黎 鵬 黎子晉 王申華 吳 田 普子恒

基于微波透射法的復(fù)合絕緣子硅橡膠老化狀態(tài)檢測(cè)方法

黎 鵬1,2黎子晉1,2王申華3吳 田1,2普子恒1,2

（1. 湖北省輸電線路工程技術(shù)研究中心（三峽大學(xué)） 宜昌 443002 2. 三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院 宜昌 443002 3. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司武義供電公司 金華 321200）

該文提出了基于微波透射法的復(fù)合絕緣子硅橡膠老化檢測(cè)數(shù)值模擬方法，開展了硅橡膠材料微波檢測(cè)試驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的有效性；根據(jù)老化規(guī)律定義了硅橡膠不同老化狀態(tài)，通過矩形波導(dǎo)固定掃頻檢測(cè)，分析了透射系數(shù)21幅值的變化規(guī)律，確定了最佳檢測(cè)參數(shù)；采用波導(dǎo)移動(dòng)掃描方法，研究了微波對(duì)硅橡膠局部老化程度和位置的檢測(cè)效果；通過實(shí)際10 kV復(fù)合絕緣子局部老化微波無損檢測(cè)，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的有效性。研究結(jié)果表明：硅橡膠不同老化狀態(tài)下，21幅值有明顯差異；當(dāng)提離距離為6 mm、檢測(cè)頻率為4.17 GHz時(shí)，通過Δ21幅值大小及幅值變化區(qū)域可有效識(shí)別硅橡膠的老化程度和位置。該研究對(duì)于復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)的無損檢測(cè)具有重要意義。

復(fù)合絕緣子 硅橡膠 微波透射法 老化檢測(cè) 散射參量

0 引言

復(fù)合絕緣子因其防污閃能力強(qiáng)、絕緣性能好、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)[1-5]。運(yùn)行中的復(fù)合絕緣子由于長時(shí)間受到復(fù)雜環(huán)境因素的影響，其傘裙部位的硅橡膠材料會(huì)產(chǎn)生老化現(xiàn)象，導(dǎo)致絕緣性能降低、機(jī)械強(qiáng)度減弱，從而引發(fā)輸電線路閃絡(luò)事故，危及電網(wǎng)運(yùn)行安全[6-11]。因此，針對(duì)復(fù)合絕緣子硅橡膠的老化問題，提出有效的檢測(cè)方法具有重要的實(shí)際意義。

目前，國內(nèi)外針對(duì)復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙的老化檢測(cè)已取得了較多研究成果。文獻(xiàn)[12]通過試驗(yàn)驗(yàn)證了靜態(tài)接觸角法檢測(cè)硅橡膠老化的有效性；文獻(xiàn)[13]通過紅外熱像儀分析復(fù)合絕緣子發(fā)熱情況，從而達(dá)到檢測(cè)老化的目的；文獻(xiàn)[14]采用掃描電鏡分析等方法，對(duì)比研究硅橡膠傘裙材料老化后微觀形貌的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其老化狀態(tài)的評(píng)估；文獻(xiàn)[15]采用熱重分析法對(duì)比研究濕熱老化后的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了老化狀態(tài)的量化評(píng)估；文獻(xiàn)[16]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)熱刺激電流法可有效反映傘裙老化狀態(tài)；文獻(xiàn)[17]通過開展復(fù)合絕緣子核磁共振試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)橫向弛豫時(shí)間和波峰面積等參量可以反映硅橡膠的老化程度。綜合而言，靜態(tài)接觸角法能夠較精準(zhǔn)地表征復(fù)合絕緣子的憎水性能，但局限于其嚴(yán)格的測(cè)試條件，且不適合現(xiàn)場(chǎng)使用；紅外熱像法可實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，但對(duì)輕度老化絕緣子的檢測(cè)效果不佳；掃描電鏡分析雖然可實(shí)現(xiàn)老化樣品微觀形貌的量化，但該方法實(shí)際應(yīng)用較為不便；熱重分析法和熱刺激電流法可實(shí)現(xiàn)復(fù)合絕緣子老化的定量評(píng)估，但兩者都不適用于硅橡膠傘裙的在線檢測(cè)；核磁共振檢測(cè)方法雖可評(píng)估絕緣子老化程度，但無法有效表征硅橡膠的輕度老化狀態(tài)。

