CN105388188B - 一种有机材料绝缘件表面炭化通道形成预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有机材料绝缘件表面炭化通道形成预测方法，该方法通过实际测量的绝缘件的相关参数计算绝缘件表面某区域在正常电压作用下的产热量和自然对流条件下的散热量，比较两者的大小，当产热量大于自然对流的散热量时，即将进一步形成炭化通道；计算简单、判断结果准确；该分析计算方法可用于设备运行维护工作中，可以确定绝缘件的维修策略，及早维护相关器件，极大的降低了维护风险和成本；为防止因绝缘件碳化通道形成造成设备损坏事故，制定有效的反事故措施，提供了供理论依据。

Description

一种有机材料绝缘件表面炭化通道形成预测方法

技术领域

本发明属于电气设备缺陷诊断领域，涉及一种有机材料绝缘件表面炭化通道形成预测方法。

背景技术

在电力系统实际运行中，许多地方离不开绝缘件的应用，实际运用的绝缘材料目前主要有瓷质、玻璃、有机材料这三种。其中由机绝缘材料制作成的绝缘件存在漏电起痕的现象，即在绝缘件表面会形成较小的碳化区域，在正常工作电压下这些碳化区域会引起绝缘件表面电流的集中，在局部区域产生相比正常情况下较大的电流，当碳化区域面积小于一定值时，集中的电流所产生的热量不足以使绝缘件温度升高到碳化温度，绝缘件表面的碳化通道就会维持现状，不会形成碳化通道。反之，当碳化区域足够大时，集中的电流所产生的热量会使电流集中的区域温度升高，当温度达到有机绝缘材料的碳化温度时，会导致绝缘件未碳化的区域碳化，最终在绝缘件表面形成一条碳化通道。当碳化通道发展到将两电极桥联起来时，绝缘件就会发生击穿损坏。

因为漏电起痕所产生的事故小则造成区域性突发停电，大则导致整个电网供电中断。电力工业是国民经济的基础产业，电力企业具有社会公用事业和企业行为双重性质。因事故造成供电中断，会造成各行各业生产停顿或瘫痪；产生一系列次生事故，给社会带来危害、人民生活秩序带来严重混乱，给电力部门造成巨大的经济损失，严重时会造成极坏的政治影响。为此，必须开展针对绝缘件在正常工作电压下发生漏电起痕后其表面碳化通道形成的研究工作，为运行维护单位及时制定防范措施提供有效指导，保证电力系统安全运行，实现供电可靠性提高、经济损失降低和社会效益同步提高的目的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：在绝缘件表面出现局部且较小的炭化痕迹后，在正常情况下，从该漏电起痕点处能否继续炭化形成炭化通道以及通道是否会进一步发展，无法进行准确分析的问题，提出了一种有机材料绝缘件表面炭化通道形成预测方法，该方法思路新颖、流程清晰、准确率高。

有机绝缘件发生局部炭化起痕后，绝缘件表面电流会发生聚增，在电流与电场的作用下，会形成电磁场能量局部集中，产生热量，同时该区域向空中散热；当产热速率大于散热速率时，造成该区域内某个方向温度进一步升高，可以使该方向上产生局部碳化，并逐步形成炭化通道；反之，则不会形成炭化通道。

一种有机材料绝缘件表面炭化通道形成预测方法，包括以下几个步骤：

步骤1：获取待预测的有机材料绝缘件初始数据；

所述初始数据包括有机材料绝缘件电极间尺寸、绝缘件的电阻率、局部炭化区域到电极的距离、局部炭化区域长度l与宽度d、局部炭化区域电阻率、环境温度t_f；

步骤2：基于步骤1获取的数据，利用麦克斯韦方程组，计算有机材料绝缘件表面局部炭化区域及局部炭化区域周围离炭化区域边缘1cm范围内的区域的电场强度E与电流密度J；

步骤3：确定易炭化区域；

从步骤2获得的电场强度和电流密度数据中，找出电场强度最大值；当炭化区域边缘的未碳化区域中的电场强度大于或等于上述电场强度最大值的80％时，未碳化区域为易炭化区域，并获取未碳化区域的长度a和宽度b；

步骤4：根据步骤1获得的局部炭化区域长度l与宽度d，获得局部炭化区域的自然对流散热特征长度L，L＝(l+d)/2；

步骤5：计算格拉晓夫值G_r，

根据步骤1获得的环境温度t_f以及有机材料绝缘件炭化温度t_w，计算获得空气定性温度t_m，t_m＝(t_f+t_w)/2，并依据干空气物理性质表查询获得运动粘度v、热导率λ以及普兰德数Pr；

