沿海工业地区复合绝缘子老化寿命预测研究

陶风波，毕晓甜，陈 杰，高 嵩，张廼龙

(国网江苏省电力有限公司电力科学研究院,南京 211103)

0 引言

随着国家“西电东送”等项目不断推进，复合绝缘子在输电线路中的得到了越来越广泛的应用[1-4]。据统计，我国近年来每年投入运行的复合绝缘子超过1 000万支[5-6]。

虽然在运行之初，复合绝缘子被认为是免维护的。但是随着运行时间的增加，复合绝缘子表面物理、化学等特性在环境的影响逐渐下降，发生冰闪及污闪事故的可能性上升。近年来，国内外对于复合绝缘子闪络导致的电网事故都多有报道[7-8]。

针对复合绝缘子的老化问题，各国学者展开大量研究，并提出了一系列的研究方法。中国电力科学院邓桃等[9]采用静态接触角法及HC喷水分级法对浙江地区区殿广、湾石、湾孔3条110 kV输电线路现场取回3支运行年限在7-9年的复合绝缘子的憎水性进行测试，对其老化特性进行分析。文献[10-11]通过测试老化不同年限复合绝缘子样品表面憎水性、表面粗糙度等方法对其老化特性进行评价。

此外，一部分学者提出在试验测试结果的基础上利用老化表征参数对复合绝缘子的老化程度进行表征。例如文献[12-13]中采用憎水性测试、FTIR等方法对复合绝缘子老化特性进行分析，并提出利用静态接触角、典型官能团吸收峰高度等参数对复合绝缘子的老化程度进行表征。清华大学成立等[14]通过测试不同老化年限的复合绝缘子的老化特性，通过分析得出材料内部色差、孔隙率及O元素相对含量等参数与老化年限关系明显，可以用于表征复合绝缘子的老化程度。

在现阶段研究中，学者们研究的重点还主要集中于定性分析复合绝缘子老化程度，而对于定量分析复合绝缘子老化程度的研究却鲜有涉及。本文以某沿海工业地区运行0-13年复合绝缘子样品为研究对象，基于以往研究经验，采用静态接触角法、硬度测试等方法对可以表征复合绝缘子老化程度的寿命预测参数随老化时间的变化规律进行研究。基于测试结果利用统计学方法得出与老化年限具有显著相关性的表征参数，并利用BP神经网络系统对复合绝缘子的运行寿命进行预测。

1 寿命预测参数的测试

1.1 测试方法

根据以往的研究经验[15-16]，通过测试HC喷水级别、静态接触角、硬度、拉伸强度、Si(CH3)2与Si-O-Si吸收峰高度比、Si、C及O元素相对含量等参数对复合绝缘子老化程度进行研究，测试方法如表1所示。

表1 寿命预测参数测试方法Table 1 Test methods for life-span prediction parameters

1.2 样品

本研究所用复合绝缘子取自东南某沿海工业地区附近110 kV、220 kV交流线路。该地区属典型季风性海洋气候，年平均气温在15 ℃，平均湿度约为80%。该地区输电线路污秽等级分布为I -II级，主要污秽成分为NaCl、CaSO4、SiO2、Fe2O3和Al2O3。本研究样品为运行0～13年同一厂家复合绝缘子(记为A2-A7)，并取该厂家1支全新绝缘子(记为A1)作为对比，具体如表2所示。

表2 复合绝缘子样品具体情况Table 2 Composite insulator samples

1.3 测试结果

1.3.1 憎水性

现有研究结果表明憎水性是表征复合绝缘子硅橡胶老化程度的重要参数之一，主要测试方法为HC喷水分级法与静态接触角法。基于GB/T 22079-2019[17]，对老化0～13年的复合绝缘子样品的HC级别与静态接触角进行测试，具体方法如下：

HC喷水分级法。采用HC喷水分级法对复合绝缘子样品的憎水性进行初步判断，喷水分级法将硅橡胶材料表面的憎水性分为7个等级，参照GB/T 22079-2019[17]，HC1-HC7憎水级别逐渐降低。

