沿海工業(yè)地區(qū)復(fù)合絕緣子老化壽命預(yù)測研究

陶風(fēng)波，畢曉甜，陳 杰，高 嵩，張廼龍

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院,南京 211103)

0 引言

隨著國家“西電東送”等項目不斷推進，復(fù)合絕緣子在輸電線路中的得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1-4]。據(jù)統(tǒng)計，我國近年來每年投入運行的復(fù)合絕緣子超過1 000萬支[5-6]。

雖然在運行之初，復(fù)合絕緣子被認為是免維護的。但是隨著運行時間的增加，復(fù)合絕緣子表面物理、化學(xué)等特性在環(huán)境的影響逐漸下降，發(fā)生冰閃及污閃事故的可能性上升。近年來，國內(nèi)外對于復(fù)合絕緣子閃絡(luò)導(dǎo)致的電網(wǎng)事故都多有報道[7-8]。

針對復(fù)合絕緣子的老化問題，各國學(xué)者展開大量研究，并提出了一系列的研究方法。中國電力科學(xué)院鄧桃等[9]采用靜態(tài)接觸角法及HC噴水分級法對浙江地區(qū)區(qū)殿廣、灣石、灣孔3條110 kV輸電線路現(xiàn)場取回3支運行年限在7-9年的復(fù)合絕緣子的憎水性進行測試，對其老化特性進行分析。文獻[10-11]通過測試老化不同年限復(fù)合絕緣子樣品表面憎水性、表面粗糙度等方法對其老化特性進行評價。

此外，一部分學(xué)者提出在試驗測試結(jié)果的基礎(chǔ)上利用老化表征參數(shù)對復(fù)合絕緣子的老化程度進行表征。例如文獻[12-13]中采用憎水性測試、FTIR等方法對復(fù)合絕緣子老化特性進行分析，并提出利用靜態(tài)接觸角、典型官能團吸收峰高度等參數(shù)對復(fù)合絕緣子的老化程度進行表征。清華大學(xué)成立等[14]通過測試不同老化年限的復(fù)合絕緣子的老化特性，通過分析得出材料內(nèi)部色差、孔隙率及O元素相對含量等參數(shù)與老化年限關(guān)系明顯，可以用于表征復(fù)合絕緣子的老化程度。

在現(xiàn)階段研究中，學(xué)者們研究的重點還主要集中于定性分析復(fù)合絕緣子老化程度，而對于定量分析復(fù)合絕緣子老化程度的研究卻鮮有涉及。本文以某沿海工業(yè)地區(qū)運行0-13年復(fù)合絕緣子樣品為研究對象，基于以往研究經(jīng)驗，采用靜態(tài)接觸角法、硬度測試等方法對可以表征復(fù)合絕緣子老化程度的壽命預(yù)測參數(shù)隨老化時間的變化規(guī)律進行研究?；跍y試結(jié)果利用統(tǒng)計學(xué)方法得出與老化年限具有顯著相關(guān)性的表征參數(shù)，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對復(fù)合絕緣子的運行壽命進行預(yù)測。

1 壽命預(yù)測參數(shù)的測試

1.1 測試方法

根據(jù)以往的研究經(jīng)驗[15-16]，通過測試HC噴水級別、靜態(tài)接觸角、硬度、拉伸強度、Si(CH3)2與Si-O-Si吸收峰高度比、Si、C及O元素相對含量等參數(shù)對復(fù)合絕緣子老化程度進行研究，測試方法如表1所示。

表1 壽命預(yù)測參數(shù)測試方法Table 1 Test methods for life-span prediction parameters

1.2 樣品

本研究所用復(fù)合絕緣子取自東南某沿海工業(yè)地區(qū)附近110 kV、220 kV交流線路。該地區(qū)屬典型季風(fēng)性海洋氣候，年平均氣溫在15 ℃，平均濕度約為80%。該地區(qū)輸電線路污穢等級分布為I -II級，主要污穢成分為NaCl、CaSO4、SiO2、Fe2O3和Al2O3。本研究樣品為運行0～13年同一廠家復(fù)合絕緣子(記為A2-A7)，并取該廠家1支全新絕緣子(記為A1)作為對比，具體如表2所示。