無損檢測(cè)技術(shù)主要包括基于電學(xué)特性檢測(cè)、高頻檢測(cè)和超聲波檢測(cè)等方法[18]。微波檢測(cè)技術(shù)作為高頻檢測(cè)方法的一種，因其檢測(cè)過程中無需表面接觸、無需耦合劑，且能耗較低、穿透性強(qiáng)等特點(diǎn)[19]，在無損檢測(cè)領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用，有良好的發(fā)展前景。文獻(xiàn)[20-21]結(jié)合仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證了通過微波反射系數(shù)幅值及相位差表征熱涂層厚度的可行性；文獻(xiàn)[22]對(duì)劣化瓷絕緣子進(jìn)行微波檢測(cè)試驗(yàn)，驗(yàn)證了微波透射法檢測(cè)劣化瓷絕緣子的可行性；文獻(xiàn)[19]通過不同類型缺陷復(fù)合絕緣子的檢測(cè)試驗(yàn)表明，微波可對(duì)復(fù)合絕緣子內(nèi)部的氣隙和金屬缺陷進(jìn)行有效識(shí)別；文獻(xiàn)[23]提出了基于微波反射法的復(fù)合絕緣子劣化檢測(cè)方法，可有效識(shí)別絕緣子內(nèi)部尺寸小于0.4 mm的缺陷；文獻(xiàn)[24]利用微波反射法對(duì)復(fù)合絕緣子內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法最小可識(shí)別深為0.3 mm、寬為4 mm的缺陷?？梢?，國內(nèi)外關(guān)于微波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用已取得了較多研究成果，而針對(duì)微波無損技術(shù)檢測(cè)復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙老化的研究卻鮮有報(bào)道。

因此，本文基于微波透射法，提出了復(fù)合絕緣子硅橡膠材料老化微波無損檢測(cè)數(shù)值模擬方法，通過開展硅橡膠老化微波檢測(cè)試驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的有效性；分析了硅橡膠不同老化程度下微波散射參量21的變化規(guī)律，并通過開展實(shí)際10 kV復(fù)合絕緣子微波無損檢測(cè)仿真，進(jìn)一步驗(yàn)證了方法的有效性。研究可為復(fù)合絕緣子傘裙老化檢測(cè)及評(píng)估提供新思路。

1 微波老化檢測(cè)原理

微波通過絕緣子時(shí)會(huì)在空氣、硅橡膠等交界處發(fā)生透反射現(xiàn)象，其中透射信號(hào)的強(qiáng)度取決于介質(zhì)介電特性的空間分布[23]?？紤]到復(fù)合絕緣子曲率半徑遠(yuǎn)大于微波波長，為盡可能地簡化分析，將絕緣子簡化成均勻介質(zhì)層，通過微波透射率模型來說明絕緣子老化檢測(cè)原理。

以均勻介質(zhì)層模型為例進(jìn)行分析，硅橡膠老化微波檢測(cè)原理如圖1所示?？紤]到空氣與硅橡膠都為非磁性材料，設(shè)置兩者磁導(dǎo)率為0，介電常數(shù)分別為0、1。硅橡膠片厚度為，其與外界空氣間的兩個(gè)接觸面分別記為界面1和界面2。當(dāng)微波以角度i入射硅橡膠材料時(shí)，會(huì)在界面1處發(fā)生透射，形成透射角為a的透射波，設(shè)入射波的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為i和i，透射波的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為a和a；微波在硅橡膠材料中以角度b入射界面2，產(chǎn)生角度為t的透射波，設(shè)界面2處入射波電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為b、b，透射波電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為t、t，反射波電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度分別記為c、c，其傳至界面1時(shí)形成的入射波的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為d和d，該入射波又會(huì)在界面1產(chǎn)生透反射，r、r分別為界面1處反射波總的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度。理論上微波會(huì)在界面1和2產(chǎn)生多次透反射，因此，上述電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度均表示微波在介質(zhì)中經(jīng)過多次透射和反射后的總效果。

