基于色差分析的复合绝缘子伞裙老化程度表征研究

付 豪，王立福，李耀中，庄文兵，郑子梁，贾志东，陈 灿

（1. 国网新疆电力公司，乌鲁木齐 830000； 2．清华大学深圳研究生院，深圳 518055）

基于色差分析的复合绝缘子伞裙老化程度表征研究

付 豪1，王立福1，李耀中1，庄文兵1，郑子梁1，贾志东2，陈 灿2

（1. 国网新疆电力公司，乌鲁木齐 830000； 2．清华大学深圳研究生院，深圳 518055）

高温硫化硅橡胶具有良好的憎水性、憎水迁移性，有效提高了复合绝缘子的耐污闪性能。但是作为一种有机高分子材料，高温硫化硅橡胶材料在长期运行之后会表现出一定的老化特征，包括出现粉化、褪色、龟裂等现象。作为复合绝缘子最直观的特征，伞裙护套的颜色变化可以在一定程度上反映出硅橡胶材料的性能变化。对复合绝缘子伞裙的颜色变化特征进行了研究，并利用RGB颜色空间对其进行了定量表征，试验结果表明，利用复合绝缘子伞裙颜色变化特征对其老化状态进行表征是可行的。

复合绝缘子；老化；色差分析；状态表征；颜色空间

引言

复合绝缘子具有重量轻、耐污闪性能好等优点，在我国的电力系统中得到了广泛的应用[1,2]。高温硫化（High Temperature Vulcanized，HTV）硅橡胶是复合绝缘子伞裙护套的主要材料，具有良好的憎水性和憎水迁移性[3]。但是硅橡胶是一种有机高分子材料，在长期的运行中易受到各种外界应力作用（如电场作用，热作用，湿度作用等）而发生老化[4]。硅橡胶材料老化后的常见宏观特征有：表面出现粉化、龟裂、褪色现象，硬度上升，憎水性下降，机械性能和耐漏电起痕性能有所下降等[5,6]；常见的微观特征则包括：红外图谱中Si-C吸收峰下降，XPS能谱中C元素相对比例下降等[7-9]。

目前，电力行业内对于复合绝缘子硅橡胶材料的规定主要参照DL/T 376-2010 《复合绝缘子用硅橡胶绝缘材料通用技术条件》、DL/T 810-2012《±500kV及以上电压等级直流棒形悬式复合绝缘子技术条件》和DL/ T 864-2004《标称电压高于1000V交流架空线路用复合绝缘子使用导则》三个行业标准。其中对复合绝缘子所使用硅橡胶材料的介电常数、电阻率、硬度、憎水性等性能指标都进行了规定。在对硅橡胶材料进行老化表征

时，应当首先选取标准中的指标值进行比较。具体的规定见表 1。

按照以上标准中的相关规定，电力工作人员能够对硅橡胶样品性能进行试验检测，进而得知其是否满足复合绝缘子正常运行的要求，但是其中大部分试验都只能在复合绝缘子成型之前进行。例如电阻率、抗撕裂强度等指标的测量，由于伞裙已经无法满足其特定的形状要求，因而无法作为检验复合绝缘子运行状态的检测指标。

当复合绝缘子伞裙发生老化现象以后，往往会有非常明显的变色现象。绝大部分伞裙会发生褪色、粉化现象。对伞裙颜色变化程度进行定量描述即可表征伞裙材料的色差，从而对其老化程度进行表征。

1 复合绝缘子样品选取

本文共选取了来自21条输电线路、5个生产厂家共计35支复合绝缘子伞裙样品，每支复合绝缘子均在其高压端、中部、低压端分别取样。这些样品电压等级包括35kV和110kV；复合绝缘子的投运时间从2001年到2009年不等；制造工艺包括挤包穿伞和一次注射成型。由于样品数量较多，本文不再对其进行详细信息的列举。