表2 復(fù)合絕緣子樣品具體情況Table 2 Composite insulator samples

1.3 測試結(jié)果

1.3.1 憎水性

現(xiàn)有研究結(jié)果表明憎水性是表征復(fù)合絕緣子硅橡膠老化程度的重要參數(shù)之一，主要測試方法為HC噴水分級法與靜態(tài)接觸角法?；贕B/T 22079-2019[17]，對老化0～13年的復(fù)合絕緣子樣品的HC級別與靜態(tài)接觸角進行測試，具體方法如下：

HC噴水分級法。采用HC噴水分級法對復(fù)合絕緣子樣品的憎水性進行初步判斷，噴水分級法將硅橡膠材料表面的憎水性分為7個等級，參照GB/T 22079-2019[17]，HC1-HC7憎水級別逐漸降低。

靜態(tài)接觸角法。采用DropMeter A-100P視頻光學(xué)接觸角測量儀測量試樣的靜態(tài)接觸角，為了方便測量，將樣品裁剪為2 cm×3 cm大小進行測量，每個樣品測量6個水珠的靜態(tài)接觸角θ，每次注射水滴容量為8 μL，并取其平均值記為θav。

具體測試結(jié)果如圖1-2所示。

圖1 復(fù)合絕緣子樣品HC級別測試結(jié)果Fig.1 Test results of HC method on composite insulator samples

由表3可得：

1)隨著老化時間的增加，復(fù)合絕緣子表面的靜態(tài)接觸角與HC級別逐漸下降。未老化的樣品表面HC級別為1，靜態(tài)接觸角平均值為130.1°；老化5年后樣品的HC級別增加為2，表面靜態(tài)接觸角平均值下降為116.8°；當(dāng)老化時間達到13年時，樣品表面HC級別增加為4，表面靜態(tài)接觸角平均值下降為90.4°。

2)現(xiàn)有研究結(jié)果表明，當(dāng)復(fù)合絕緣子表面硅橡膠HC級別小于等于4且靜態(tài)接觸角平均值大于90°時，認為該材料為憎水性材料；反之，則為親水性材料。表3中，A廠復(fù)合絕緣子表面HC級別均小于等于4且靜態(tài)接觸角平均值均大于90°，可認為在老化13年內(nèi)該廠家復(fù)合絕緣子硅橡膠均能保持良好的憎水性。但是通過對比可以發(fā)現(xiàn)隨著老化時間的增加，樣品HC級別不斷上升，靜態(tài)接觸角平均值不斷下降，長此以往，其表面硅橡膠材料會逐漸轉(zhuǎn)為親水性材料。

圖2 復(fù)合絕緣子靜態(tài)接觸角測試結(jié)果Fig.2 Test results of static contact angle on composite insulator samples

1.3.2 硬度

采用硬度測試評價復(fù)合絕緣子老化程度是現(xiàn)階段復(fù)合絕緣子老化程度研究中的重要方法。試驗方法參照GB/T 531.1-2008，對復(fù)合絕緣子硅橡膠表面樣品進行硬度測試。每個樣品由傘裙根部到傘裙邊緣依次測試6個點，記為a-f，每個點相隔6 mm，測量時保持壓針垂直平穩(wěn)壓在試品表面，以平均值表示硅橡膠樣品表面硬度(記為A)。硬度測試結(jié)果如表3。

由表3可知：

表3 硅橡膠樣品硬度測試結(jié)果Table 3 Test results of hardness of silicone rubber samples

1)隨著老化年限的增加，復(fù)合絕緣子表面的硬度逐漸增加。未老化的復(fù)合絕緣子樣品的平均硬度為71.7，當(dāng)老化年限達到3、7、11、13年時，樣品表面的平均硬度分別為73.9、75.8、77.3、78.7，相較未老化樣品硬度分別增加了3.09%、5.72%、7.81%、9.72%。

2)對于同一片傘裙材料，由根部向傘裙邊緣，硅橡膠樣品表面硬度逐漸增大。如老化5年樣品，其表面硬度由根部a到傘裙邊緣f硬度分別為73.5、74.1、74.7、75.3、75.6、76.8，呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。