上式中，g为引力常数，取值9.8m/s²，β＝1/(273+t_m)，Δt＝t_w-t_f；

表1干空气物理性质表

步骤6：计算自然对流换热的对流换热系数α：

其中，Nu_m＝C(G_r·P_r)ⁿ，C为第一调节系数，n为第二调节系数，基于格拉晓夫值与普兰德数以及易炭化区域的形状和位置，查询下表获得C和n的值；

表2无量纲系数C和n查询表

步骤7：获取易炭化区域的产热功率P：P＝E·J·V；

其中，E为易炭化区域的电场强度，J为易炭化区域的电流密度，V为易炭化区域的体积，易炭化区域的厚度取值为0.1mm，长度和宽度的取值由步骤3获得；

步骤8：计算易炭化区域与空气接触表面自然对流散热功率Q：Q＝a·b·α·(t_w-t_f)；

步骤9：比较步骤7获得的产热功率P与步骤8获得的自然对流散热功率Q，若(P-Q)为正值，则有机材料绝缘件的炭化通道将朝易炭化区域方向持续形成；否则，则有机材料绝缘件的炭化区域维持现状，不会继续形成炭化通道。

有益效果

本发明提供了一种有机材料绝缘件表面炭化通道形成预测方法，该方法通过实际测量的绝缘件的相关参数计算绝缘件表面某区域在正常电压作用下的产热量和自然对流条件下的散热量，比较两者的大小，当产热量大于自然对流的散热量时，即将进一步形成炭化通道；计算简单、判断结果准确；该分析计算方法可用于设备运行维护工作中，可以确定绝缘件的维修策略，及早维护相关器件，极大的降低了维护风险和成本；为防止因绝缘件碳化通道形成造成设备损坏事故，制定有效的反事故措施，提供了供理论依据。

附图说明

图1为本发明所述方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，一种有机材料绝缘件表面漏电起痕的分析计算方法，包括以下步骤：

实施例1：

(1)根据有机绝缘件的实际情况，得到绝缘件电极间尺寸250mm、绝缘件所用材料电阻率1×10¹³Ω·m，局部炭化区域到电极的距离30mm，局部炭化区域长度l＝1cm与宽度d＝2mm以及局部炭化区域电阻率2.4Ω·m，环境温度t_f＝30℃。

(2.1)利用麦克斯韦方程组，通过绝缘件电极间尺寸、绝缘件材料电阻率、局部炭化区域到电极的距离、局部炭化区域长度与宽度、局部炭化区域电阻率等参数，计算出绝缘件表面局部炭化区域及其周围区域的电场强度E与电流密度J。

(2.2)利用步骤(2.1)中得出的电场强度E与电流密度J的值，再根据电场强度大于或等于最大电场强度的80％的准则，找出未炭化的区域A，并计算出区域A的长度a＝1mm，宽度b＝1mm，得出区域A的电场强度E_A与电流密度I_AJ_A。

(2.3)根据局部炭化区域的长度l与宽度d得出局部炭化区域的自然对流散热特征长度L＝6mm。

(2.4)根据环境温度t_f＝30℃以及绝缘件碳化温度t_W＝250℃得出空气定性温度t_m＝(t_f+t_w)/2＝140℃。通过干空气物理性质表查询表1得出：普兰德数Pr＝0.684P_r＝0.684、热导率λ＝0.3489(W/m·℃)、运动粘度v＝2.37×10^-5Pa·s。

(2.5)通过公式计算出格拉晓夫值G_r＝2.0075×10³，通过G_r·Pr＝0.137×10⁴的值查表2得出C和n的值。

(2.6)通过公式Nu_m＝C(G_r·P_r)ⁿ计算出自然对流换热的对流换热系数α＝17.4667。

(3)通过步骤(2.2)中得出的电场强度E_A＝35808V/m与电流密度I_A＝5896A/m²，利用公式P＝E_A·J_A·V计算出区域A的产热功率P＝0.0211W。

(4)通过公式：Q＝a·b·α·(t_w-t_f)，计算出区域A与空气接触表面自然对流散热功率Q＝0.0246W。

(5)通过对比步骤(3)与步骤(4)的计算结果的差值P-Q＝-0.0035W，结果为负，碳化区域不能持续发展。

实施例2：

(1)根据有机绝缘件的实际情况，得出绝缘件电极间尺寸为250mm、绝缘件所用材料电阻率为1×10¹³Ω·m，局部炭化区域到电极的距离30mm，局部炭化区域长度l＝5cm与宽度d＝2mm以及局部炭化区域电阻率2.4Ω·m，环境温度t_f＝30℃。

