mm厚玻璃纤维增强层压复合材料，通过增益变化反映缺陷，可分辨出10mm分层及疲劳损伤下形成的裂纹[43]。超声脉冲反射法检测不同运行年限的定子线棒环氧云母玻璃纤维层压绝缘，发现超声波传播时间随定子线棒使用时间的增加而增加，可用来评估定子线棒绝缘的老化程度[44]；对252kV盆式绝缘子环氧复合材料进行检测，发现对于同一大小缺陷，随着深度增加，缺陷反射波幅值减小，而同一深度的缺陷，随着缺陷直径减小，缺陷反射波幅值变小，能检测的最小缺陷为直径2mm气泡和1mm横向裂纹，检测深度可达50mm，误差小于1.40%[45]。此外，利用超声脉冲反射法可以测量环氧绝缘件中超声传播速度，根据声速和应力的关系，即声弹性效应，可以测量绝缘件中应力大小[46]；利用超声纵波法检测GIS盆式绝缘子环氧复合材料垂直压应力，结果表明，环氧复合材料平均声弹性系数为4.556×10-5MPa-1，测量相对误差在应力10～15MPa时较大，最大为85.78%，在应力40～70MPa时小于19.87%[47]。
2.3.2 相控阵超声法
相控阵超声检测是通过控制换能器阵列中各个阵元的激励和延迟时间来改变阵元发射或者接收声波的时间，实现焦点位置和聚焦方向的控制，完成相控波束合成，相控阵超声检测原理图如图8所示[48-49]。
图8 相控阵超声检测原理图[49]
Fig.8 Schematic diagram of phased array ultrasonic detection[49]
相控阵超声换能器是由多个相互独立的压电晶片组成的，每个压电晶片根据一定的延时用电子控制系统控制激发，使阵列中各晶片发射的超声波叠加形成一个新的波阵面；在接收反射波过程中，按照一定的时序控制接收单元将接收信号合成，形成一个超声反射波信号，传输到探伤仪，生成内部结构图像。
相控阵超声法能有效检测出复合绝缘子芯棒贯穿式钻孔、界面存在明显空气隙等几种典型缺陷的尺寸和位置，可辅助定量判断缺陷的大小和类型，但是相控阵的图像存在较多的杂波，信噪比较低[50]。文献[51]提出了一种基于水囊柔性耦合的复合绝缘子超声相控阵检测方法，如图9所示，解决了超声探头与绝缘件耦合困难的问题，能够检出芯棒中直径2mm的气隙缺陷和护套/芯棒界面0.8mm缺陷。
图9 复合绝缘子芯棒两处直径2mm缺陷水囊法检测[51]
Fig.9 Detection of two diameter 2mm defects in composite insulator core by water capsule method[51]
2.3.3 非线性超声法
绝缘件粘接结构中弱粘接和微气隙都会导致传播的超声波由于非线性作用而失真，从而导致二次谐波分量产生。这些非线性效应导致应力σ和应变ε之间的关系偏离了Hooke定律中描述的经典线性关系，因此需要引入更高阶的弹性项[52]，即
（1）式中，E为杨氏模量；β为非线性系数。非线性系数β具有二次谐波产生效率的物理意义，可以通过式（2）求解非线性波动方程来获得[53]。
（2）
式中，A1和A2分别为基波和二次谐波粒子的位移幅度； k为波数；x为传播距离。可以看出，在入射声波频率和试样厚度确定的情况下，非线性系数β只与
有关。对于相同大小的检测试样，可以测量在相同超声入射信号下由压电传感器产生的输出电压信号
和
，并代替实际位移A1和A2，以方便地评估超声非线性程度。
非线性超声法是近年来兴起的一种缺陷检测的新方法，能够检测出复合材料界面微米级的间隙缺陷。已有研究表明，复合绝缘子橡胶层与环氧层胶粘接失效时空气层厚度最大不超过100μm，常规无损检测方法无法有效识别该缺陷，而非线性分析结果表明，当界面出现弱粘接缺陷时，回波信号中基频信号幅值减小，高次谐波信号幅值增大，非线性系数会显著增大[54]。图10所示为复合绝缘子芯棒和硅橡胶界面粘接完好样品和无明显空气间隙的弱粘接缺陷样品的非线性超声检测结果。可以看出，粘接完好与弱粘接样品的时域波形中不存在相位差、折反射过程不同等显著差异，难以识别弱粘接缺陷；对接收到的时域信号进行快速傅里叶变换（Fast Fourier Transformation, FFT），得到超声波信号频谱来计算超声非线性系数β，发现弱粘接缺陷界面的非线性系数明显提高，能够有效检测出0.76～9.85μm的弱粘接缺陷[55-56]。
图10 两类试样检测结果[55]
Fig.10 Test results of two types of samples[55]
目前，国内外研究人员对电工环氧绝缘件缺陷提出了诸多检测方法，但是都存在各自的局限性。脉冲电流法能够检测到缺陷导致的局部放电信号，便于实现绝缘系统在线实时监测，但是对于缺陷定位比较困难，检测精度有待进一步提高。感应电荷层析成像法是一种新型检测方法，能够实现缺陷大小和位置可视化检测，具备在线监测潜力，具有很大的应用前景，但是目前的研究还在仿真分析阶段，仍需进一步探索以实现工程应用。X射线检测是无损检测中最常用的方法之一，可直观显示缺陷形状和尺寸，检测结果便于长期保存，但是对于尺寸较小的裂纹、脱粘及应力集中等缺陷难以奏效，需要的设备体积大，在线检测困难，并且射线对人员有损伤作用，必须采取防护措施。微波检测法具有能耗低、穿透性强、无需耦合剂、易于小型化等优势，可以进行动态检测与实时处理，但是易受温度、气压、取样位置的影响，要求操作人员有比较熟练的技能。超声脉冲反射法原理简单，对工件内部缺陷有很高灵敏度，便于现场检测，可及时获得检测结果，缺点是需要耦合剂，对材料表面要求较高，扫查复杂工件困难。相控阵超声法是基于脉冲反射法原理而发展的，可以同时拥有许多角度的超声波，就相当于拥有多种角度的探头同时工作，检测效率更高，同时可以通过建模，建立一个三维立体图形，缺陷显示直观，缺点是对声阻抗参数相差悬殊的复合材料界面缺陷还无法实现检测。非线性超声法是近年来兴起的一种缺陷检测方法，可有效检测出环氧绝缘件拉伸塑性变形、蠕变损伤、闭合裂纹等早期缺陷，相较于传统方法，检测灵敏度更高，能够达到微米级，但是在试件的边缘会存在检测盲区，并且检测结果常受耦合状态、干扰信号的影响，检测成本较高。