1.3.3 拉伸強度

在現(xiàn)場試驗中，可發(fā)現(xiàn)經(jīng)過多年老化后，部分復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，機械性能下降，為了對老化后的復(fù)合絕緣子的機械性能進行評價，本研究參照GB/T 528-2009采用萬能試驗機對不同老化年限樣品進行拉伸強度測試。試驗前將樣品裁剪為啞鈴型，大小25×6 mm。

拉伸強度T計算公式為

(1)

式中，F(xiàn)d為樣品拉伸過程的最大拉力，N；W為樣品狹窄部分寬，文中W=6 mm；h為樣品平均厚度，取每個樣品隨機3個點厚度取平均值，mm。

樣品拉伸試驗測試結(jié)果如表4所示。

表4 硅橡膠樣品拉伸強度Table 4 Test results of tensile strength of silicone rubber samples

由表4可知：

1)隨著老化時間的增加，復(fù)合絕緣子硅橡膠的拉伸強度逐漸下降。未老化的樣品A1的拉伸強度為5.57 MPa；當(dāng)老化年限為5、13年時，樣品A3、A7的拉伸強度分別下降為4.62、3.23 MPa。

2)根據(jù)DL/T 864-2004，現(xiàn)場運行中的復(fù)合絕緣子的拉伸強度應(yīng)大于3 MPa。對于本文運行13年的樣品A7，拉伸強度為3.23 MPa，大于3 MPa，說明在現(xiàn)階段其機械性能仍能保持在一個較好的狀態(tài)。但是隨著老化時間的增加，材料拉伸強度逐漸下降，其發(fā)生斷裂的風(fēng)險也逐漸增大。

1.3.4 FTIR分析

紅外光譜分析是研究聚合物結(jié)構(gòu)的重要分析手段，不同的有機聚合物在紅外區(qū)域會產(chǎn)生不同的特征光譜[18]，具體波數(shù)和特性基團對應(yīng)情況如表5所示。

表5 典型基團的紅外特征峰Table 5 Characteristic peaks of silicon rubber in IR analysis

現(xiàn)有研究結(jié)果表明復(fù)合絕緣子表面Si-(CH3)2吸收峰與主鏈Si-O-Si吸收峰的比值(即為H)可以反映其側(cè)鍵的相對含量，與復(fù)合絕緣子的非極性程度有關(guān)，在一定程度上可以反映出復(fù)合絕緣子的老化程度。本文不同老化年限樣品的側(cè)鍵Si-(CH3)2吸收峰高度、主鏈Si-O-Si吸收峰高度及其比值如表6所示。

表6 復(fù)合絕緣子Si-O-Si與Si(CH3)2吸收峰高度比值Table 6 The absorption peak height ratio of Si-O-Si and Si(CH3)2 of composite insulator

由表6可知：

1)隨著老化時間的增加，樣品表面Si-O-Si吸收峰高度逐漸降低。這是由于復(fù)合絕緣子在運行過程中收到紫外、熱和電的總和影響。紫外輻射及電暈放電會打斷Si-O-Si主鏈的薄弱部位，造成Si-O-Si的吸收峰高度大幅下降。

2)隨著老化時間的增加，樣品表面Si-(CH3)2吸收峰高度逐漸下降。這表明在運行過程中，Si-O-Si主鏈上連接的側(cè)鍵將出現(xiàn)斷裂。側(cè)鍵的減少將導(dǎo)致屏蔽作用削弱，材料更趨于極性，進而導(dǎo)致材料自身憎水性下降，老化程度加重。

3)隨著老化時間的增加，樣品的Si-(CH3)2吸收峰高度與Si-O-Si吸收峰高度比值逐漸下降，復(fù)合絕緣子逐漸趨于極性，材料老化程度逐漸加劇。

1.3.5 XPS能譜分析

為了進一步研究復(fù)合絕緣子硅橡膠在老化過程中的化學(xué)成分變化，本研究采用XPS能譜分析對不同老化年限下的復(fù)合絕緣子樣品的元素組成及相對含量進行測試，測試結(jié)果如表7所示。

表7 硅橡膠樣品表面主要元素相對含量Table 7 The relative content of main elements on silicone rubber samples (wt,%)

