基于核磁共振與紅外光譜的復合絕緣子老化程度量化評估方法

鄺 凡，楊 挺，夏云峰

（廣東電網有限責任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000）

0 引言

傳統(tǒng)的復合絕緣子老化評估方法主要分為兩大類：一是物理結構特性測試，如憎水性測試、超聲探傷、X射線成像等，通過觀察物理結構上的缺陷來判定絕緣子的老化程度，但此類方法受儀器精度及主觀因素影響較大；二是電氣性能測試，如泄漏電流測試、紅外測溫、紫外測試等，以帶電檢測的形式對設備絕緣性能進行測試，進而評估絕緣子的老化程度，但此類方法會受到環(huán)境因素、觀察角度以及表面污穢狀況的影響[1-5]。目前，基于高分子材料微觀化學機理的新型評估方法，如核磁共振、紅外光譜等，因其靈敏性高、方便快捷等優(yōu)點，越來越多地應用于復合絕緣子老化評估的研究中。文獻[6-7]對不同運行時間、不同運行環(huán)境的復合絕緣子進行紅外光譜測試，總結出Si-O-Si和Si-CH3等典型官能團對應的吸收峰面積與老化程度的對應關系。文獻[8-10]的核磁共振試驗結果表明，復合絕緣子材料等效橫向弛豫時間隨著運行時間增長呈下降趨勢，其中文獻[8]利用自身設計的便攜式單邊核磁共振傳感器，方便快捷地實現了絕緣子老化程度的無損檢測，但都沒有給出量化的老化程度判斷依據。

本文對東莞地區(qū)110～500 kV線路復合絕緣子按運行時間長短進行抽樣，通過對樣品絕緣子進行核磁共振與紅外光譜測試，對表征絕緣子老化程度的特征量進行歸一化標定分析，并結合憎水性等級測試結果，采用數理統(tǒng)計的方法，確定復合絕緣子老化等級的劃分區(qū)間。

1 核磁共振試驗

采用的核磁共振試驗設備主要包括Kea2核磁共振譜儀（Spinsolve型，新西蘭Magritek公司）、射頻功率放大器（BT00500 ALPHA-SA型，澳大利亞Tomco公司）、雙工器模塊以及計算機、單邊核磁共振傳感器。采用CPMG脈沖序列激勵樣品，如圖1所示。其中，d為脈沖寬度，Techo為回波時間，A180°和A90°分別為180°脈沖幅值和90°脈沖幅值。試驗參數設置如表1所示。

試驗樣品為東莞地區(qū)110、220、500 kV線路檢修時換下的絕緣子。為定量研究試驗結果與老化程度的規(guī)律，選擇其中生產廠家相同的、生產工藝相同、運行年數不同的9支復合絕緣子進行試驗，樣品信息如表2所示。

圖1 CPMG脈沖序列及回波信號Fig.1 CPMG pulse sequences and echo signal

將核磁共振測量儀器的前端傳感器部分分別夾持在每一支復合絕緣子的低壓端、中壓端和高壓端進行檢測，可以得到絕緣子的CPMG回波信號。以新品絕緣子（樣品A）為例，對絕緣子的CPMG回波信號進行指數擬合，得到表征復合絕緣子老化狀態(tài)的特征量——等效橫向弛豫時間T2，如圖2所示。橫向弛豫時間反映了硅橡膠材料中H原子的狀態(tài)，當絕緣子在運行過程中受到紫外線、電暈等影響時，會導致硅橡膠分子中與Si原子相連的碳氫基團脫落，使H原子狀態(tài)發(fā)生變化，因此T2可以一定程度上反映絕緣子的老化程度。9支樣品絕緣子各個測點的橫向弛豫時間試驗結果如表3所示。

表1 核磁共振試驗參數Tab.1 Nuclear magnetic resonance test parameters

表2 絕緣子樣品信息Tab.2 Insulator sample information

以運行時間為橫坐標，9支絕緣子樣品各測點的橫向弛豫時間為縱坐標畫圖，結果如圖3所示。從圖3可以看出，隨著運行時間的延長，橫向弛豫時間總體呈下降的趨勢，且高壓端<低壓端<中壓端，這是由于絕緣子串自上而下的電場不均勻分布造成的，高壓端承受的場強最高，電場畸變程度更嚴重，更容易發(fā)生電暈等表面放電現象，其產生的臭氧和高溫會加速傘裙的老化。但橫向弛豫時間與絕緣子運行時間并不是嚴格意義上的線性關系，存在一定的波動性，這是因為復合絕緣子老化程度還會受到絕緣子運行環(huán)境和電壓等級的影響。

圖2 指數擬合曲線Fig.2 Exponential fitting curve

表3 復合絕緣子樣品的橫向弛豫時間（單位：ms）Tab.3 Horizontal relaxation time of samples

圖3 橫向弛豫時間測試結果Fig.3 Horizontal relaxation time test results

2 紅外光譜測試及歸一化標定分析

采用Nicolet iS50型傅里葉變換紅外光譜儀對表2所示的復合絕緣子樣品進行紅外光譜測試，硅橡膠分子中主要官能團與吸收峰的對應關系如表4所示。

表4 硅橡膠分子中主要官能團與吸收峰的對應關系Tab.4 Chemical groups and their corresponding absorption peaks

新品絕緣子與在運絕緣子的紅外光譜吸收曲線如圖4所示。絕緣子老化過程中伴隨著主鏈Si-O-Si的斷裂和側鏈基團的脫落，相應官能團對應吸收峰會下降，從圖4可以看出，波數為1 260 cm-1處的Si-CH3吸收峰下降最為明顯，因此采用該吸收峰面積表征復合絕緣子的老化程度。