静态接触角法。采用DropMeter A-100P视频光学接触角测量仪测量试样的静态接触角，为了方便测量，将样品裁剪为2 cm×3 cm大小进行测量，每个样品测量6个水珠的静态接触角θ，每次注射水滴容量为8 μL，并取其平均值记为θav。

具体测试结果如图1-2所示。

图1 复合绝缘子样品HC级别测试结果Fig.1 Test results of HC method on composite insulator samples

由表3可得：

1)随着老化时间的增加，复合绝缘子表面的静态接触角与HC级别逐渐下降。未老化的样品表面HC级别为1，静态接触角平均值为130.1°；老化5年后样品的HC级别增加为2，表面静态接触角平均值下降为116.8°；当老化时间达到13年时，样品表面HC级别增加为4，表面静态接触角平均值下降为90.4°。

2)现有研究结果表明，当复合绝缘子表面硅橡胶HC级别小于等于4且静态接触角平均值大于90°时，认为该材料为憎水性材料；反之，则为亲水性材料。表3中，A厂复合绝缘子表面HC级别均小于等于4且静态接触角平均值均大于90°，可认为在老化13年内该厂家复合绝缘子硅橡胶均能保持良好的憎水性。但是通过对比可以发现随着老化时间的增加，样品HC级别不断上升，静态接触角平均值不断下降，长此以往，其表面硅橡胶材料会逐渐转为亲水性材料。

图2 复合绝缘子静态接触角测试结果Fig.2 Test results of static contact angle on composite insulator samples

1.3.2 硬度

采用硬度测试评价复合绝缘子老化程度是现阶段复合绝缘子老化程度研究中的重要方法。试验方法参照GB/T 531.1-2008，对复合绝缘子硅橡胶表面样品进行硬度测试。每个样品由伞裙根部到伞裙边缘依次测试6个点，记为a-f，每个点相隔6 mm，测量时保持压针垂直平稳压在试品表面，以平均值表示硅橡胶样品表面硬度(记为A)。硬度测试结果如表3。

由表3可知：

表3 硅橡胶样品硬度测试结果Table 3 Test results of hardness of silicone rubber samples

1)随着老化年限的增加，复合绝缘子表面的硬度逐渐增加。未老化的复合绝缘子样品的平均硬度为71.7，当老化年限达到3、7、11、13年时，样品表面的平均硬度分别为73.9、75.8、77.3、78.7，相较未老化样品硬度分别增加了3.09%、5.72%、7.81%、9.72%。

2)对于同一片伞裙材料，由根部向伞裙边缘，硅橡胶样品表面硬度逐渐增大。如老化5年样品，其表面硬度由根部a到伞裙边缘f硬度分别为73.5、74.1、74.7、75.3、75.6、76.8，呈现逐渐上升的趋势。

1.3.3 拉伸强度

在现场试验中，可发现经过多年老化后，部分复合绝缘子硅橡胶伞裙出现开裂现象，机械性能下降，为了对老化后的复合绝缘子的机械性能进行评价，本研究参照GB/T 528-2009采用万能试验机对不同老化年限样品进行拉伸强度测试。试验前将样品裁剪为哑铃型，大小25×6 mm。

拉伸强度T计算公式为

(1)

式中，Fd为样品拉伸过程的最大拉力，N；W为样品狭窄部分宽，文中W=6 mm；h为样品平均厚度，取每个样品随机3个点厚度取平均值，mm。

样品拉伸试验测试结果如表4所示。

表4 硅橡胶样品拉伸强度Table 4 Test results of tensile strength of silicone rubber samples

由表4可知：

1)随着老化时间的增加，复合绝缘子硅橡胶的拉伸强度逐渐下降。未老化的样品A1的拉伸强度为5.57 MPa；当老化年限为5、13年时，样品A3、A7的拉伸强度分别下降为4.62、3.23 MPa。

2)根据DL/T 864-2004，现场运行中的复合绝缘子的拉伸强度应大于3 MPa。对于本文运行13年的样品A7，拉伸强度为3.23 MPa，大于3 MPa，说明在现阶段其机械性能仍能保持在一个较好的状态。但是随着老化时间的增加，材料拉伸强度逐渐下降，其发生断裂的风险也逐渐增大。