由表7可知：

1)隨著老化時間的增加，復(fù)合絕緣子表面Si、C元素相對含量逐漸下降。結(jié)合復(fù)合絕緣子表面典型官能團吸收峰高度變化規(guī)律進行分析，發(fā)現(xiàn)隨著老化年限的上升，硅橡膠樣品表面Si-O-Si、Si-(CH3)2的含量逐漸下降，材料表面有機硅小分子逐漸遷移到污穢層表面導(dǎo)致Si、C元素相對含量下降。

2)隨著老化時間的增加，復(fù)合絕緣子硅橡膠表面O元素相對含量逐漸上升。這可能是由于在沿海工業(yè)CaSO4污穢下，其吸濕發(fā)熱導(dǎo)致樣品表面溫度較高，且空氣中含量較高的水分子易成為硅橡膠水解反應(yīng)的催化劑，這種情況下各自由基相互結(jié)合，在材料表面形成親水性的硅醇基團以及硅烷醇[18]，進而導(dǎo)致O元素相對含量升高。

3)隨著老化時間的增加，復(fù)合絕緣子樣品中的Al、Fe、Pt三種元素相對含量幾乎沒有發(fā)生變化，存在的些許波動是由于在測試過程中樣品測試存在少許誤差。

2 壽命預(yù)測參數(shù)分析

2.1 相關(guān)性分析

相關(guān)性是數(shù)理統(tǒng)計學(xué)中用于描述各參量之間聯(lián)系的重要參數(shù)，為了利用老化壽命預(yù)測參數(shù)建立復(fù)合絕緣子壽命預(yù)測的方法，首先要通過相關(guān)性檢驗方法甄別出與老化時間具有較強相關(guān)性的壽命預(yù)測參數(shù)。

在統(tǒng)計學(xué)中，對相互獨立的成對非等級變量一般采用Pearson相關(guān)系數(shù)對其相互之間的相關(guān)性進行檢測和分析，Pearson相關(guān)系數(shù)計算公式如下：

(2)

采用T檢驗法對各壽命預(yù)測參數(shù)與老化年限相關(guān)系數(shù)進行顯著性檢驗，檢驗統(tǒng)計量為

(3)

根據(jù)T值在文獻[19]查表確定顯著性水平α。當(dāng)其顯著性α值小于0.05時，認為兩變量之間存在一定的相關(guān)性，α值小于0.01時，認為兩變量顯著相關(guān)，具體結(jié)果如表8所示。

表8 壽命預(yù)測參數(shù)與老化年限之間的相關(guān)性Table 8 Correlation between life-span prediction parameters and aging time

從相關(guān)性計算結(jié)果可以得出：

1)HC噴水級別、靜態(tài)接觸角、硬度、拉伸強度、硅橡膠表面Si(CH3)2吸收峰峰值與Si-O-Si吸收峰峰值比值以及O元素相對含量等參數(shù)與沿海工業(yè)地區(qū)復(fù)合絕緣子的老化年限存在顯著的相關(guān)性，可以對復(fù)合絕緣子的老化程度進行精準評價，并可以用于復(fù)合絕緣子壽命的預(yù)測中，對工程實際中確定復(fù)合絕緣子的運行壽命提供指導(dǎo)。

2)Si、C元素相對含量與老化年限存在一定的相關(guān)性，這些參數(shù)可以作為輔助指標(biāo)對復(fù)合絕緣子的老化狀態(tài)進行評價。

2.2 復(fù)合絕緣子壽命預(yù)測方法

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其主要特點是信號向前傳遞，誤差反向傳播。在前向傳遞中，輸入信號從輸入層經(jīng)隱藏層逐層處理，直至輸出層，如果輸出層得不到期望輸出，則轉(zhuǎn)向反向傳播，根據(jù)預(yù)測誤差調(diào)整網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值，從而使BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測輸出不斷逼近期望輸出。現(xiàn)階段，這種方法已廣泛運用于復(fù)雜的非線性函數(shù)的預(yù)測中[20]。以HC級別、靜態(tài)接觸角、硬度等參數(shù)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對復(fù)合絕緣子的運行壽命進行預(yù)測。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of back propagation (BP)neural network