圖1 硅橡膠老化微波檢測(cè)原理

不考慮微波在交界面的能量損耗，由其邊界條件[25]可知

式中，1、1和2、2分別為界面1和2處的電場(chǎng)、磁場(chǎng)強(qiáng)度的切向分量；0、1分別為空氣和硅橡膠的波阻抗，即有

設(shè)微波在透射硅橡膠后產(chǎn)生的相位差為1，則有

式中，為微波角頻率。為簡化后續(xù)公式表達(dá)，引入0=cosi/0、1=cosb/1，則有

進(jìn)而可求出硅橡膠介質(zhì)層的微波透射率為

初步分析可知，當(dāng)復(fù)合絕緣子傘裙發(fā)生老化時(shí)，其介電常數(shù)的改變會(huì)對(duì)微波透射率造成影響，導(dǎo)致透射波強(qiáng)度改變，因而微波透射法可實(shí)現(xiàn)復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)的檢測(cè)。

2 微波老化數(shù)值仿真方法及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 硅橡膠老化狀態(tài)微波無損檢測(cè)數(shù)值模擬方法

本文采用CST軟件進(jìn)行硅橡膠老化微波檢測(cè)數(shù)值仿真，建立了數(shù)值仿真模型如圖2所示。參考國際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)選擇型號(hào)為R48的矩形波導(dǎo)作為微波發(fā)射端口和接收端口，其內(nèi)截面尺寸為47.549 mm×22.149 mm。波導(dǎo)水平放置于硅橡膠試樣正中間位置，提離距離1（波導(dǎo)與硅橡膠樣品表面之間的距離）可調(diào)，發(fā)射端口產(chǎn)生并發(fā)射微波信號(hào)，接收端口接收載有硅橡膠老化情況信息的透射信號(hào)，對(duì)比老化前后透射系數(shù)21幅值的差異，實(shí)現(xiàn)硅橡膠老化檢測(cè)。

圖2 數(shù)值仿真模型

對(duì)圖2所示模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分后，設(shè)置波導(dǎo)和硅橡膠的材料參數(shù)便可進(jìn)行仿真計(jì)算。其中，波導(dǎo)材質(zhì)為理想導(dǎo)體（Perfect Conductor, PEC）；而對(duì)于硅橡膠材料，需根據(jù)其不同老化狀態(tài)設(shè)置相關(guān)參數(shù)。文獻(xiàn)[13]在工頻50 Hz情況下對(duì)不同濕熱老化時(shí)長和投運(yùn)10年的硅橡膠進(jìn)行介電譜試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著老化時(shí)長的增加，其相對(duì)介電常數(shù)由4.32逐漸增大至7.35，介質(zhì)損耗因數(shù)由4.06%逐漸增大至13.21%，且硅橡膠的介電參數(shù)可以作為其老化程度的判據(jù)。根據(jù)GB/T 20779.2—2007《電力防護(hù)用橡膠材料第2部分：電纜附件用橡膠材料》可知，未老化硅橡膠的相對(duì)介電常數(shù)一般介于2.5～3.5。由此，結(jié)合實(shí)際硅橡膠的相關(guān)參數(shù)，設(shè)置未老化情況下的硅橡膠材料參數(shù)見表1。

考慮到在CST軟件仿真材料參數(shù)的設(shè)置中，可通過設(shè)置材料在中心頻點(diǎn)處的介電特性參數(shù)，再由Debye散射模型對(duì)其離散形式的參數(shù)進(jìn)行高階擬合，得到整個(gè)頻率段的復(fù)合介電常數(shù)，即僅需對(duì)所選頻段的中心頻率點(diǎn)的介電參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，下文所涉及的介電參量皆為5 GHz頻率下的數(shù)值。

表1 硅橡膠材料參數(shù)