圖4 新舊絕緣子紅外光譜吸收曲線Fig.4 Infrared absorption curve of old and new insulators

各樣品Si-CH3吸收峰面積測試結果如表5所示，并將結果隨運行時間的變化示于圖5。從圖5可以看出，Si-CH3吸收峰面積與圖3中橫向弛豫時間呈現同樣的變化規(guī)律。

以新出廠的絕緣子（樣品A）的試驗數據Tnew和Snew為基準值，按照式（1）和式（2）對橫向弛豫時間和吸收峰面積進行歸一化處理。

式（1）～（2）中：T2和T2′分別為等效橫向弛豫時間的測試結果和歸一化后的數值；SSi-CH3和分別為Si-CH3吸收峰面積測試結果和歸一化后的數值。實際上，歸一化后T2′和的物理意義為復合絕緣子老化后的T2和SSi-CH3相對其出廠值的百分比。

表5 復合絕緣子樣品的Si-CH3吸收峰面積Tab.5 Peak areas of Si-CH3of samples

圖5 Si-CH3吸收峰面積測試結果Fig.5 Peak area of Si-CH3test results

9支絕緣子樣品的高壓端、中壓端、低壓端共27個測點，將各個測點的T2′和分別作為橫坐標和縱坐標作圖，結果如圖6所示。從圖6可以看出，T2′和具有明顯的線性相關性，說明同為反映絕緣子微觀化學結構的特征量，兩者具有緊密聯系，反映出的絕緣子老化程度具有一致性。

圖 6 T2′和 S′Si-CH3關系圖Fig.6 Relationship between T2′and S′Si-CH3

3 老化程度量化評估方法

憎水性分級法作為一種較為成熟的絕緣子老化程度評估方法，可為核磁共振與紅外光譜的量化評估提供依據。參考文獻[11]中依據憎水性等級提出了絕緣子老化程度劃分方法，結合電力行業(yè)標準DL/T 1000.3—2015中“復合絕緣子憎水性下降至HC6或永久消失時，應予更換”的要求，本文根據憎水性等級將復合絕緣子老化等級分為輕度老化、中度老化及重度老化3個級別，連同相應的運維處理建議一同列于表6。此外，在紅外光譜切片試驗之前，對9支絕緣子樣品的不同部位進行了噴水試驗，表7給出了各測點的水滴狀態(tài)與老化等級判定結果（編號為A的絕緣子為新品，其各部位未存在老化現象，所以沒有給出）。

表6 老化級別劃分標準Tab.6 Ageing grade division standard

將每個測點的憎水性老化等級判定結果在圖7中標示出，得到憎水性老化等級與核磁共振、紅外光譜測試結果的關系。從圖7可以看出，T2′與越低的測點，其老化程度越高，由于T2′和的線性相關性，可以將T2′和劃分為3個區(qū)間，分別對應著3種老化等級。由于測試數據是分散的，無法讀取確切的區(qū)間邊界值，需要采用數理統(tǒng)計中常用的參數估計方法，利用各個老化程度中的樣本數據來計算區(qū)間邊界值。

表7 老化等級測試結果Tab.7 Ageing grade test results

圖7 憎水性判定老化等級與T2′、S′Si-CH3之間的關系Fig.7 Relationship among T2′,S′Si-CH3,and ageing grade

本文中試品絕緣子運行時間從1～20年均勻分布，因此表征老化程度的特征值T2′與在各個老化等級劃分區(qū)間內也為均勻分布，而均勻分布的邊界參數常用矩估計的方法來得到。矩估計是利用樣本的各階矩來估計總體的各階矩，從而獲得總體未知參數估計值的一種方法，其理論依據為辛欽大數定律[12]。假設總體X在[a,b]區(qū)間內均勻分布，a和b未知，由均勻分布的特性可得式（3）～（4）。

式（3）～（4）中：μ1為總體X的一階原點距；μ2為總體X的二階原點矩。而樣本的一階原點距A1和二階原點距A2為式（5）～（6）。

式（5）～（6）中：n為樣本個數；Xi為第i個樣本值；為樣本的平均值；S2為樣本的方差，令μ1=A1，μ2=A2，聯立解得a和b，如式（7）～（8）所示。

由式（7）和式（8）對3個老化等級對應的區(qū)間邊界值進行計算，結果如表8所示。

表8 矩估計計算結果Tab.8 Moment estimation calculation results

由矩估計得出的各個區(qū)間邊界并不是連續(xù)的，相鄰區(qū)間之間還有空隙，為保證老化級別較高的絕緣子不被漏判，此處把未覆蓋到的區(qū)域都劃入更高的老化級別中，并將重度老化的下邊界延伸至0，從而得出絕緣子老化級別的評估方法如表9所示。綜上，利用核磁共振與紅外光譜的測試方法，獲得表征復合絕緣子老化程度的特征值，并與出廠試驗值進行歸一化標定處理，便可以快捷有效地對絕緣子老化程度進行量化評估。

表9 復合絕緣子老化程度量化評估方法Tab.9 Quantitative evaluation method for ageing grade

4 結論

（1）橫向弛豫時間T2和Si-CH3吸收峰面積SSi-CH3隨著運行時間的增長總體呈下降的趨勢，且并不是嚴格意義上的線性關系，還會受到絕緣子的傘裙位置、運行環(huán)境以及電壓等級等因素的影響。

（2）歸一化處理后的T2′和具有明顯的線性相關性，說明同為反映絕緣子微觀化學結構的特征量，兩者具有緊密聯系，反映出的絕緣子老化程度具有一致性。

（3）結合憎水性等級測試對復合絕緣子的老化程度進行等級劃分，并采用矩估計的方法，由樣本數據計算出了根據T2′和劃分老化等級的區(qū)間邊界值，為復合絕緣子老化程度的量化評估提供了參考。