圖3中，n為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中輸入層的神經(jīng)元數(shù)；m為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中隱藏層的神經(jīng)元數(shù)；l為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中輸出層的神經(jīng)元數(shù)。

選擇老化0-11年樣品6組壽命預(yù)測參數(shù)對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行訓(xùn)練，老化13年樣品壽命預(yù)測參數(shù)作為檢驗參數(shù)。設(shè)置目標(biāo)誤差為10-8，通過不斷調(diào)整中間神經(jīng)元個數(shù)，使系統(tǒng)達到收斂。系統(tǒng)均方誤差隨訓(xùn)練步數(shù)變化如圖4所示。

圖4 訓(xùn)練誤差變化示意圖Fig.4 Reduction of deviation by training

如圖4所示，當(dāng)訓(xùn)練次數(shù)達到16步時，系統(tǒng)均方誤差達到10-8，滿足終止條件，結(jié)果收斂。通過對比得到中間神經(jīng)元個數(shù)l=4。訓(xùn)練后系統(tǒng)誤差穩(wěn)定，可以用于復(fù)合絕緣子壽命預(yù)測。

本研究中以老化13年一組樣品對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行誤差檢驗。定義復(fù)合絕緣子預(yù)測壽命與復(fù)合絕緣子實際老化年限之間誤差為σ1，檢驗誤差結(jié)果如表9所示。

表9 預(yù)測的復(fù)合絕緣子運行壽命與實際老化年限誤差Table 9 Predicted and actual aging time of composite insulators

(4)

式中，y為復(fù)合絕緣子實際老化年限；y1為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的復(fù)合絕緣子運行壽命。

表9中預(yù)測的復(fù)合絕緣子運行壽命與實際老化年限之間的誤差小于5%，在工程允許的誤差范圍之內(nèi)，因此本文建立的基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)合絕緣子壽命預(yù)測方法可以在今后研究中為預(yù)測復(fù)合絕緣子運行壽命提供指導(dǎo)。

3 結(jié) 論

以運行0～13年復(fù)合絕緣子為研究對象，在以往研究的基礎(chǔ)上對復(fù)合絕緣子壽命預(yù)測參數(shù)隨老化時間增長的變化規(guī)律展開研究。通過相關(guān)性計算得出與老化年限具有顯著相關(guān)性的壽命預(yù)測參數(shù)，并基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建立復(fù)合絕緣子的壽命預(yù)測方法。根據(jù)測試及計算結(jié)果得出了以下結(jié)論：

1)隨著老化時間的增加，樣本所處的沿海工業(yè)地區(qū)復(fù)合絕緣子硅橡膠表面HC級別HC、硬度A、O元素相對含量XO逐漸上升，靜態(tài)接觸角θ、拉伸強度T、復(fù)合絕緣子Si-O-Si與Si(CH3)2吸收峰高度比值H、Si元素相對含量XSi、C元素相對含量XC逐漸下降，進而導(dǎo)致復(fù)合絕緣子老化程度逐漸加重。

2)通過相關(guān)性計算，壽命預(yù)測參數(shù)HC級別HC、靜態(tài)接觸角θ、硬度A、拉伸強度T、Si-O-Si與Si(CH3)2吸收峰高度比值H、O元素相對含量XO與老化年限具有顯著的相關(guān)性，在未來研究中可對復(fù)合絕緣子的老化程度進行精準的評價。另外，Si及C元素相對含量(XSi、XC)與老化年限也具有一定的相關(guān)性，這些參數(shù)可以作為輔助指標(biāo)對復(fù)合絕緣子的老化狀態(tài)進行評價。

3)利用與老化年限具有顯著相關(guān)性的壽命預(yù)測參數(shù)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了復(fù)合絕緣子運行壽命預(yù)測方法，通過試驗驗證，預(yù)測得到的復(fù)合絕緣子運行壽命與實際老化年限誤差在5%以內(nèi)，在工程實際的允許范圍之內(nèi)，該方法可以為預(yù)測該沿海工業(yè)地區(qū)復(fù)合絕緣子運行年限的確定提供指導(dǎo)。