Tab.1 Material parameters of silicone rubber

仿真流程如圖3所示，在波導(dǎo)背面添加微波激勵(lì)，進(jìn)行端口激勵(lì)設(shè)置，作為輸出的微波信號(hào)源；仿真所選微波頻段為4～6 GHz，微波工作頻率步長設(shè)置為0.01 GHz；設(shè)置開放邊界條件，以模擬自由空間的理想環(huán)境。同時(shí)，在完成參數(shù)設(shè)置及仿真建模后，采用六面體網(wǎng)格劃分原則求解麥克斯韋方程組。

圖3 仿真流程

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

2.2.1 試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

微波無損檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)與裝置如圖4所示，其主要組成部分為：射頻矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、矩形波導(dǎo)和波導(dǎo)支架。射頻矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀作為微波信號(hào)源，支持300 kHz～8.5 GHz頻段的微波傳輸；與仿真模型選用相同的R48型號(hào)矩形波導(dǎo)，其發(fā)射微波頻段為4～6 GHz；支架主要用于固定波導(dǎo)，從而控制波導(dǎo)移動(dòng)方式及位置。

圖4 試驗(yàn)平臺(tái)與裝置

考慮到試驗(yàn)可能存在的偶然性，為提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度，選取四組同尺寸、未老化的硅橡膠試樣進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，試樣尺寸均為100 mm×100 mm× 10 mm。矩形波導(dǎo)與試驗(yàn)樣品之間的垂直距離（即提離距離）可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，其掃描示意圖如圖5所示。

圖5 波導(dǎo)掃描示意圖

利用射頻矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀作為微波信號(hào)源輸出4～6 GHz固定頻率段微波，并通過同軸電纜連接矩形波導(dǎo)①發(fā)射微波進(jìn)行掃描，同時(shí)利用波導(dǎo)②端口接收其透射信號(hào)，可獲得對(duì)應(yīng)的透射系數(shù)21。

2.2.2 仿真方法驗(yàn)證

將獲得的四組21曲線取平均值，得到仿真與試驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，兩者曲線的變化趨勢(shì)及數(shù)值大小基本相同，其平均相對(duì)誤差僅為1.52%。因此，仿真與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，從而驗(yàn)證了本文微波檢測(cè)數(shù)值仿真方法的有效性。

圖6 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 硅橡膠老化微波檢測(cè)數(shù)值仿真分析

3.1 仿真模型及參數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[26]可知，硅橡膠老化過程中，其分子鏈結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一定的斷鏈及熱解聚反應(yīng)等現(xiàn)象，產(chǎn)生的小分子及游離基易在電場(chǎng)中被極化，使得硅橡膠的相對(duì)介電常數(shù)會(huì)隨著其老化程度的加深而逐漸增大；且老化后極化所產(chǎn)生的損耗會(huì)增大，即介質(zhì)損耗因數(shù)會(huì)逐漸增大，而其分子斷鏈后導(dǎo)致的鏈間空隙的增大，降低了極化的介電弛豫作用，在一定程度上使得介質(zhì)損耗變化幅值較小。

結(jié)合微波在硅橡膠中的傳播特性，其透、反射系數(shù)幅值主要取決于介電常數(shù)的分布情況[23]，因此，硅橡膠的相對(duì)磁導(dǎo)率均取1，通過設(shè)置不同的相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)tan來模擬硅橡膠的不同老化狀態(tài)。文獻(xiàn)[13]研究了復(fù)合絕緣子硅橡膠的濕熱老化特性，參考其老化硅橡膠介電特性參數(shù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，定義不同老化程度的硅橡膠參數(shù)見表2。

表2 不同老化程度硅橡膠參數(shù)

Tab.2 Parameters of silicone rubber with different aging degrees

為了分析微波對(duì)硅橡膠不同老化程度的檢測(cè)效果，建立了圖7所示計(jì)算模型，其中，硅橡膠尺寸為350 mm×150 mm，厚度保持10 mm不變。將矩形波導(dǎo)置于硅橡膠正中間位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的固定掃頻；同時(shí)，可通過調(diào)整提離距離，由左至右水平移動(dòng)波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的移動(dòng)掃描檢測(cè)。

