電力機(jī)車用復(fù)合絕緣子運(yùn)行性能及使用壽命預(yù)測方法概述

陳玉芬，張金成，李敬玉

(中車大同電力機(jī)車有限公司，山西 大同 037038)

硅橡膠復(fù)合絕緣子以其質(zhì)量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、憎水性和憎水遷移性強(qiáng)，耐污閃電壓高、安裝維護(hù)方便等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)、電力機(jī)車、電動車組等。電力機(jī)車用復(fù)合絕緣子是受電弓、高壓母線、真空斷路器、高壓隔離開關(guān)等高壓網(wǎng)側(cè)設(shè)備的支撐裝置，復(fù)合絕緣子在運(yùn)行過程中受電氣、機(jī)械和環(huán)境因素等各種因素的綜合作用，隨運(yùn)行時(shí)間增長會出現(xiàn)憎水性下降、傘裙變色、變硬、變脆、粉化、開裂、漏電起痕或蝕損、不明原因閃絡(luò)放電等現(xiàn)象，其在運(yùn)行環(huán)境等因素下的老化失效問題直接影響電力機(jī)車運(yùn)行可靠性。本文以受電弓支撐絕緣子、高壓母線支撐絕緣子為研究對象，對運(yùn)行中復(fù)合絕緣子的老化因素和作用機(jī)理進(jìn)行分析、性能檢測。根據(jù)復(fù)合絕緣子運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行工況的不同，對復(fù)合絕緣子進(jìn)行大規(guī)模抽樣，重點(diǎn)對復(fù)合絕緣子的外觀狀態(tài)、電氣性能、憎水性能、老化性能等運(yùn)行性能及使用壽命預(yù)測方法進(jìn)行研究。通過對試驗(yàn)結(jié)果、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，綜合提出電力機(jī)車用復(fù)合絕緣子老化性能判據(jù)，掌握絕緣子性能現(xiàn)狀，并提出一種電力機(jī)車用復(fù)合絕緣子使用壽命預(yù)測方法。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能分析

1.1 復(fù)合絕緣子

電力機(jī)車車頂絕緣子是用來支撐受電弓及高壓母線并使其絕緣的部件，機(jī)車車頂上的受電弓支撐絕緣子和高壓母線支撐絕緣子全部采用復(fù)合絕緣子，絕緣子外形見圖1。

圖1 復(fù)合絕緣子外形

1.2 復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)分解

車頂復(fù)合絕緣子是由芯棒，上下連接法蘭以及硅橡膠傘裙外套組成(圖2)，芯棒采用高強(qiáng)度環(huán)氧玻璃纖維引拔棒作為產(chǎn)品的內(nèi)絕緣及主要支撐部件，上下連接法蘭采用鑄鋁、鑄鋼或不銹鋼材料；芯棒及法蘭包覆具有良好電氣性能的高溫硫化硅橡膠傘裙外套來承擔(dān)產(chǎn)品的外絕緣。

圖2 復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)圖

2 產(chǎn)品可靠性影響因素分析

電力機(jī)車車頂復(fù)合絕緣子的主要功能為支撐受電弓及高壓母線，保證其電氣間隙及爬電距離。影響產(chǎn)品可靠性的部件主要為硅橡膠傘裙外套，傘裙外套在運(yùn)行過程中受電氣、機(jī)械和環(huán)境因素等各種因素的綜合作用，隨運(yùn)行時(shí)間增長會出現(xiàn)憎水性下降、傘裙變色、變硬、變脆、粉化、開裂、漏電起痕或蝕損、不明原因閃絡(luò)放電等現(xiàn)象。研究復(fù)合絕緣子產(chǎn)品可靠性，主要研究其硅橡膠傘裙外套的絕緣性能。

2.1 復(fù)合絕緣子老化類型

復(fù)合絕緣子外絕緣材料主要是高溫硫化硅橡膠，是一種以線性的鏈結(jié)數(shù)在5 000～10 000個(gè)硅氧烷鏈接的有機(jī)硅氧烷生膠，添加各種配合劑如補(bǔ)強(qiáng)填料、結(jié)構(gòu)控制劑、阻燃劑、著色劑等，再通過硫化劑進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)后得到的一種三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的彈性體[3]。

復(fù)合絕緣子老化類型根據(jù)老化因素來源的不同，一般可將老化分為物理老化、化學(xué)老化和電老化3種情況。

2.1.1 物理老化

引起物理老化的因素有紫外線輻照、局部高溫以及應(yīng)力疲勞等。物理老化對硅橡膠的力學(xué)性能、憎水性和電化學(xué)性能都有一定程度的影響。

紫外線老化的特點(diǎn)為：

(1)紫外線是通過切斷硅橡膠的側(cè)鏈并發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)來加速老化，但對主鏈幾乎無影響；

