關(guān)于復(fù)合絕緣子老化壽命預(yù)期的研究

郭祎珅 ，關(guān)煥新，劉 剛，朱義東，鄭維剛

(1.沈陽工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

20世紀(jì)50年代，部分發(fā)達(dá)國家開始研究和使用復(fù)合絕緣子，其傘裙和護套采用三元乙丙橡膠、聚四氟乙烯和混合橡膠等材料。70年代后，這些國家出現(xiàn)了以硅橡膠為外絕緣材料的絕緣子，復(fù)合絕緣子技術(shù)被認(rèn)可并逐漸發(fā)展起來。中國在20世紀(jì)80年代初開始使用復(fù)合絕緣子，盡管起步比較晚，但發(fā)展十分迅速，目前已經(jīng)在大部分污穢嚴(yán)重地區(qū)和許多新建輸電線路上廣泛使用。目前，國內(nèi)外對復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)評估還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，老化狀態(tài)評估方法多種多樣，各有其優(yōu)缺點，難以形成統(tǒng)一的老化指標(biāo)。遼寧省區(qū)域掛網(wǎng)運行絕緣子老化情況的系統(tǒng)性研究較少，沒有大量集中地區(qū)的運行中絕緣子的抽檢數(shù)據(jù)。特別是針對遼寧地區(qū)獨特的氣候、環(huán)境特點下，不同復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)的研究則更少。2011年以來，國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院針對送檢的300多支復(fù)合絕緣子系統(tǒng)性進(jìn)行憎水性試驗、機械性能試驗、電氣性能試驗和外觀檢查試驗，發(fā)現(xiàn)絕緣子存在傘裙破損、脆化現(xiàn)象，部分絕緣子護套出現(xiàn)孔隙或破損，甚至有的絕緣子的芯棒腐蝕嚴(yán)重[1]。因此，調(diào)查、總結(jié)遼寧省輸電線路復(fù)合絕緣子的使用情況及老化規(guī)律，對投運年代不同、使用地區(qū)不同、氣象條件不同的絕緣子，根據(jù)型號進(jìn)行分類和評估，以多年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合算法形成數(shù)學(xué)模型，評估遼寧省內(nèi)線路復(fù)合絕緣子的壽命，對提高電網(wǎng)安全運行具有重要意義。

1 復(fù)合絕緣子試樣試驗

1.1 復(fù)合絕緣子試驗選型

分析復(fù)合絕緣子劣化問題時，也需考慮復(fù)合絕緣子劣化的外部影響因素，包括電場分布、運行外部環(huán)境、制造加工工藝、運行時間等，并盡量增加樣本數(shù)量，類型覆蓋全面，并依據(jù)DL/T 864—2004 《標(biāo)稱電壓高于 1 000 V 交流架空線路用復(fù)合絕緣子使用導(dǎo)則 》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗，共計選取308支復(fù)合絕緣子。

1.2 復(fù)合絕緣子選型情況

對所抽樣的復(fù)合絕緣子均進(jìn)行外觀檢查、憎水性測量，按比例進(jìn)行污穢度測量、陡波沖擊電壓試驗和機械破壞試驗。各試驗項目檢測的絕緣子數(shù)量見表1。

表1 試驗數(shù)量情況表

1.3 試驗結(jié)果分析

a.外觀檢查情況

抽樣絕緣子絕大部分表面良好，傘裙少量絕緣子存在傘裙破損、脆化情況[2]。傘群撕裂情況與污穢測試未發(fā)現(xiàn)明顯相關(guān)性，從破壞外觀看，8年以內(nèi)的絕緣子傘裙破壞主要是機械力造成，如施工踩踏、運輸擠壓等，不屬于正常劣化缺陷，而15年以上的絕緣子從斷面和傘裙變脆變硬的情況看，屬于劣化造成[3]。

b.污穢度測量

復(fù)合絕緣子鹽密測量結(jié)果介于0.09～0.48 mg/cm2。部分絕緣子積污十分嚴(yán)重，大部分面積都被水泥結(jié)垢覆蓋。運行時間較長的絕緣子，明顯較運行時間短的絕緣子整體污穢度略高。平均污穢度測試結(jié)果見表2。