圖7 數(shù)值仿真模型

3.2 提離距離與微波頻率的影響分析

3.2.1 提離距離的影響

微波無損技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不需要耦合劑且不接觸被測(cè)樣品表面，而微波在經(jīng)過探頭與被測(cè)物體間的空氣時(shí)，會(huì)發(fā)生復(fù)雜的透反射現(xiàn)象。當(dāng)提離距離較小時(shí)，微波在短間隙空間內(nèi)會(huì)發(fā)生多次透反射從而干擾信號(hào)的接收，進(jìn)而影響檢測(cè)效果；而當(dāng)提離距離較大時(shí)，微波能量衰減程度增大，導(dǎo)致檢測(cè)精度下降。因此，有必要研究不同提離距離對(duì)硅橡膠老化檢測(cè)效果的影響。

將波導(dǎo)固定于硅橡膠正中心位置，改變波導(dǎo)與硅橡膠間的提離距離，變化范圍為0～8 mm，得到不同老化程度下的21隨頻率的變化規(guī)律如圖8～圖12所示。由圖8～圖12可知，不同提離距離下，由于微波復(fù)雜的透反射特性，使得21隨頻率的變化規(guī)律差異較大；但同一提離距離下，硅橡膠不同老化程度時(shí)獲得的21隨頻率的變化趨勢(shì)基本一致。當(dāng)提離距離為0（波導(dǎo)緊貼試樣）時(shí)，雖然21幅值差異較大，區(qū)分度較高，但不同老化程度下21幅值變化規(guī)律及趨勢(shì)基本相同。隨著提離距離的增大，21幅值逐漸減小，當(dāng)提離距離為0～2 mm時(shí)，頻率越高，衰減程度越?。欢?dāng)提離距離為4～8 mm時(shí)，頻率越高，衰減程度越大。當(dāng)提離距離為4 mm時(shí)，不同老化程度的硅橡膠在4～4.6 GHz頻段獲得的21幅值差異較為明顯，當(dāng)提離距離為6 mm時(shí)，在頻率段4～4.4 GHz獲得的21幅值差異較大，且21曲線均隨老化程度的增加呈逐漸下移的趨勢(shì)，即21幅值逐漸減小，具有一定的規(guī)律性；而在高頻段，由于微波的快速衰減，使得硅橡膠不同老化程度下獲得的21幅值無明顯規(guī)律。當(dāng)提離距離增大至8 mm時(shí)，微波衰減程度增大，不同老化程度下的21幅值區(qū)分度有所下降。

圖8 0 mm提離距離下的S21幅值

圖9 2 mm提離距離下的S21幅值

圖10 4 mm提離距離下的S21幅值

圖11 6 mm提離距離下的S21幅值

圖12 8 mm提離距離下的S21幅值

對(duì)上述不同提離距離下的21幅值區(qū)分度進(jìn)行分析，將未老化與嚴(yán)重老化的21幅值作差，得到不同提離距離與Δ21最大值的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表3。由表3可見，當(dāng)提離距離為6 mm時(shí)，Δ21最大（4.603 4 dB）?？紤]到在實(shí)際應(yīng)用過程中，提離距離過小會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)操作不便，過大的提離距離會(huì)降低檢測(cè)精度。由上述分析可知，提離距離為6 mm時(shí)，微波對(duì)不同老化程度硅橡膠的區(qū)分度較好，且21幅值的變化趨勢(shì)較為規(guī)律，因此，后續(xù)仿真研究中將提離距離定為6 mm。

表3 不同提離距離下的Δ21最大值

Tab.3 Maximum value of ΔS21 under different lift-off distances

3.2.2 工作頻率的影響

為直觀地反映不同老化程度硅橡膠之間21幅值的區(qū)別，并研究微波頻率的檢測(cè)效果，將硅橡膠未老化與三種老化程度下獲得的21幅值分別作差，得到Δ21隨頻率的變化規(guī)律如圖13所示。

圖13 6 mm提離距離下的ΔS21幅值

由圖13可知，不同老化程度下Δ21曲線的變化趨勢(shì)基本一致。隨著老化程度的加大，Δ21變化幅度增大，曲線間的差值越大，說明對(duì)老化程度的區(qū)分效果越好。當(dāng)微波工作頻率為4.17 GHz時(shí)，輕度、中度和嚴(yán)重老化程度下的Δ21均最大，因此，為了能更好地區(qū)分硅橡膠不同老化程度，確定4.17 GHz作為微波工作頻率。

