高电压接触型光纤绝缘子的耐高压研究

王敏吉，李川，张旭，熊新，赵振刚，谢涛，李英娜

(昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南昆明650500)

高电压接触型光纤绝缘子的耐高压研究

王敏吉，李川，张旭，熊新，赵振刚，谢涛，李英娜

(昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南昆明650500)

在污染条件和凝露情况下，安装在电气设备上的二次元件会因为工频过电压或雷电过电压造成电气事故。利用硅橡胶憎水性材料和一体成型的结构方式，研制了一种高电压接触型光纤绝缘子，其特征是在光纤外表面包裹单片或多片绝缘子的憎水材料封装体，光纤的顶端熔接光纤传感装置，尾部连接光纤连接头。光纤绝缘子的使用增加了结构的爬电距离。对该光纤绝缘子分别进行无污染、凝露、污染环境下的工频交流15kV耐高压的测试试验。试验表明，高电压接触型光纤绝缘子可使用于15kV的高压环境。

光纤;硅橡胶;光纤绝缘子;耐压试验;爬电距离

1 引言

电力系统中准确、安全地检测出电气设备的过热点是确保安全供电的必要前提。特别在户外电力系统中，电气设备上安装的二次元件在污染或凝露环境条件下的抗电压能力随之降低，发生闪络击穿的机率变大，容易造成电气事故。因此，对二次元件的稳定性提出了更为严格的要求。目前硅橡胶光纤绝缘子已用于高压电力系统的检测［1］，其特征在于光纤表面套装单片或多片硅橡胶绝缘子，光纤的顶端熔接温度传感器，光纤的尾部设有光纤连接头。光纤绝缘子由冷缩硅橡胶或热缩硅橡胶材料制成。硅橡胶材料具有憎水性强、耐电性能强等特点，提高了光纤的耐工频电压、操作过电压、雷电过电压的强度，解决了光纤系统在恶劣运行环境中的安全问题。该结构绝缘子与光纤接口处容易出现封装缺陷，这种缺陷在高压、恶劣气候条件下极容易出现接缝上局部电压过大，由此产生击穿问题［2-4］。

本文研制了一种高电压接触型光纤绝缘子，利用室温硫化硅橡胶材料一体成型结构加工而成，并对其进行15kV工频交流耐高压试验，对试验结果进行分析。

2 高电压接触型光纤绝缘子的结构与研制

高电压接触型光纤绝缘子采用室温硫化硅橡胶材料一体成型。该结构解决了接缝上局部电压过大而可能产生的击穿问题，提高了光纤检测元件耐潮湿、耐污闪和耐电压水平。光纤绝缘子的使用增加了结构的爬电距离，并加强了其在复杂自然环境下的安全性和稳定性。

根据电力系统中电气设备的绝缘要求，结合光纤的特征［5］，研制了高电压接触型光纤绝缘子，光纤绝缘子结构主要包括:绝缘子单元和光纤。在光纤的外表面包覆设置单片或者多片硅橡胶材料的绝缘子，光纤的一端熔接光纤传感装置，另一端熔接光纤连接头。绝缘子片数由被测系统的电压等级所决定。输电线路中，绝缘子的绝缘水平由其种类、形状、结构尺寸和串长决定，当绝缘子种类、形状和结构尺寸确定时，每串绝缘子的片数为:

式中，m为绝缘子的片数;λ为绝缘子的爬电比距; Um为系统最高运行线电压或者系统的额定线电压; Ke为绝缘子爬电距离的有效系数;L0为每片悬式绝缘子的几何爬电距离。

高电压接触型光纤绝缘子，采用硅橡胶材料作为绝缘子的主体，并使之与光纤一体成型。硅橡胶绝缘子的直径为60mm;绝缘子的爬电比距λ= 3.1cm/kV;绝缘子爬电距离的有效系数Ke=0.97;每片绝缘子的几何爬电距离L0=260mm;工频交流耐高压试验系统的额定电压Um=15kV，根据式(1)选择绝缘子片数为5。高电压接触型光纤绝缘子结构如图1所示。

图1 高电压接触型光纤绝缘子的结构图Fig．1Structure diagram of high voltage contact fiber-optic insulator