(2)在紫外線老化的初期性能劣化較為顯著，但經(jīng)一段時(shí)間后其性能劣化趨于平緩；

(3)隨著紫外線照射時(shí)間的增加，硅橡膠的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、殘余變形量均呈現(xiàn)波動式的降低，表面邵氏硬度先減小后增加，體積電阻率隨照射時(shí)間的延長而減小，擊穿場強(qiáng)、漏電起痕性能先下降后有小幅回升，憎水性能呈下降趨勢[1]。

局部高溫老化的特點(diǎn)為：

(1)局部高溫通常會引起高分子材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，并加速高分子材料的老化；

(2)大部分情況下，熱老化發(fā)生的是側(cè)鏈氧化、側(cè)鏈的熱分解等反應(yīng)，同時(shí)也能導(dǎo)致硅橡膠的主鏈斷裂；

(3)熱老化可使材料變硬、變脆、彈性變差，拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度降低。

應(yīng)力疲勞老化的特點(diǎn)為：

機(jī)車運(yùn)行時(shí)，絕緣子傘裙發(fā)生高頻大幅振動，該振動令傘裙根部發(fā)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中。在長時(shí)間的載荷作用下，傘裙根部處于應(yīng)力集中疲勞狀態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生微裂紋，并逐漸擴(kuò)展為深度裂紋，最終導(dǎo)致傘裙撕裂。

2.1.2 化學(xué)老化

引起硅橡膠化學(xué)老化的因素有酸堿、臭氧以及氮化物等，空氣中的高濕度會加重硅橡膠的臭氧老化，化學(xué)老化會對硅橡膠的主鏈、側(cè)鏈產(chǎn)生不同程度的破壞，對材料的憎水性、電學(xué)性能、力學(xué)性能均影響較大。

2.1.3 電老化

在高壓輸變電線路中運(yùn)用的絕緣子，由于其運(yùn)行環(huán)境處于110 kV及以上的特高壓電場下，電老化是絕緣子主要老化形式，電老化過程最復(fù)雜，往往伴有物理老化及化學(xué)老化。但電力機(jī)車用復(fù)合絕緣子運(yùn)行于25 kV電壓下，相對而言受電老化影響較小[2]。

目前電力行業(yè)輸電線路用絕緣子老化研究類論文較多，關(guān)于復(fù)合絕緣子安全服役壽命的預(yù)測模型，分別有通過硅橡膠加速熱老化試驗(yàn)外推，以及基于聚合物電老化壽命和基于大量實(shí)例統(tǒng)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式等，但與實(shí)際結(jié)果尚有一定程度的誤差[3]。目前無多老化因素的加速老化試驗(yàn)，另外電力行業(yè)絕緣子處于靜止?fàn)顟B(tài)，環(huán)境變化相對單一，電力機(jī)車絕緣子受行車速度、運(yùn)行范圍影響，老化特性更加復(fù)雜，要基于以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立復(fù)合絕緣子的老化模型的難度較大[4]。

本文從基于運(yùn)行數(shù)據(jù)的可靠性評估計(jì)算及基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測兩方面進(jìn)行電力機(jī)車用復(fù)合絕緣子壽命評估。

3 基于運(yùn)行數(shù)據(jù)的可靠性評估

3.1 絕緣子運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)原則

運(yùn)行數(shù)據(jù)(即故障數(shù)據(jù))是可靠性數(shù)據(jù)中的重要部分，它是對部件故障時(shí)狀況的描寫，例如故障發(fā)生時(shí)部件的工作時(shí)間，發(fā)生故障的現(xiàn)象及原因，故障后對部件及其上層系統(tǒng)造成的影響。

部件現(xiàn)場運(yùn)行發(fā)生的故障可分為責(zé)任故障和非責(zé)任故障，根據(jù)合同(或協(xié)議)規(guī)定，在該研制或生產(chǎn)部門責(zé)任范圍內(nèi)發(fā)生的故障稱為責(zé)任故障，不在該研制或生產(chǎn)部門責(zé)任范圍內(nèi)發(fā)生的故障稱為非責(zé)任故障。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，截至目前絕緣子未發(fā)生過責(zé)任故障，故機(jī)車走行公里即為絕緣子截尾數(shù)據(jù)。絕緣子無失效數(shù)據(jù)記錄，根據(jù)可靠性評估方法，采用無失效數(shù)據(jù)的可靠性評估方法對絕緣子進(jìn)行可靠性評估。