3.3 局部老化檢測(cè)效果分析

復(fù)合絕緣子實(shí)際運(yùn)行條件下，硅橡膠可能會(huì)出現(xiàn)局部老化情況，因此，為了研究微波透射法對(duì)局部老化的檢測(cè)效果，基于上述模型（圖7），建立如圖14所示局部老化仿真模型，其中硅橡膠中心為坐標(biāo)原點(diǎn)。在原有未老化硅橡膠模型正中間位置設(shè)置局部老化區(qū)域，該區(qū)域尺寸為70 mm×30 mm，即老化區(qū)域水平范圍Δ為-35～35 mm，具體如圖14a所示。微波工作頻率為4.17 GHz，波導(dǎo)提離距離保持6 mm，如圖14b所示。波導(dǎo)沿水平軸線由左向右進(jìn)行移動(dòng)掃描檢測(cè)，掃描范圍為-175～175 mm，掃描間隔為10 mm。

圖14 局部老化仿真模型

不同老化程度下獲得的21曲線如圖15所示。由圖15可知，21幅值在硅橡膠邊緣位置有明顯波動(dòng)，這是由于波導(dǎo)部分區(qū)域處于硅橡膠外側(cè)，導(dǎo)致微波在邊緣處發(fā)生復(fù)雜的透反射現(xiàn)象所致。在未老化區(qū)域，不同老化程度下的21曲線近乎重合，幅值基本相同。對(duì)于未老化硅橡膠，中心區(qū)域（=-75～75 mm）對(duì)應(yīng)的21趨近一條水平直線，幅值基本保持穩(wěn)定。而在老化區(qū)域及其附近，21幅值會(huì)隨著局部老化加深而明顯減小，且在老化中心位置（=0）處達(dá)到最小；老化程度越大，老化區(qū)域?qū)?yīng)的21幅值越小，且不同老化程度下21曲線的下降區(qū)域（凹陷）完全相同。因此，通過分析21曲線幅值變化區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)對(duì)局部老化區(qū)域的有效識(shí)別；對(duì)比分析21的幅值變化大小，即可判定該區(qū)域的局部老化程度。

圖15 不同局部老化程度下的S21幅值

為直觀地反映硅橡膠不同老化程度之間的21幅值差異，計(jì)算得到Δ21的結(jié)果如圖16所示。

圖16 不同局部老化程度下的ΔS21幅值

由圖16可知，不同老化程度情況下Δ21的變化趨勢(shì)基本一致。當(dāng)波導(dǎo)由試樣邊緣逐漸靠近局部老化區(qū)域邊緣（=±35 mm）時(shí)，Δ21幅值由0 dB逐漸增大，且在靠近中心區(qū)域時(shí)，老化程度越大，其值變化速度越快、上升幅度越大；而在離開老化區(qū)域過程中，Δ21幅值逐漸減小并趨于0。在老化區(qū)域中心的Δ21幅值大小可反映局部老化程度，其值越大，說明老化程度越嚴(yán)重。通過分析Δ21曲線幅值的變化區(qū)域可估算出老化區(qū)域大小。

綜上所述，通過矩形波導(dǎo)對(duì)硅橡膠進(jìn)行移動(dòng)掃描檢測(cè)，并分析21和Δ21幅值的變化情況，可實(shí)現(xiàn)硅橡膠局部老化程度的有效檢測(cè)，從而彌補(bǔ)固定位置掃頻檢測(cè)的不足。

3.4 實(shí)際復(fù)合絕緣子老化檢測(cè)效果分析

3.4.1 仿真模型及參數(shù)設(shè)置

為進(jìn)一步驗(yàn)證該方法對(duì)實(shí)際復(fù)合絕緣子老化程度的檢測(cè)效果，根據(jù)10 kV復(fù)合絕緣子幾何參數(shù)建立如圖17所示仿真模型。復(fù)合絕緣子模型總長度為150 mm，其中芯棒直徑為14 mm，護(hù)套厚度為5.5 mm。傘裙和護(hù)套材料為硅橡膠，芯棒材料為環(huán)氧樹脂。所采用的矩形波導(dǎo)與上述模型（圖7）保持一致，并進(jìn)行移動(dòng)掃描，波導(dǎo)移動(dòng)步長為3 mm。