1.3.4 FTIR分析

红外光谱分析是研究聚合物结构的重要分析手段，不同的有机聚合物在红外区域会产生不同的特征光谱[18]，具体波数和特性基团对应情况如表5所示。

表5 典型基团的红外特征峰Table 5 Characteristic peaks of silicon rubber in IR analysis

现有研究结果表明复合绝缘子表面Si-(CH3)2吸收峰与主链Si-O-Si吸收峰的比值(即为H)可以反映其侧键的相对含量，与复合绝缘子的非极性程度有关，在一定程度上可以反映出复合绝缘子的老化程度。本文不同老化年限样品的侧键Si-(CH3)2吸收峰高度、主链Si-O-Si吸收峰高度及其比值如表6所示。

表6 复合绝缘子Si-O-Si与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)随着老化时间的增加，样品表面Si-O-Si吸收峰高度逐渐降低。这是由于复合绝缘子在运行过程中收到紫外、热和电的总和影响。紫外辐射及电晕放电会打断Si-O-Si主链的薄弱部位，造成Si-O-Si的吸收峰高度大幅下降。

2)随着老化时间的增加，样品表面Si-(CH3)2吸收峰高度逐渐下降。这表明在运行过程中，Si-O-Si主链上连接的侧键将出现断裂。侧键的减少将导致屏蔽作用削弱，材料更趋于极性，进而导致材料自身憎水性下降，老化程度加重。

3)随着老化时间的增加，样品的Si-(CH3)2吸收峰高度与Si-O-Si吸收峰高度比值逐渐下降，复合绝缘子逐渐趋于极性，材料老化程度逐渐加剧。

1.3.5 XPS能谱分析

为了进一步研究复合绝缘子硅橡胶在老化过程中的化学成分变化，本研究采用XPS能谱分析对不同老化年限下的复合绝缘子样品的元素组成及相对含量进行测试，测试结果如表7所示。

表7 硅橡胶样品表面主要元素相对含量Table 7 The relative content of main elements on silicone rubber samples (wt,%)

由表7可知：

1)随着老化时间的增加，复合绝缘子表面Si、C元素相对含量逐渐下降。结合复合绝缘子表面典型官能团吸收峰高度变化规律进行分析，发现随着老化年限的上升，硅橡胶样品表面Si-O-Si、Si-(CH3)2的含量逐渐下降，材料表面有机硅小分子逐渐迁移到污秽层表面导致Si、C元素相对含量下降。

2)随着老化时间的增加，复合绝缘子硅橡胶表面O元素相对含量逐渐上升。这可能是由于在沿海工业CaSO4污秽下，其吸湿发热导致样品表面温度较高，且空气中含量较高的水分子易成为硅橡胶水解反应的催化剂，这种情况下各自由基相互结合，在材料表面形成亲水性的硅醇基团以及硅烷醇[18]，进而导致O元素相对含量升高。

3)随着老化时间的增加，复合绝缘子样品中的Al、Fe、Pt三种元素相对含量几乎没有发生变化，存在的些许波动是由于在测试过程中样品测试存在少许误差。

2 寿命预测参数分析

2.1 相关性分析

相关性是数理统计学中用于描述各参量之间联系的重要参数，为了利用老化寿命预测参数建立复合绝缘子寿命预测的方法，首先要通过相关性检验方法甄别出与老化时间具有较强相关性的寿命预测参数。

在统计学中，对相互独立的成对非等级变量一般采用Pearson相关系数对其相互之间的相关性进行检测和分析，Pearson相关系数计算公式如下：

(2)

采用T检验法对各寿命预测参数与老化年限相关系数进行显著性检验，检验统计量为

(3)

根据T值在文献[19]查表确定显著性水平α。当其显著性α值小于0.05时，认为两变量之间存在一定的相关性，α值小于0.01时，认为两变量显著相关，具体结果如表8所示。

表8 寿命预测参数与老化年限之间的相关性Table 8 Correlation between life-span prediction parameters and aging time