3.2 無失效數(shù)據(jù)的可靠性評估

設(shè)T為產(chǎn)品的假設(shè)壽命，τ為給定的截尾試驗(yàn)時(shí)間，定義觀測示性特征量δi為：

(1)

式中：Ti——第i個(gè)產(chǎn)品的假設(shè)壽命；

τi——第i個(gè)產(chǎn)品給定的截尾試驗(yàn)時(shí)間。

則在截尾試驗(yàn)下，能夠觀測到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為：

Z=(t1，δ1，…，tn,δn)

(2)

式中：tn——第n個(gè)產(chǎn)品的壽命；

Z——觀測到的截尾試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在產(chǎn)品無故障時(shí)，δi=0(i=1,…,n)，則

Z0=(t1,0,…,tn,0)

(3)

式中：Z0——產(chǎn)品無故障時(shí)的截尾試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

這種定時(shí)截尾試驗(yàn)可看作逐次定時(shí)截尾試驗(yàn)。利用T的累積故障函數(shù)F(t;θ)和可靠度函數(shù)R(t;θ)，可得到無故障數(shù)據(jù)情形下的似然函數(shù)，即：

(4)

則無故障情形下，g(θ)(θ的廣義實(shí)值函數(shù))的置信度為1-α的最優(yōu)置信下限y*(Z°)，可由下式計(jì)算：

(5)

式中：θ——平均壽命；

Θ——θ的取值空間；

ti——第i個(gè)產(chǎn)品的壽命，ti=min(Ti,τi)，i=1,2,…,n；

α——顯著性水平。

式(5)適用于常見的壽命分布，根據(jù)這一理論可以處理在已知壽命類型產(chǎn)品在定時(shí)截尾試驗(yàn)無故障數(shù)據(jù)情形下的可靠性或可靠性壽命的置信下限。則當(dāng)壽命服從指數(shù)分布時(shí)，平均壽命θ在1-α置信度下的最優(yōu)置信下限θL為：

(6)

(7)

可靠度R(t)在1-α置信度下的最優(yōu)置信下限RL(t)為：

(8)

當(dāng)給定可靠度為R時(shí)，可靠壽命tR在1-α置信度下的單側(cè)置信下限tR.L為：

(9)

此次統(tǒng)計(jì)得到的絕緣子截尾數(shù)據(jù)共有1 284個(gè)，得出絕緣子在給定走行公里下的可靠度置信下限曲線如圖3所示，絕緣子在給定可靠度下的可靠壽命置信下限曲線如圖4所示。不同置信度下可靠壽命置信下限計(jì)算結(jié)果見表1。

圖3 給定走行公里下的可靠度置信下限曲線

圖4 給定可靠度下的可靠壽命置信下限曲線

由表1可知，采用無失效數(shù)據(jù)可靠性評估法得出的0.95置信度及0.95可靠度下的可靠壽命置信下限計(jì)算結(jié)果約為2 000萬km，與實(shí)際機(jī)車絕緣子運(yùn)行至240萬km需進(jìn)行全部更換的事實(shí)偏離很大。

表1 不同置信度下可靠壽命下限計(jì)算結(jié)果

4 基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測，即針對絕緣子產(chǎn)品老化影響因素，結(jié)合其物理特性作用機(jī)理的復(fù)雜性，采用基于數(shù)據(jù)的系統(tǒng)辨識方法進(jìn)行建模。

首先需對絕緣子老化壽命關(guān)鍵因素進(jìn)行篩選，通過對運(yùn)行至C6修的絕緣子進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得出以下結(jié)論。

(1)絕緣子整體試驗(yàn)：拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、雷電沖擊試驗(yàn)和干工頻耐壓試驗(yàn)均能符合標(biāo)準(zhǔn)要求；干工頻閃絡(luò)電壓與新產(chǎn)品相比有少許下降；憎水性能下降明顯，與絕緣子外觀狀態(tài)大致一致，偶有產(chǎn)品憎水性能不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)絕緣子傘套試驗(yàn)：傘套硬度試驗(yàn)和耐漏電起痕試驗(yàn)偶有產(chǎn)品不能滿足標(biāo)準(zhǔn)。拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、雷電沖擊試驗(yàn)和干工頻耐壓試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果為“是”或“否”，不是具體數(shù)值，數(shù)據(jù)可比性差；傘套硬度試驗(yàn)和耐漏電起痕試驗(yàn)雖然試驗(yàn)結(jié)果為具體數(shù)值，但需對絕緣子破壞后取標(biāo)準(zhǔn)樣件試驗(yàn)，樣本可獲得性差。綜合考慮試驗(yàn)對產(chǎn)品的破壞性、試驗(yàn)樣本的可獲得性及試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的可比性，選取外觀狀態(tài)、憎水性、干工頻閃絡(luò)3個(gè)特性作為模型輸入量，絕緣子的老化狀態(tài)作為輸出量進(jìn)行運(yùn)算建模。然后以電力機(jī)車運(yùn)行至C6修的絕緣子作為試驗(yàn)對象，剔除異常數(shù)據(jù)并對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理，得到100組數(shù)據(jù)，其中80組作為訓(xùn)練樣本，20組作為測試樣本。