按照尺寸大小使用硅橡胶材料加工光纤绝缘子一体成型封装，如图2所示。

图2 模型加工尺寸图和实物图Fig．2Diagram of model size and real insulator

将模型放入一个比聚四氟乙烯模型稍大些的长方形盒子中，选用石灰粉和水以1∶5混合，混合后液体浇入长方形盒子当中，如图3所示。

图3 制作浇注用阴模的过程图Fig．3Process diagram of production mold

采用室温硫化硅橡胶与固化剂以100∶1的比例混合［6］，混合后液体浇注到模具中，如图4所示。

图4 室温硫化硅橡胶浇注一体成型光纤绝缘子过程Fig．4Diagram of room temperature vulcanization of silicone rubber casting insulator

高电压接触型光纤绝缘子如图5所示，其一端熔接光纤跳线，另一端熔接光纤装置。

图5 一体成型光纤绝缘子Fig．5Physical diagram of insulator

3 高电压接触型光纤绝缘子的耐高压测试

工频交流耐压试验通过控制台控制变压器和感应调压器将220V交流电压转换为平滑稳定的15kV工频交流电压，并将感应调压器高电压和低电压端分别连接试验品两端［7］，如图6所示。

图6 工频交流耐压试验原理Fig．6Principle of AC voltage test

高电压接触型光纤绝缘子顶端即熔接光纤装置的一端加高电压，其尾部即连接光纤连接头的一端接地，如图7所示。试验要求对具有绝缘子保护的高电压接触型传感器中的绝缘子封装体分别进行无污染、凝露以及污秽情况下的工频交流15kV耐压试验。试验在海拔1970m地区进行，属于高海拔地区。高海拔地区空气稀薄、气压较低，空气中的离子更容易被电离形成电弧［8］。另外高海拔地区空气密度低，散热困难，绝缘击穿电压也会随之下降。海拔条件对于污染绝缘放电特性的影响主要体现在气压的影响，污染绝缘子的直流和交流闪络电压会随着气压的降低而有所下降，污闪电压U与气压P之间成非线性关系，可以表示为:

式中，U0为常压P0时的污闪电压;下降指数n的大小反应气压对于污闪电压的影响程度。

图7 高电压接触型光纤绝缘子的连接实物图Fig．7Connection diagram of high voltage contact fiber-optic insulator

无污染情况下，工频交流15kV耐压试验耐受电压的施加方法为:首先施加约75%的规定试验电压(即11kV)，之后以每秒约2%的试验电压的速率上升(即每秒提高3kV)，直至规定的耐受电压，保持5min［9］。在无污染情况下，绝缘子封装无击穿响声(或断续放电声)、冒烟、出气、焦臭、闪络、燃烧等现象。

凝露情况下，工频交流耐压试验前要确保绝缘子封装表面有一层薄薄的水膜，然后进行工频交流15kV耐压试验，耐受电压施加方法与无污染情况下的施加方法相同。凝露的主要危害表现在:使试验品的电气绝缘性能下降，在高电压情况下引发闪络现象，甚至丧失绝缘性能［10］。在凝露情况下，绝缘子封装无击穿响声(或断续放电声)、冒烟、出气、焦臭、闪络、燃烧等现象。

污染情况下，工频交流15kV耐压试验的目的在于检验高电压接触型光纤绝缘子在污染条件下是否依然满足电气设备的绝缘性能要求。污染情况工频交流耐压试验前，将40g高岭土与附盐密度为0.07mg/cm2的盐水混合，达到I级污秽等级，并用软的细毛刷把污秽均匀地涂在绝缘子表面，然后进行工频电压为15kV、时间为1min的工频交流耐压试验［11］。在污染情况下，绝缘子封装无击穿响声(或断续放电声)、冒烟、出气、焦臭、闪络、燃烧等现象。试验结果见表1。

表1 工频交流耐压试验结果Tab．1Results of AC voltage test

根据GB/T 11022-1999，绝缘材料在无污染、凝露以及污染的试验条件下，通过相关耐高压测试的条件是无击穿响声(或断续放电声)、冒烟、出气、焦臭、闪络、燃烧等现象［9］。因此，本测试表明高电压接触型光纤绝缘子可满足15kV的高压环境。