表1 行业标准对硅橡胶材料的相关规定

2 色差方法分析

2.1 色差分析理论基础

物体的颜色是由三方面因素决定的：色调、明度、饱和度。色调指的是不同波长的可见光的视觉表现；明度指色彩的明暗程度，与物体表面的色彩反射率有关；饱和度指色彩的纯净程度，即颜色色素的凝聚程度，利用这三个因素可以对物体的颜色进行唯一确定的表征，即HSV色彩空间，其中H代表色调，S代表饱和度，V代表明度。而在日常图像处理中，也常常使用RGB颜色要素对颜色进行表征。用R、G、B代表的数值就能唯一确定物体的颜色，即RGB色彩空间，其中R代表红色，G代表绿色，B代表蓝色。色彩空间示意图如图 1所示。

由此可知，如果将物体的色彩看作一个三维线性空间，则可以用R、G、B作为空间的一组基底，进而将物体的色彩线性表出。现在常用的颜色表征方法中，每个基底取值0～255的整数，共256个色级。因此，理论上来讲，RGB色彩空间一共可以表示出1670万种以上的色彩。每种颜色都有其唯一对应的颜色向量，不同颜色之间的色差则可以通过差向量的模表示。本文对35个样品进行颜色初步分析后认为，色差分析应当对每个样品的内层颜色和表层颜色差值进行，不同样品之间的颜色差不具有可比性。

2.2 伞裙样品色彩获取

为保证样品的颜色采集数据一致，本文使用一台尼康D90数码单反相机对所有样品进行拍照。拍照均在夜晚灯光下进行，以保证外界光线条件的稳定。拍照参数为：ISO640，5.6光圈，1/35快门，默认白平衡模式。为对拍照条件进行标定，在每次拍照时都放置同一张白纸，用白纸的RGB色彩向量对颜色进行标定，RGB向量值可使用Photoshop软件进行采集。在每次测量时均可得到白纸的RGB向量，向量的平均值为[208.12，213.31，214.92]T，图像拍摄方式和34号样品相应的RGB数值如图2所示，图中白纸的实测RGB向量为[205.3，212，212.7]T，在Photoshop软件中将其校正至向量平均值后，可以得到图2中相应的样品上表面、下表面、伞裙

内部的RGB向量值。

图1 色彩空间示意图

图2 样品色彩提取示意图

图3 34号样品伞裙表面、内部的颜色坐标分布

利用Matlab软件可以对图像进行进一步的处理。首先在Photoshop软件中利用软件读取所有把RGB向量三个分量分别看做色彩空间中某一色彩点的坐标，就可以直接用点集来表示出伞裙的颜色。如图3所示：可以看到两个点集在空间中完全分离，说明二者的颜色差异较大，具备利用颜色定量来实现老化程度表征的条件。

2.3 色差值的计算

本文采用的色差分析方法如下：用伞裙内部的RGB色彩向量作为基础向量，然后用上、下表面RGB色彩向

量分别与其做差，得到差向量，即可用差向量的模来表征色差。计算公式如下所示：

例如，图2中所示的34号样品，其上、下表面的色差值分别为0.591和0.577。

本文选取样品上、下表面色差值中较大的一个作为测量结果，对所有伞裙样品的颜色变化进行定量分析。结果显示，样品的最小色差值为0.011，最大色差值为0.78。作者采用肉眼观察的方式，将所有样品分为“不变色”和“颜色变浅”两组，并与色差值进行对比，结果发现，若以0.22作为阈值，则只有6号样品不一致，准确率达到93.75%～96.88%。这说明，使用色差值对复合绝缘子伞裙的颜色进行定量表征结果与肉眼的直接观察结果是吻合的。

3 伞裙褪色程度与性能的相关性分析

3.1 耐漏电起痕和电蚀损性能

根据DL/T 376-2010《复合绝缘子用硅橡胶绝缘材料通用技术条件》的规定，伞裙材料的耐漏电起痕性能及电蚀损不小于TMA4.5级。因此，本文中的试验条件为：电压：交流4.5 kV；液滴流速：0.6 ml/min；串联电阻：33 kΩ。

表2 耐漏电起痕和电蚀损试验结果

图4 耐漏电起痕和电蚀损试验示意图

试验发现，所有样品都没出现因电流过大而跳闸、导致试验失败的情况，但是表面的电弧烧蚀、漏电起痕情况差异较大。将斜面法试验结果与伞裙样品的色差值对应起来，可以发现一定的规律，试验结果如表 2和图 4所示。