圖17 10 kV復(fù)合絕緣子仿真模型

3.4.2 局部老化檢測(cè)效果分析

在未老化復(fù)合絕緣子的基礎(chǔ)上，設(shè)置1號(hào)傘裙老化，對(duì)其進(jìn)行移動(dòng)掃描，獲得不同老化程度時(shí)21幅值變化如圖18所示。

圖18 1號(hào)傘裙不同老化程度下的S21幅值

由圖18可知，1號(hào)傘裙在不同老化程度下，21隨掃描位置的變化規(guī)律及趨勢(shì)基本一致。在復(fù)合絕緣子上端邊緣位置和未老化區(qū)域，不同老化程度下的21幅值曲線重合度較高，差值近似為0；在下端點(diǎn)邊緣處，曲線具有一定區(qū)分度，這是因?yàn)樵撐恢每拷匣瘏^(qū)域，在微波透反射的作用下，導(dǎo)致其透射系數(shù)幅值變化。在老化區(qū)域（=21～27 mm）及其附近位置，21幅值會(huì)隨著老化程度的加深而增大，曲線逐漸呈上移趨勢(shì)，且不同老化程度下21幅值的變化區(qū)域相同。因此，通過分析21曲線幅值大小及變化區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際復(fù)合絕緣子傘裙局部老化狀態(tài)的有效識(shí)別。

為獲得微波檢測(cè)復(fù)合絕緣子老化的機(jī)理，提取微波作用下硅橡膠內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的數(shù)值進(jìn)行分析。將波導(dǎo)正對(duì)1號(hào)傘裙進(jìn)行固頻掃描，在1號(hào)傘裙內(nèi)部的四個(gè)不同位置設(shè)置場(chǎng)強(qiáng)探針如圖19所示，用于監(jiān)測(cè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的變化情況。

圖19 場(chǎng)強(qiáng)探針設(shè)置示意圖

當(dāng)1號(hào)傘裙發(fā)生不同程度老化時(shí)，提取四個(gè)探針?biāo)谖恢秒妶?chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的平均值，具體結(jié)果見表4。

表4 電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度

Tab.4 Values of electric field and magnetic field strength

由表4可知，當(dāng)老化程度加深時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度均值和磁場(chǎng)強(qiáng)度均值都逐漸減??；由中度老化變化至嚴(yán)重老化時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度改變量Δ、Δ達(dá)到最大，分別為3.69%和2.99%；而當(dāng)老化程度由輕度變化至中度時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度改變量最小，分別為2.26%、2.33%。

由此說明，當(dāng)絕緣子老化程度加深時(shí)，由于相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)的增大，使得在微波作用下其內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值均減小，進(jìn)而導(dǎo)致微波透射參量發(fā)生變化。因此，通過分析透射參量的變化情況可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)的檢測(cè)。

4 結(jié)論

本文提出了復(fù)合絕緣子硅橡膠老化狀態(tài)微波無損檢測(cè)數(shù)值模擬方法，通過分析不同老化狀態(tài)下散射信號(hào)21幅值變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1）提出了基于微波透射法的硅橡膠老化狀態(tài)檢測(cè)數(shù)值模擬方法，透射系數(shù)計(jì)算值與試驗(yàn)值平均相對(duì)誤差為1.52%，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的有效性。

2）不同提離距離下，21隨頻率的變化規(guī)律差異較大；而在同一提離距離下，硅橡膠不同老化程度時(shí)獲得的21隨頻率的變化規(guī)律基本一致，但隨著老化程度的加大，21幅值曲線呈下移趨勢(shì)。

3）通過矩形波導(dǎo)移動(dòng)掃描檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)硅橡膠老化位置及老化程度的檢測(cè)；老化區(qū)域?qū)?yīng)的21幅值明顯減小，且老化程度越大，21幅值減小的幅度越大。