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合了模糊推理的知識表達(dá)能力和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力，在系統(tǒng)辨識和模式識別領(lǐng)域有廣泛的引用。利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立絕緣子老化壽命預(yù)測模型，可以有效地模擬預(yù)測絕緣子的老化狀態(tài)[5]。

由于用于絕緣子老化性能預(yù)測的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)其目的是尋找各種影響因素與老化狀態(tài)之間的相關(guān)規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)預(yù)測，因此本文選取前向模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通常一個(gè)前向模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、模糊化層、模糊推理層、去模糊化層和輸出層5層組成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 前向模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

(1)輸入層。

輸入層的作用是將輸入值傳送給模糊化層中的模糊單元，將輸入值轉(zhuǎn)換為一定的模糊度，輸入層由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，其在此模型中輸入節(jié)點(diǎn)對應(yīng)影響絕緣子老化狀態(tài)的因數(shù)，如外觀狀態(tài)(x1)、干工頻閃絡(luò)(x2)、憎水性(x3)等。

(2)模糊化層。

模糊化層是對模糊信息進(jìn)行預(yù)處理的網(wǎng)層，提供可供概括化的相互連接與處理，這里選用三角函數(shù)作為模糊化函數(shù)，其表征的輸入模糊關(guān)系為：y1=f(x1)，例如對絕緣子外觀狀態(tài)而言，指標(biāo)劃分為3個(gè)等級，即：

(10)

同理，將其他指標(biāo)進(jìn)行劃分，結(jié)果如表2所示。

表2 絕緣子性能指標(biāo)

(3)模糊推理層。

(4)去模糊化層。

去模糊化層接收經(jīng)中間層處理的數(shù)據(jù)，并按照模糊度函數(shù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行非模糊化處理，將推理變量的分布型基本模糊狀態(tài)轉(zhuǎn)化為與網(wǎng)絡(luò)輸入值相應(yīng)的確定狀態(tài)的量，即將以“分布值”表示的輸出結(jié)果以“確定值”的形式輸出。

(5)輸出層。

根據(jù)絕緣子老化狀態(tài)的分級標(biāo)準(zhǔn)，把絕緣子老化性能分為3級，分別為合格、一般、不合格。根據(jù)輸出層輸出狀態(tài)結(jié)果，表示絕緣子老化性能，然后由性能參數(shù)確定老化等級，從而實(shí)現(xiàn)絕緣子的壽命分析。

本文選取電力機(jī)車運(yùn)行至C6修的車頂絕緣子進(jìn)行相關(guān)分析，選取外觀狀態(tài)、干工頻閃絡(luò)、憎水性3個(gè)參數(shù)作為網(wǎng)絡(luò)的輸入神經(jīng)元，使用仿真計(jì)算將測試樣本的評價(jià)指標(biāo)輸入訓(xùn)練好的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸出結(jié)果如表3所示。

表3 性能預(yù)測結(jié)果

從表3輸出數(shù)值來看，選取的測試樣本老化狀態(tài)及性能等級與表2判斷標(biāo)準(zhǔn)一致，該種方法可用于電力機(jī)車用復(fù)合絕緣子老化性能的評估。

5 結(jié)論

運(yùn)行至C6修的電力機(jī)車用復(fù)合絕緣子無失效數(shù)據(jù)記錄，用無失效數(shù)據(jù)可靠性評估法得出的結(jié)論與實(shí)際運(yùn)行至240萬km需全部更換的事實(shí)偏離較大。運(yùn)行至C6修的電力機(jī)車用復(fù)合絕緣子拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、雷電沖擊試驗(yàn)和干工頻耐壓試驗(yàn)均能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，說明在正常環(huán)境下仍能正常使用，但干工頻閃絡(luò)電壓試驗(yàn)有少許下降，傘套硬度試驗(yàn)和耐漏電起痕試驗(yàn)偶有不符合，憎水性能下降明顯，說明絕緣子硅橡膠傘套發(fā)生老化，在雨雪、霧霾等惡劣天氣下的絕緣性能不能保證。用絕緣子外觀、干工頻閃絡(luò)電壓值和憎水性能等級作為輸入量，用基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測，可用于電力機(jī)車用復(fù)合絕緣子老化性能的評估。