(2.1)利用麦克斯韦方程组，通过绝缘件电极间尺寸、绝缘件材料电阻率、局部炭化区域到电极的距离、局部炭化区域长度与宽度、局部炭化区域电阻率等参数，计算出绝缘件表面局部炭化区域及其周围区域的电场强度E与电流密度J。

(2.2)根据步骤(2.1)中得出的电场强度E与电流密度J，再根据电场强度大于或等于最大电场强度的80％的准则，找出未炭化的区域A，并计算出区域A的长度a＝3.2mm和宽度b＝2mm。算出区域A的电场强度E_A＝36445V/m与平均电流密度I_A＝5863A/m²。

(2.3)根据局部炭化区域的长度l与宽度d得出局部炭化区域的自然对流散热特征长度L＝26mm；

(2.4)根据室温t_f＝30℃以及绝缘件碳化温度t_W＝250℃得出空气定性温度t_m＝(t_f+t_w)/2＝140℃。通过干空气物理性质表查询表1得出：Pr＝0.684、热导率λ＝0.3489(W/m·℃)、运动粘度v＝2.37×10^-5Pa·s。

(2.5)通过公式计算出格拉晓夫值G_r＝1.6635×10³。通过G_r·Pr＝1.1173×10⁵查表2得出C＝0.53和n＝0.25。

(2.6)通过公式Nu_m＝C(G_r·P_r)ⁿ计算出自然对流换热的对流换热系数α＝17.4667。

(3)通过步骤(2.2)中得出的电场强度E_A＝36445V/m与平均电流密度I_A＝5863A/m²，利用公式P＝E_A·J_A·V计算出区域A的产热功率P＝0.0214W，。

(4)通过公式：Q＝a·b·α·(t_w-t_f)，计算出漏电起痕区域与空气接触表面自然对流散热功率Q＝0.0187W。

(5)通过对比步骤(3)与步骤(4)的计算结果的差值P-Q＝0.0027W，结果为正，所以碳化区域能持续发展下去，产生炭化通道。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种有机材料绝缘件表面炭化通道形成预测方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤1：获取待预测的有机材料绝缘件初始数据；

所述初始数据包括有机材料绝缘件电极间尺寸、绝缘件的电阻率、局部炭化区域到电极的距离、局部炭化区域长度l与宽度d、局部炭化区域电阻率、环境温度t_f；

步骤2：基于步骤1获取的数据，利用麦克斯韦方程组，计算有机材料绝缘件表面局部炭化区域及局部炭化区域周围离炭化区域边缘1cm范围内的区域的电场强度E与电流密度J；

步骤3：确定易炭化区域；

从步骤2获得的电场强度和电流密度数据中，找出电场强度最大值；当炭化区域边缘的未碳化区域中的电场强度大于或等于上述电场强度最大值的80％时，未碳化区域为易炭化区域，并获取未碳化区域的长度a和宽度b；

步骤4：根据步骤1获得的局部炭化区域长度l与宽度d，获得局部炭化区域的自然对流散热特征长度L，L＝(l+d)/2；

步骤5：计算格拉晓夫值G_r，

根据步骤1获得的环境温度t_f以及有机材料绝缘件炭化温度t_w，计算获得空气定性温度t_m，t_m＝(t_f+t_w)/2，并依据干空气物理性质表查询获得运动粘度v、热导率λ以及普兰德数Pr；

上式中，g为引力常数，取值9.8m/s²，β＝1/(273+t_m)，Δt＝t_w-t_f；

步骤6：计算自然对流换热的对流换热系数α：

其中，Nu_m＝C(G_r·P_r)ⁿ，C为第一调节系数，n为第二调节系数，基于格拉晓夫值与普兰德数以及易炭化区域的形状和位置，查询下表获得C和n的值；

步骤7：获取易炭化区域的产热功率P：P＝E·J·V；

其中，E为易炭化区域的电场强度，J为易炭化区域的电流密度，V为易炭化区域的体积，易炭化区域的厚度取值为0.1mm，长度和宽度的取值由步骤3获得；

步骤8：计算易炭化区域与空气接触表面自然对流散热功率Q：Q＝a·b·α·(t_w-t_f)；

步骤9：比较步骤7获得的产热功率P与步骤8获得的自然对流散热功率Q，若(P-Q)为正值，则有机材料绝缘件的炭化通道将朝易炭化区域方向持续形成；否则，则有机材料绝缘件的炭化区域维持现状，不会继续形成炭化通道。