高壓電氣設(shè)備絕緣試驗新技術(shù)研究

李泰偉 舒 俊 劉沛軒

（國網(wǎng)江西省電力有限公司南昌供電分公司，江西 南昌 330000）

電氣設(shè)備需要承受高電壓與大電流的作用，因此對設(shè)備所使用的絕緣材料也有極高的要求，推動相關(guān)領(lǐng)域研究發(fā)展。王健等（2023）針對高壓電機(jī)H級絕緣系統(tǒng)進(jìn)行了研究，制造了線圈試樣并測試[1]。張長虹等（2023）總結(jié)了目前關(guān)于直流GIL絕緣關(guān)鍵技術(shù)和GIL設(shè)備研制的相關(guān)研究[2]。徐曙等（2023）選用不同型號的半導(dǎo)電屏蔽料，測試了其電氣、力學(xué)以及流變性能[3]。俞葆青等（2023）介紹了高壓直流電纜聚丙烯絕緣材料電場調(diào)控的理論與方法[4]。杜伯學(xué)等（2023）建立了水平敷設(shè)的1100kV GIL三支柱絕緣子電場-溫度場-流體耦合仿真模型，計算了三支柱絕緣子放電起始電壓[5]。劉青等（2022）通過主成分分析法對高壓服役電纜主絕緣老化狀態(tài)進(jìn)行評估[6]。王昊月等（2023）基于高壓頻域介電譜診斷方法研究電纜絕緣老化[7]。余光凱等（2022）針對特高壓帶電作業(yè)絕緣工具操作沖擊放電特性進(jìn)行了試驗驗證[8]。宋思齊等（2022）研究了高壓擊穿電弧作用下SMC絕緣隔板的引燃特性[9]。

1 理論概述

絕緣材料的基本特性包括絕緣性能和物理性能2個方面。絕緣性能是指材料在給定條件下阻止電流通過的性能，主要包括介電常數(shù)、介質(zhì)損耗和體積電阻率等指標(biāo)，而物理性能則是指材料的強(qiáng)度特性，如拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率等。

現(xiàn)有絕緣材料的性能主要包括絕緣性能和物理性能2個方面。其中，絕緣性能是衡量材料絕緣特性的指標(biāo)，一般使用介電常數(shù)、介質(zhì)損耗和體積電阻率等指標(biāo)進(jìn)行評價；物理性能則是衡量材料耐久性及強(qiáng)度特性的指標(biāo)，包括拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率等。在針對新型絕緣材料的研究中，絕緣性能和物理性能同樣需要進(jìn)行評價。

在高壓電氣設(shè)備中，要求絕緣材料具有較高的介電常數(shù)和較低的介質(zhì)損耗，同時能夠長期保持較高的體積電阻率，以保證設(shè)備在運(yùn)行中的安全性和可靠性。此外，材料的物理性能也需要具有足夠的強(qiáng)度和耐久性，以適應(yīng)電氣設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境條件下的工作狀態(tài)。

傳統(tǒng)絕緣材料主要使用硅酮橡膠、玻璃纖維和石棉等材料，這些材料絕緣性能優(yōu)越，但是強(qiáng)度和耐久性相對較差，容易受一些外界因素的影響進(jìn)而導(dǎo)致性能降低，不滿足特殊環(huán)境下的要求。因此，需要不斷開發(fā)一些新型絕緣材料來滿足不同環(huán)境下的需求。

目前，新型絕緣材料的研究主要集中在加強(qiáng)材料的物理性能和耐久性2個方面。其中，一種常用的方法是通過添加填料或添加劑來增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和耐久性。例如，加入納米氧化鋯、硅氧烷等填料可以有效提高聚合物材料的力學(xué)性能和耐熱性能，從而提高絕緣材料的物理性能。同時，加入抗氧化劑和紫外線吸收劑等添加劑，可以提高材料的熱穩(wěn)定性和耐久性，從而增強(qiáng)其絕緣性能。對常見絕緣電纜材料交聯(lián)聚乙烯而言，抗氧化劑通過清除材料中的活性自由基來調(diào)節(jié)交聯(lián)反應(yīng)和絕緣性能，形成復(fù)雜影響機(jī)制與多重路徑，該文也將在該基礎(chǔ)上在交聯(lián)聚乙烯中加入抗氧化劑以優(yōu)化其絕緣性能，并根據(jù)模型預(yù)測性能表現(xiàn)情況以設(shè)計更具適應(yīng)性與經(jīng)濟(jì)性的材料及應(yīng)用模式。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗材料