表2 平均污穢度測試結(jié)果 mg/cm2

c.憎水性分析

從檢測結(jié)果來看，位于重度水泥、電熔鎂粉塵污染嚴(yán)重的地區(qū)，傘裙憎水性下降更加明顯，較沿海等地的憎水性低1～2個級別。各電壓等級所抽檢絕緣表面憎水性分布在HC2—HC5級。平均憎水性測試結(jié)果見表3。

表3 平均憎水性測試結(jié)果

d.陡波沖擊試驗

共對18支絕緣子進(jìn)行了陡波沖擊試驗，波形陡度約為1 200 kV/μS,試驗中未出現(xiàn)絕緣內(nèi)部擊穿。66 kV絕緣子選取上下兩處分別進(jìn)行正、負(fù)陡波沖擊，220 kV絕緣子和500 kV絕緣子分別選取3處進(jìn)行正負(fù)陡波沖擊試驗。絕緣子試驗中未出現(xiàn)界面擊穿或絕緣內(nèi)部擊穿。

e.機械破壞負(fù)荷試驗

對66 kV、220 kV和500 kV的21支絕緣子進(jìn)行機械破壞負(fù)荷試驗，少量絕緣子進(jìn)行滲透性試驗，機械破壞負(fù)荷能夠超過設(shè)計破壞值。

運行數(shù)據(jù)及試驗中發(fā)現(xiàn)，部分廠家的金具與芯棒利用楔形壓接結(jié)構(gòu)的絕緣子，出現(xiàn)不足額定拉力斷裂的情況，反映出結(jié)構(gòu)與機械載荷承載關(guān)系密切。

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析

BP(back propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是一種按照誤差逆向傳播算法訓(xùn)練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，因其具有非常強的非線性映射能力，因而得到廣泛應(yīng)用[4]。在工程和技術(shù)領(lǐng)域經(jīng)常遇到這樣問題：積累了大量的輸入輸出數(shù)據(jù)，卻無法知道各數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系和規(guī)律，無法用常規(guī)的數(shù)學(xué)方法描述，缺乏專家經(jīng)驗，而BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)恰好能解決這一問題[5]。還因其具有很好的容錯能力和泛化能力，允許樣本中出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，同時不影響全局的規(guī)律；能對新的數(shù)據(jù)正確映射，得出正確的預(yù)測結(jié)果。

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果分析圖

從圖1可知，Input為憎水性、使用年限和外觀檢查3項的歸一化數(shù)據(jù)，通過樣本數(shù)據(jù)對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，形成初始神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不斷對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修改和重置，來提高其準(zhǔn)確性。訓(xùn)練數(shù)據(jù)的梯度和均方誤差之間的關(guān)系如圖2所示。增加學(xué)習(xí)次數(shù)，能夠進(jìn)一步提高其模型準(zhǔn)確性，驗證數(shù)據(jù)的梯度與學(xué)習(xí)次數(shù)如圖3所示；各種樣本回歸系數(shù)如圖4所示。

圖2 訓(xùn)練數(shù)據(jù)的梯度和均方誤差之間的關(guān)系圖

圖3 驗證數(shù)據(jù)的梯度與學(xué)習(xí)次數(shù)

圖4 各種樣本回歸系數(shù)

依次是訓(xùn)練樣本、驗證樣本、測試樣本和全部樣本的回歸系數(shù)，越接近1越好，即2根線越接近越好，如表2所示。

通過預(yù)測數(shù)據(jù)來分析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的準(zhǔn)確性，可以看到實際曲線和預(yù)測曲線基本重合，驗證了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的準(zhǔn)確性。

表5 試驗與預(yù)測對比

3 結(jié)束語

本文利用試驗數(shù)據(jù)與多因素統(tǒng)計分析的方法，對絕緣子壽命因素進(jìn)行逐一分析，結(jié)果表明，運行年限、運行環(huán)境和制造工藝是影響劣化的重要因素。通過建立復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)與工藝、運行環(huán)境、年限等數(shù)學(xué)關(guān)系模型，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析研究復(fù)合絕緣子壽命預(yù)期，預(yù)測復(fù)合絕緣子損壞風(fēng)險，減少復(fù)合絕緣子故障的發(fā)生。通過統(tǒng)計和試驗驗證可以看出，國產(chǎn)絕緣子在正常設(shè)計、制造、使用和維護下，平均使用壽命約為20年，通過檢測外觀、憎水性、傘裙脆化程度是否存在孔洞缺陷等，經(jīng)分析認(rèn)為，應(yīng)逐步淘汰使用15年以上的復(fù)合絕緣子。