4）當(dāng)10 kV復(fù)合絕緣子發(fā)生老化時(shí)，在微波作用下，其老化區(qū)域內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度都會(huì)隨著老化程度的增加而逐漸減??；硅橡膠由中度老化變化至嚴(yán)重老化時(shí)，其內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度改變量最大，分別為3.69%和2.99%。

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Aging State Detection Method of Composite Insulator Silicone Rubber Based on Microwave Transmission Method

Li Peng1,2Li Zijin1,2Wang Shenhua3Wu Tian1,2Pu Ziheng1,2

（1. Hubei Provincial Engineering Technology Research Center for Power Transmission Line China Three Gorges University Yichang 443002 China 2. College of Electrical Engineering & New Energy China Three Gorges University Yichang 443002 China 3. State Grid Zhejiang Wuyi Electric Power Supply Company Jinhua 321200 China）

Composite insulator has been widely used in power systems due to the advantages of strong anti-pollution flashover capability, good insulation performance and high mechanical strength. However, in long-term operation of composite insulator, under the influence of electro-thermal aging and complex external environment, the silicone rubber sheds of composite insulator will be aged, resulting in a decline in insulation performance, which will increase the risk of transmission line flashover trip. Hence, it is necessary to propose a method that can effectively detect the aging state of composite insulator.

Firstly, the aging detection principle of composite insulator silicone rubber shed based on microwave transmission method was described in detail, and the numerical simulation method for aging detection of silicone rubber based on microwave transmission method was proposed. Then the microwave detection test of silicone rubber material was carried out, and the effectiveness of numerical simulation method was verified by comparison of simulation and experimental results. Secondly, the numerical simulation analysis of microwave detection for silicone rubber models under different aging conditions was carried out. According to the aging law of composite insulator, the parameters of silicone rubber models with different aging states were defined. For the whole aging silicone rubber model, the fixed position scanning frequency detection by rectangular waveguide was conducted, and the variation of21(transmission coefficient) and Δ21amplitude under different aging degrees of silicone rubber was analyzed. The influence of lift-off distance and microwave operating frequency was studied, and the best fixed frequency detection parameters were determined. Thirdly, considering the actual insulator silicone rubber sheds have local aging condition, the local aging model of silicone rubber was built, and the detection effects of microwave on the local aging degree and position of silicone rubber model were studied by moving scanning method of waveguide. Finally, by establishing an actual 10 kV composite insulator simulation model, the local aging state was detected by the microwave transmission method, and the effectiveness of the method is further verified. At the same time, the mean values of electric field intensity and magnetic field intensity in the shed under different aging degrees were calculated, and the aging state detection mechanism of composite insulators based on microwave transmission method was obtained.

Through the above research and analysis, the results show that, when the aging degree of silicone rubber is different, the amplitude of21has obvious differences. When the lift-off distance is 6 mm and the microwave frequency is 4.17 GHz, the detection effect is better. With the deepening of the aging degree, the amplitude of21decreases and the amplitude of Δ21increases gradually. The aging degree and aging location of silicone rubber can be effectively identified by moving scanning detection of rectangular waveguide. For the actual 10 kV composite insulator, the local aging state can also be detected. When the insulator is aging, due to the increase of the relative dielectric constant and dielectric loss factor, the values of electric field and magnetic field intensity in the aging region decrease under the microwave action, thus leading to the change of microwave transmission parameters. Hence, the aging state of composite insulators can be detected by analyzing the change of microwave transmission parameters.

Composite insulator, silicone rubber, microwave transmission method, aging detection, scattering parameters

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L10017

TM931

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51807110）。

2023-01-13

2023-02-14

黎 鵬 男，1989年生，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備智能運(yùn)維、電工裝備多物理場(chǎng)分析。E-mail：lipeng_ctgu@163.com

普子恒 男，1987年生，博士，副教授，研究方向?yàn)槌馗邏狠旊娂夹g(shù)、高壓電器設(shè)備絕緣試驗(yàn)技術(shù)。E-mail：pzhdq@ctgu.edu.cn（通信作者）

（編輯 李冰）