4 结论

本文利用硅橡胶憎水性材料和一体成型的结构方式，研制一种高电压接触型光纤绝缘子。对加工好的高电压接触型光纤绝缘子进行工频交流15kV耐高压试验。在无污染、凝露以及污染试验条件下，高电压接触型光纤绝缘子的绝缘子封装均无击穿响声(或断续放电声)、冒烟、出气、焦臭、闪络、燃烧等现象。试验表明，高电压接触型光纤绝缘子可使用于15kV的高压环境。

［1］干耀生(Gan Yaosheng)．硅橡胶光纤绝缘子(Silicone rubber fiber-optic insulator)［P］．中国专利: 200520026255.1．

［2］李川，曹敏，王达达，等(Li Chuan，Cao Min，Wang Dada，et al．)．具有绝缘子保护的光纤Bragg光栅高电压接触型传感器(The fiber Bragg grating contact sensor with insulator protected used in high voltage)［P］．中国专利:201020655414.5．

［3］Jahromi A N，Cherney E A，Jayaram S H，et al．Aging characteristics of RTV silicone rubber insulator coatings［J］．IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2008，15(2):444-451．

(，cont．on p.57)(，cont．from p.46)

［4］Zhao Linjie，Li Chengrong，Xiong Jun，et al．Online hydrophobicity measurement for silicone rubber insulators on transmission lines［J］．IEEE Transactions on Power Delivery，2009，24(2):806-813．

［5］李川，张以谟，赵永贵，等(Li Chuan，Zhang Yimo，Zhao Yonggui，et al．)．光纤光栅:原理、技术与传感应用(Fiber grating:principle，technology and sensing applications)［M］．北京:科学出版社(Beijing: Science Press)，2005.114-116，161-163．

［6］郭浩(Guo Hao)．室温硫化涂料的老化及研究新进展(The coating aging and new development of room temperature vulcanized)［J］．电力设备(Power Equipment)，2006，7(1):36-38．

［7］李卫国，屠志刚(Li Weiguo，Tu Zhigang)．电气设备绝缘试验与检测(Insulation testing and detection of electrical equipment)［M］．北京:中国电力出版社(Beijing:China Electric Power Press)，2006.158-162．

［8］王晋根(Wang Jingen)．高海拔对高低压电器性能影响的探讨(Discussion of the high-altitude performance impact of high and low voltage apparatus)［J］．高压电器技术信息(High-voltage Electrical and Technical Information)，2005，1(4):33-36．

［9］GB/T 11022-1999，高压开关设备和控制设备标准的共同技术要求(Common specifications for high-voltage switch gear and control gear standards)［S］．

［10］GB/T 16434-1996，高压架空线路和发电厂、变电所环境污区分级及外绝缘选择标准(Environmental pollution classification and external insulation selection for high voltage transmission line power plant and substation)［S］．

［11］GB/T 4585-2004，交流系统用高压绝缘子的人工污秽试验(Artificial pollution tests on high-voltage insulators to be used on a.c.systems)［S］．

High voltage withstanding study of high voltage contact fiber-optic insulator

WANG Min-ji，LI Chuan，ZHANG Xu，XIONG Xin，ZHAO Zhen-gang，XIE Tao，LI Ying-na
(Faculty of Information Engineering and Automation，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China)

In the case of pollution and dewing，power frequency and lightning overvoltage will cause electrical accidents to the secondary components installed in electrical equipment．By using the silicone rubber hydrophobic material and the structure mode of integral mold，we develop a high voltage contact fiber-optic insulator．The high voltage contact fiber-optic insulator has some features that a single or some covers which are used to cover the insulator cover the fiber-optic’s surface．Besides，a sensing device is welded at the top of the fiber-optic and a fiber-optic connector is installed at tail of the fiber-optic．Using of the fiber-optic insulator increases the creep distance of the structure．The fiber-optic insulator was tested by the AC 15kV high voltage in the pollution-free，dew and pollution environment．The tests showed that the high voltage contact fiber-optic insulator can be used for 15kV high voltage environment．

fiber;silicone rubber;fiber-optic insulator;voltage test;creep distance

TP212

A

1003-3076(2014)10-0044-03

2013-03-05

王敏吉(1987-)，男，江苏籍，硕士研究生，主要研究方向为仪器仪表工程、光纤光栅传感器;李川(1971-)，男，四川籍，教授/博导，博士，主要从事光纤传感器、检测技术与自动化装置研究(通信作者)。