該文試驗使用的絕緣材料成分相關(guān)信息見表1。

表1 試驗材料概述

2.2 試驗方法

基于上述材料來源，該文構(gòu)建了多組別交叉試驗，對不同摻入比例的硫化劑與抗氧化劑影響交聯(lián)聚乙烯材料拉伸強(qiáng)度與絕緣性能情況進(jìn)行驗證分析。其中，硫化劑的摻入比例分別為1.6、1.7、1.8、1.9、2.0dcp，抗氧化劑1010的摻入比例分別為0.15、0.2、0.25、0.35、0.5dcp，兩者均基于100g低密度交聯(lián)聚乙烯。

將上述對比試驗作為試驗1，相應(yīng)匹配不摻入抗氧化劑1010的另一組別試驗作為試驗2進(jìn)行對比。

2.3 試樣制備

首先，基于上述材料配置，在110℃、50r/min條件下現(xiàn)有加入低密度聚乙烯、硫化劑與航氧化劑，混煉至完全熔融，得到可交聯(lián)聚乙烯。

其次，在110℃、15MPa條件下熱壓15min，在175℃，15MPa條件下交聯(lián)30min，保持壓力至逐漸冷卻獲得試樣。

最后，脫氣處理48h以消除內(nèi)應(yīng)力與交聯(lián)副產(chǎn)物。

各組別制作50個試樣，其試樣制備根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)指標(biāo)完成，使用無缺口試樣。

2.4 測試方法

抗沖擊測試使用懸梁臂沖擊方法，測試?yán)鞆?qiáng)度，每組測試5個試樣，結(jié)果取均值，單位為N/mm2。電性能測試采用圓柱電極，浸入二甲基硅油測試，分別在30℃、50℃、70℃、90℃條件下測試，測試中加壓速率為500V/s，試樣厚度為100μm，每組測試10個試樣，結(jié)果取均值，單位為kW/mm。

2.5 分析模型

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種基于生物大腦運(yùn)行原理設(shè)計的人工智能模型，它由大量的人工神經(jīng)元組成，可以模擬人類大腦的信息處理機(jī)制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常是一個通過訓(xùn)練學(xué)習(xí)從輸入數(shù)據(jù)中提取有用信息的多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以完成許多復(fù)雜的任務(wù)，例如分類、預(yù)測、識別和決策等。

通常神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分為輸入層、隱藏層和輸出層3個部分，其中輸入層接受原始數(shù)據(jù)作為輸入，隱藏層通過對輸入進(jìn)行多次處理，得到更高層次的數(shù)據(jù)特征，并將這些特征傳遞到輸出層進(jìn)行最終的輸出。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，每個神經(jīng)元通過計算輸入信號的加權(quán)和并應(yīng)用激活函數(shù)來生成其輸出信號，同時神經(jīng)元之間的連接權(quán)重可以通過反向傳播算法進(jìn)行訓(xùn)練優(yōu)化，以實現(xiàn)更好的預(yù)測或分類效果。該文也即基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型處理試驗數(shù)據(jù)，以材料配置與輸入，以產(chǎn)品性能為輸出進(jìn)行預(yù)測。

3 試驗結(jié)果

3.1 數(shù)據(jù)特征

對測試形成結(jié)果的總樣本數(shù)據(jù)規(guī)模進(jìn)行描述性統(tǒng)計，結(jié)果見表2。

表2 描述性統(tǒng)計

如表2所示，拉伸強(qiáng)度的最大值為28，最小值為24，平均值為26.136。在4個不同溫度下進(jìn)行的擊穿強(qiáng)度試驗中，均值隨著溫度的升高而逐漸降低。其中，對試驗1數(shù)據(jù)中的抗氧化劑加入量影響情況進(jìn)行單因素分析，其結(jié)果見表3。

