陶風波，畢曉甜，陳 杰，高 嵩，張廼龍

(國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院,南京 211103)

0 引言

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

雖然在運行之初，復合絕緣子被認為是免維護的。但是隨著運行時間的增加，復合絕緣子表面物理、化學等特性在環(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，國內外對于復合絕緣子閃絡導致的電網事故都多有報道[7-8]。

針對復合絕緣子的老化問題，各國學者展開大量研究，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輸電線路現場取回3支運行年限在7-9年的復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，一部分學者提出在試驗測試結果的基礎上利用老化表征參數對復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對復合絕緣子的老化程度進行表征。清華大學成立等[14]通過測試不同老化年限的復合絕緣子的老化特性，通過分析得出材料內部色差、孔隙率及O元素相對含量等參數與老化年限關系明顯，可以用于表征復合絕緣子的老化程度。

在現階段研究中，學者們研究的重點還主要集中于定性分析復合絕緣子老化程度，而對于定量分析復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年復合絕緣子樣品為研究對象，基于以往研究經驗，采用靜態(tài)接觸角法、硬度測試等方法對可以表征復合絕緣子老化程度的壽命預測參數隨老化時間的變化規(guī)律進行研究。基于測試結果利用統(tǒng)計學方法得出與老化年限具有顯著相關性的表征參數，并利用BP神經網絡系統(tǒng)對復合絕緣子的運行壽命進行預測。

1 壽命預測參數的測試

1.1 測試方法

根據以往的研究經驗[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對復合絕緣子老化程度進行研究，測試方法如表1所示。

表1 壽命預測參數測試方法Table 1 Test methods for life-span prediction parameters

1.2 樣品

本研究所用復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 復合絕緣子樣品具體情況Table 2 Composite insulator samples

1.3 測試結果

1.3.1 憎水性

現有研究結果表明憎水性是表征復合絕緣子硅橡膠老化程度的重要參數之一，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。

具體測試結果如圖1-2所示。

圖1 復合絕緣子樣品HC級別測試結果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)現有研究結果表明，當復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年內該廠家復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為親水性材料。

圖2 復合絕緣子靜態(tài)接觸角測試結果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合絕緣子老化程度是現階段復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)。硬度測試結果如表3。

由表3可知：

表3 硅橡膠樣品硬度測試結果Table 3 Test results of hardness of silicone rubber samples

1)隨著老化年限的增加，復合絕緣子表面的硬度逐漸增加。未老化的復合絕緣子樣品的平均硬度為71.7，當老化年限達到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，呈現逐漸上升的趨勢。

1.3.3 拉伸強度

在現場試驗中，可發(fā)現經過多年老化后，部分復合絕緣子硅橡膠傘裙出現開裂現象，機械性能下降，為了對老化后的復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，Fd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DL/T 864-2004，現場運行中的復合絕緣子的拉伸強度應大于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構的重要分析手段，不同的有機聚合物在紅外區(qū)域會產生不同的特征光譜[18]，具體波數和特性基團對應情況如表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

現有研究結果表明復合絕緣子表面Si-(CH3)2吸收峰與主鏈Si-O-Si吸收峰的比值(即為H)可以反映其側鍵的相對含量，與復合絕緣子的非極性程度有關，在一定程度上可以反映出復合絕緣子的老化程度。本文不同老化年限樣品的側鍵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主鏈上連接的側鍵將出現斷裂。側鍵的減少將導致屏蔽作用削弱，材料更趨于極性，進而導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

為了進一步研究復合絕緣子硅橡膠在老化過程中的化學成分變化，本研究采用XPS能譜分析對不同老化年限下的復合絕緣子樣品的元素組成及相對含量進行測試，測試結果如表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，復合絕緣子表面Si、C元素相對含量逐漸下降。結合復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致Si、C元素相對含量下降。

2)隨著老化時間的增加，復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的催化劑，這種情況下各自由基相互結合，在材料表面形成親水性的硅醇基團以及硅烷醇[18]，進而導致O元素相對含量升高。

3)隨著老化時間的增加，復合絕緣子樣品中的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 壽命預測參數分析

2.1 相關性分析

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

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

(2)

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

(3)

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

表8 壽命預測參數與老化年限之間的相關性Table 8 Correlation between life-span prediction parameters and aging time

從相關性計算結果可以得出：

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與沿海工業(yè)地區(qū)復合絕緣子的老化年限存在顯著的相關性，可以對復合絕緣子的老化程度進行精準評價，并可以用于復合絕緣子壽命的預測中，對工程實際中確定復合絕緣子的運行壽命提供指導。

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

2.2 復合絕緣子壽命預測方法

BP神經網絡是一種多層前饋神經網絡，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，則轉向反向傳播，根據預測誤差調整網絡權值和閾值，從而使BP神經網絡預測輸出不斷逼近期望輸出?，F階段，這種方法已廣泛運用于復雜的非線性函數的預測中[20]。以HC級別、靜態(tài)接觸角、硬度等參數采用BP神經網絡對復合絕緣子的運行壽命進行預測。BP神經網絡結構圖如圖3所示。

圖3 BP神經網絡系統(tǒng)結構圖Fig.3 Structure of back propagation (BP)neural network

圖3中，n為BP神經網絡系統(tǒng)中輸入層的神經元數；m為BP神經網絡系統(tǒng)中隱藏層的神經元數；l為BP神經網絡中輸出層的神經元數。

選擇老化0-11年樣品6組壽命預測參數對神經網絡系統(tǒng)進行訓練，老化13年樣品壽命預測參數作為檢驗參數。設置目標誤差為10-8，通過不斷調整中間神經元個數，使系統(tǒng)達到收斂。系統(tǒng)均方誤差隨訓練步數變化如圖4所示。

圖4 訓練誤差變化示意圖Fig.4 Reduction of deviation by training

如圖4所示，當訓練次數達到16步時，系統(tǒng)均方誤差達到10-8，滿足終止條件，結果收斂。通過對比得到中間神經元個數l=4。訓練后系統(tǒng)誤差穩(wěn)定，可以用于復合絕緣子壽命預測。

本研究中以老化13年一組樣品對BP神經網絡系統(tǒng)進行誤差檢驗。定義復合絕緣子預測壽命與復合絕緣子實際老化年限之間誤差為σ1，檢驗誤差結果如表9所示。

表9 預測的復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為復合絕緣子實際老化年限；y1為BP神經網絡預測的復合絕緣子運行壽命。

表9中預測的復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，因此本文建立的基于BP神經網絡系統(tǒng)的復合絕緣子壽命預測方法可以在今后研究中為預測復合絕緣子運行壽命提供指導。

3 結 論

以運行0～13年復合絕緣子為研究對象，在以往研究的基礎上對復合絕緣子壽命預測參數隨老化時間增長的變化規(guī)律展開研究。通過相關性計算得出與老化年限具有顯著相關性的壽命預測參數，并基于BP神經網絡系統(tǒng)建立復合絕緣子的壽命預測方法。根據測試及計算結果得出了以下結論：

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，進而導致復合絕緣子老化程度逐漸加重。

2)通過相關性計算，壽命預測參數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性，在未來研究中可對復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性，這些參數可以作為輔助指標對復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性的壽命預測參數基于BP神經網絡建立了復合絕緣子運行壽命預測方法，通過試驗驗證，預測得到的復合絕緣子運行壽命與實際老化年限誤差在5%以內，在工程實際的允許范圍之內，該方法可以為預測該沿海工業(yè)地區(qū)復合絕緣子運行年限的確定提供指導。