环氧绝缘件的应用对高压电力设备的绝缘性能和使用寿命有显著的提升作用，但是环氧绝缘件中存在缺陷会导致电场发生严重畸变，引发局部放电，使环氧绝缘件逐渐劣化，最终使绝缘系统发生沿面闪络、内部击穿等故障。因此需要对环氧绝缘件中缺陷的有效检测进行更深入研究。
1）目前国内外对环氧绝缘件缺陷检测主要采用单一手段进行缺陷检测，大大限制了缺陷检出的有效性和准确性。如何实现多种检测手段协同作用，综合评定绝缘件是否存在缺陷是今后的发展方向。
2）环氧绝缘件还会出现由填料分布不均或者交联度不均等引起的潜伏性缺陷，目前还没有方法能进行有效检测。潜伏性缺陷通过影响表面电荷行为及改变介电参数分布造成局部电场集中，成为诱发绝缘件故障的重要原因。迫切需要开发更为先进的光电传感器件与方法，实现电工环氧绝缘件潜伏性缺陷的早期预警。
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Research Progress of Nondestructive Detection Methods for Defects of Electrical Epoxy Insulators
Abstract With the rapid development of ultra-high voltage and extra-high voltage power transmission and transformation technology, higher requirements are put forward for the insulation performance of power equipment. Epoxy insulation is an important part of the insulation system of high voltage power equipment, but some insulation defects with different levels will appear in the process of production and operation. Under the action of multi-field coupling, it is easy to cause surface flashover or breakdown fault, threatening the safe and stable operation of power equipment and even power system. It is of great significance to study the non-destructive detection methods of defects in epoxy insulation parts. In this paper, the defect types of epoxy insulation parts which were prone to appear in the production process and operation process were studied, and the impacts of different defects on the insulation performance were analyzed. The basic principles of defect detection methods based on electrical characteristics, high frequency detection methods and ultrasonic detection methods were introduced, and the detection effects of different methods on epoxy insulation defects were evaluated. A comprehensive evaluation of relative detection methods was made from the perspective of detection accuracy, advantages and disadvantages, and the future research and development direction of epoxy insulation defect detection was prospected.
keywords：High voltage power equipment, epoxy insulation, insulation defects, non-destructive detection
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201033
中图分类号：TM216
国家自然科学基金（51807136,U1966203,51537008）和天津市自然科学基金（18JCQNJC07300）资助项目。
收稿日期 2020-08-30
改稿日期 2021-02-18
李 进 男，1988年生，博士，副教授，研究方向为超特高压GIS/GIL绝缘设计、环氧树脂基础配方工艺、绝缘缺陷无损检测。E-mail：lijin@tju.edu.cn（通信作者）
赵仁勇 男，1997年生，硕士，研究方向为特高压GIS绝缘拉杆缺陷检测与故障机理分析。E-mail：zhaorenyong@tju.edu.cn
（编辑 郭丽军）