表3 試驗1數(shù)據(jù)中的抗氧化劑加入量對力學(xué)與絕緣性能影響單因素分析

如表3所示，所有指標(biāo)的P值均大于0.05，說明抗氧化劑加入量對這些指標(biāo)的影響并不顯著。

對試驗2結(jié)果中的硫化劑加入量進(jìn)行單因素分析，其結(jié)果見表4。

表4 試驗2數(shù)據(jù)中的硫化劑加入量對力學(xué)與絕緣性能影響單因素分析

如表4所示，所有指標(biāo)的P值均小于0.01，說明結(jié)果均在99%置信區(qū)間下顯著。

不同加入量的硫化劑對各項指標(biāo)均有顯著影響。其中，當(dāng)硫化劑加入量從1.6變?yōu)?.7時，拉伸強(qiáng)度的各樣本平均值從25.6提高到了27.2，經(jīng)過方差分析（F值為17.05），檢驗結(jié)果表明具有非常顯著的差異（P值小于0.001），可以認(rèn)為硫化劑的加入量對拉伸強(qiáng)度具有顯著積極影響。當(dāng)加入量為1.6時，各項擊穿強(qiáng)度指標(biāo)的平均值最高，隨著加入量的增加，平均值逐漸下降，說明硫化劑的摻入使材料擊穿強(qiáng)度隨之下降，絕緣性能減弱。

基于該結(jié)果，實踐層面應(yīng)用基于交聯(lián)聚乙烯的絕緣材料時，需要平衡絕緣性能與強(qiáng)度的關(guān)系，而該文也即在該基礎(chǔ)上構(gòu)建模型預(yù)測，從而在不借助實際材料試驗的基礎(chǔ)上利用預(yù)估配置數(shù)據(jù)預(yù)測產(chǎn)品性能，為相應(yīng)產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用提供參考。

3.2 模型性能

基于試驗數(shù)據(jù)，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行預(yù)測。預(yù)測模型訓(xùn)練需要對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，其中60%用于訓(xùn)練樣本，20%用于測試樣本，20%用于驗證樣本。

其模型預(yù)測的性能表現(xiàn)見表5。

表5 模型預(yù)測誤差

如表5所示，試驗1的預(yù)測性能顯著較好，而試驗2的預(yù)測性能則表現(xiàn)出較高的預(yù)測誤差。該差異性反映出，試驗1所使用的材料組合能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測產(chǎn)品性能，從而在實際產(chǎn)品性能需求評估的基礎(chǔ)上設(shè)計相應(yīng)的產(chǎn)品材料組合。相較于此，試驗2的輸入變量僅有硫化劑的摻入量，則預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確性顯著較弱。

其中，試驗1的誤差值如圖1所示。

如圖1所示，試驗1所涉及的樣品性能差異較顯著，部分預(yù)測結(jié)果的誤差顯著較高，多數(shù)結(jié)果的誤差則顯著較小。其中，試驗2的誤差值如圖2所示。

圖2 試驗2誤差值

如圖2所示，試驗2的樣品性能差異顯著較少，多數(shù)預(yù)測結(jié)果的誤差顯著較低，但分布較不均勻，提示在較小尺度下的樣本數(shù)據(jù)分布特征迥異，可能存在其他外部因素影響形成現(xiàn)有輸入變量所不能有效解釋的誤差。

3.3 誤差比較

整理試驗1數(shù)據(jù)中的各組別樣本數(shù)據(jù)誤差分布情況，如圖3所示。

圖3 試驗1的訓(xùn)練、驗證、測試和全樣本誤差分布

如圖3所示，各類型樣本中的誤差規(guī)模普遍較小，各組別數(shù)據(jù)均能較好完成預(yù)測，不同樣本間差異性不影響該預(yù)測準(zhǔn)確性，能夠驗證模型整體的預(yù)測性能良好，未見顯著過擬合現(xiàn)象。

4 結(jié)論

該文針對高壓電氣設(shè)備中絕緣材料的問題研究了一種新型的基于高分子材料的復(fù)合材料，并將該材料與傳統(tǒng)材料進(jìn)行了性能對比。結(jié)果顯示，新型材料在絕緣性能和物理性能方面優(yōu)于傳統(tǒng)材料。同時，該文根據(jù)新材料摻入不同水平抗氧化劑的情況，構(gòu)建了針對絕緣性能和拉伸強(qiáng)度的預(yù)測模型，并進(jìn)行了預(yù)測結(jié)果和試驗結(jié)果的對比驗證，結(jié)果表明該模型具有預(yù)測效果好、適用范圍廣等特點。