对比各样品的色差值可以发现，色差值在0.4以上的5个样品中，只有26号样品通过了试验，合格率为20%；而色差值低于0.2的样品全部通过试验，合格率达到100%。

3.2 耐屈服疲劳特性试验分析

图5 疲劳试验机夹持器示意图

表3 伞裙样品耐屈服疲劳特性试验结果

本文作者在对硅橡胶的耐屈服疲劳特性试验进行分析后认为，虽然这一性能并未出现在复合绝缘子硅橡胶材料的相关标准中，但是由于耐屈服疲劳特性定义了伞裙的耐弯折程度，这一性能的下降能够直接说明伞裙机械强度的下降，因此依旧将其作为性能参数进行研究。对伞裙样品耐屈服疲劳性能的试验参考GB/T 13934-2006《硫化橡胶或热塑性橡胶 屈挠龟裂和裂口增长的测定（德墨西亚型）》进行。由于伞裙样品形状所限，试验试片与标准规定的样品有较大出入，所以本试验所得到的试验数据无法作为与标准对比的依据。但是可以在进行测试的样品之间进行横向比较，用以分析运行之后复合绝缘子伞裙材料的耐屈挠龟裂性能变化。试验装置示意图如图 5所示。

由于伞裙材料较厚，进行疲劳试验时很难出现贯穿裂纹，故作者决定用样品首次出现裂纹时对应的屈挠次数来表征样品的疲劳性能，并且认为若样品经历3000次屈挠后仍无裂纹则说明其疲劳性能良好，则试验通过。分组试样及试验结果如表3所示。可以发现，耐屈服疲劳特性与色差也有良好的对应关系。色差在0.4以上的5个样品中，只有27号样品成功通过了试验，合格率仅有20%。色差值低于0.2的样品中仅有6号样品没有通过，试验合格率为85.7%，并且6号样品的屈挠次数达到了1600次，远高于其余未通过试验的样品。

4 结论

色差值的定义与肉眼直接观察的结果吻合，可以作为复合绝缘子伞裙护套材料褪色程度的定量表征手段。复合绝缘子色差表征方法具有测量方法简单，参数值准确，且对复合绝缘子无破坏的特点，直接反映了硅橡胶材料结构的变化，是有效的表征材料运行状态变化、进而表征其实际性能的手段。

对硅橡胶伞裙样品进行分组和抽样性能试验，结果发现，低色差值的样品有85.7%满足运行要求，高色差值的样品只有20%满足运行要求。色差与复合绝缘子运行性能之间不是严格的函数关系，而是带有统计意义的结果。

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Degradation Condition Assessment of Composite Insulators Based on Chromatic Aberration Analysis

FU hao1, WANG Li-fu1, LI Yao-zhong1, ZHUANG Wen-bing1, ZHENG Zi-liang1, JIA Zhi-dong2, CHEN Can2
（1. State Grid Xinjiang Electric Power Company, Urumqi 830000; 2. Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055）

Featuring good hydrophobicity and mechanical properties, high temperature vulcanized (HTV) silicone rubber efficiently improves the anti-pollution flashover characteristic of composite insulator. However, as a polymer material, the weathering resistance of composite insulators is an issue worthy of attention for degradation phenomena such as cracking, chalking, color fading, etc. Chromatic aberration analysis is a way to express the color of the insulators with a 3 dimension vector and could be applied to assess the performance change of silicone rubber. In this paper, RGB space was applied to characterize the fading phenomenon. Test results show that chromatic aberration analysis is an appropriate method to assess the degradation condition of composite insulators.

composite insulator; degradation; chromatic aberration analysis; condition assessment; color space

TM216

A

1004-7204（2015）02-0005-05

贾志东，（1966.10-），男，籍贯山西，博士，教授，主要从事高压外绝缘、绝缘子防覆冰、复合绝缘子老化、电力电缆状态监测等方面研究。

付豪，1985年2月出生，从事输电线路运维检修及管理，现任国网新疆电力公司运维检修部输电运维管理工程师。