从相关性计算结果可以得出：

1)HC喷水级别、静态接触角、硬度、拉伸强度、硅橡胶表面Si(CH3)2吸收峰峰值与Si-O-Si吸收峰峰值比值以及O元素相对含量等参数与沿海工业地区复合绝缘子的老化年限存在显著的相关性，可以对复合绝缘子的老化程度进行精准评价，并可以用于复合绝缘子寿命的预测中，对工程实际中确定复合绝缘子的运行寿命提供指导。

2)Si、C元素相对含量与老化年限存在一定的相关性，这些参数可以作为辅助指标对复合绝缘子的老化状态进行评价。

2.2 复合绝缘子寿命预测方法

BP神经网络是一种多层前馈神经网络，其主要特点是信号向前传递，误差反向传播。在前向传递中，输入信号从输入层经隐藏层逐层处理，直至输出层，如果输出层得不到期望输出，则转向反向传播，根据预测误差调整网络权值和阈值，从而使BP神经网络预测输出不断逼近期望输出。现阶段，这种方法已广泛运用于复杂的非线性函数的预测中[20]。以HC级别、静态接触角、硬度等参数采用BP神经网络对复合绝缘子的运行寿命进行预测。BP神经网络结构图如图3所示。

图3 BP神经网络系统结构图Fig.3 Structure of back propagation (BP)neural network

图3中，n为BP神经网络系统中输入层的神经元数；m为BP神经网络系统中隐藏层的神经元数；l为BP神经网络中输出层的神经元数。

选择老化0-11年样品6组寿命预测参数对神经网络系统进行训练，老化13年样品寿命预测参数作为检验参数。设置目标误差为10-8，通过不断调整中间神经元个数，使系统达到收敛。系统均方误差随训练步数变化如图4所示。

图4 训练误差变化示意图Fig.4 Reduction of deviation by training

如图4所示，当训练次数达到16步时，系统均方误差达到10-8，满足终止条件，结果收敛。通过对比得到中间神经元个数l=4。训练后系统误差稳定，可以用于复合绝缘子寿命预测。

本研究中以老化13年一组样品对BP神经网络系统进行误差检验。定义复合绝缘子预测寿命与复合绝缘子实际老化年限之间误差为σ1，检验误差结果如表9所示。

表9 预测的复合绝缘子运行寿命与实际老化年限误差Table 9 Predicted and actual aging time of composite insulators

(4)

式中，y为复合绝缘子实际老化年限；y1为BP神经网络预测的复合绝缘子运行寿命。

表9中预测的复合绝缘子运行寿命与实际老化年限之间的误差小于5%，在工程允许的误差范围之内，因此本文建立的基于BP神经网络系统的复合绝缘子寿命预测方法可以在今后研究中为预测复合绝缘子运行寿命提供指导。

3 结 论

以运行0～13年复合绝缘子为研究对象，在以往研究的基础上对复合绝缘子寿命预测参数随老化时间增长的变化规律展开研究。通过相关性计算得出与老化年限具有显著相关性的寿命预测参数，并基于BP神经网络系统建立复合绝缘子的寿命预测方法。根据测试及计算结果得出了以下结论：

1)随着老化时间的增加，样本所处的沿海工业地区复合绝缘子硅橡胶表面HC级别HC、硬度A、O元素相对含量XO逐渐上升，静态接触角θ、拉伸强度T、复合绝缘子Si-O-Si与Si(CH3)2吸收峰高度比值H、Si元素相对含量XSi、C元素相对含量XC逐渐下降，进而导致复合绝缘子老化程度逐渐加重。

2)通过相关性计算，寿命预测参数HC级别HC、静态接触角θ、硬度A、拉伸强度T、Si-O-Si与Si(CH3)2吸收峰高度比值H、O元素相对含量XO与老化年限具有显著的相关性，在未来研究中可对复合绝缘子的老化程度进行精准的评价。另外，Si及C元素相对含量(XSi、XC)与老化年限也具有一定的相关性，这些参数可以作为辅助指标对复合绝缘子的老化状态进行评价。

3)利用与老化年限具有显著相关性的寿命预测参数基于BP神经网络建立了复合绝缘子运行寿命预测方法，通过试验验证，预测得到的复合绝缘子运行寿命与实际老化年限误差在5%以内，在工程实际的允许范围之内，该方法可以为预测该沿海工业地区复合绝缘子运行年限的确定提供指导。