付 豪，王立福，李耀中，莊文兵，鄭子梁，賈志東，陳 燦

（1. 國網(wǎng)新疆電力公司，烏魯木齊 830000； 2．清華大學(xué)深圳研究生院，深圳 518055）

基于色差分析的復(fù)合絕緣子傘裙老化程度表征研究

付 豪1，王立福1，李耀中1，莊文兵1，鄭子梁1，賈志東2，陳 燦2

（1. 國網(wǎng)新疆電力公司，烏魯木齊 830000； 2．清華大學(xué)深圳研究生院，深圳 518055）

高溫硫化硅橡膠具有良好的憎水性、憎水遷移性，有效提高了復(fù)合絕緣子的耐污閃性能。但是作為一種有機(jī)高分子材料，高溫硫化硅橡膠材料在長期運(yùn)行之后會表現(xiàn)出一定的老化特征，包括出現(xiàn)粉化、褪色、龜裂等現(xiàn)象。作為復(fù)合絕緣子最直觀的特征，傘裙護(hù)套的顏色變化可以在一定程度上反映出硅橡膠材料的性能變化。對復(fù)合絕緣子傘裙的顏色變化特征進(jìn)行了研究，并利用RGB顏色空間對其進(jìn)行了定量表征，試驗(yàn)結(jié)果表明，利用復(fù)合絕緣子傘裙顏色變化特征對其老化狀態(tài)進(jìn)行表征是可行的。

復(fù)合絕緣子；老化；色差分析；狀態(tài)表征；顏色空間

引言

復(fù)合絕緣子具有重量輕、耐污閃性能好等優(yōu)點(diǎn)，在我國的電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[1,2]。高溫硫化（High Temperature Vulcanized，HTV）硅橡膠是復(fù)合絕緣子傘裙護(hù)套的主要材料，具有良好的憎水性和憎水遷移性[3]。但是硅橡膠是一種有機(jī)高分子材料，在長期的運(yùn)行中易受到各種外界應(yīng)力作用（如電場作用，熱作用，濕度作用等）而發(fā)生老化[4]。硅橡膠材料老化后的常見宏觀特征有：表面出現(xiàn)粉化、龜裂、褪色現(xiàn)象，硬度上升，憎水性下降，機(jī)械性能和耐漏電起痕性能有所下降等[5,6]；常見的微觀特征則包括：紅外圖譜中Si-C吸收峰下降，XPS能譜中C元素相對比例下降等[7-9]。

目前，電力行業(yè)內(nèi)對于復(fù)合絕緣子硅橡膠材料的規(guī)定主要參照DL/T 376-2010 《復(fù)合絕緣子用硅橡膠絕緣材料通用技術(shù)條件》、DL/T 810-2012《±500kV及以上電壓等級直流棒形懸式復(fù)合絕緣子技術(shù)條件》和DL/ T 864-2004《標(biāo)稱電壓高于1000V交流架空線路用復(fù)合絕緣子使用導(dǎo)則》三個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。其中對復(fù)合絕緣子所使用硅橡膠材料的介電常數(shù)、電阻率、硬度、憎水性等性能指標(biāo)都進(jìn)行了規(guī)定。在對硅橡膠材料進(jìn)行老化表征

時，應(yīng)當(dāng)首先選取標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)值進(jìn)行比較。具體的規(guī)定見表 1。

按照以上標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定，電力工作人員能夠?qū)柘鹉z樣品性能進(jìn)行試驗(yàn)檢測，進(jìn)而得知其是否滿足復(fù)合絕緣子正常運(yùn)行的要求，但是其中大部分試驗(yàn)都只能在復(fù)合絕緣子成型之前進(jìn)行。例如電阻率、抗撕裂強(qiáng)度等指標(biāo)的測量，由于傘裙已經(jīng)無法滿足其特定的形狀要求，因而無法作為檢驗(yàn)復(fù)合絕緣子運(yùn)行狀態(tài)的檢測指標(biāo)。

當(dāng)復(fù)合絕緣子傘裙發(fā)生老化現(xiàn)象以后，往往會有非常明顯的變色現(xiàn)象。絕大部分傘裙會發(fā)生褪色、粉化現(xiàn)象。對傘裙顏色變化程度進(jìn)行定量描述即可表征傘裙材料的色差，從而對其老化程度進(jìn)行表征。

1 復(fù)合絕緣子樣品選取

本文共選取了來自21條輸電線路、5個生產(chǎn)廠家共計(jì)35支復(fù)合絕緣子傘裙樣品，每支復(fù)合絕緣子均在其高壓端、中部、低壓端分別取樣。這些樣品電壓等級包括35kV和110kV；復(fù)合絕緣子的投運(yùn)時間從2001年到2009年不等；制造工藝包括擠包穿傘和一次注射成型。由于樣品數(shù)量較多，本文不再對其進(jìn)行詳細(xì)信息的列舉。

表1 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對硅橡膠材料的相關(guān)規(guī)定

2 色差方法分析

2.1 色差分析理論基礎(chǔ)

物體的顏色是由三方面因素決定的：色調(diào)、明度、飽和度。色調(diào)指的是不同波長的可見光的視覺表現(xiàn)；明度指色彩的明暗程度，與物體表面的色彩反射率有關(guān)；飽和度指色彩的純凈程度，即顏色色素的凝聚程度，利用這三個因素可以對物體的顏色進(jìn)行唯一確定的表征，即HSV色彩空間，其中H代表色調(diào)，S代表飽和度，V代表明度。而在日常圖像處理中，也常常使用RGB顏色要素對顏色進(jìn)行表征。用R、G、B代表的數(shù)值就能唯一確定物體的顏色，即RGB色彩空間，其中R代表紅色，G代表綠色，B代表藍(lán)色。色彩空間示意圖如圖 1所示。

由此可知，如果將物體的色彩看作一個三維線性空間，則可以用R、G、B作為空間的一組基底，進(jìn)而將物體的色彩線性表出?，F(xiàn)在常用的顏色表征方法中，每個基底取值0～255的整數(shù)，共256個色級。因此，理論上來講，RGB色彩空間一共可以表示出1670萬種以上的色彩。每種顏色都有其唯一對應(yīng)的顏色向量，不同顏色之間的色差則可以通過差向量的模表示。本文對35個樣品進(jìn)行顏色初步分析后認(rèn)為，色差分析應(yīng)當(dāng)對每個樣品的內(nèi)層顏色和表層顏色差值進(jìn)行，不同樣品之間的顏色差不具有可比性。

2.2 傘裙樣品色彩獲取

為保證樣品的顏色采集數(shù)據(jù)一致，本文使用一臺尼康D90數(shù)碼單反相機(jī)對所有樣品進(jìn)行拍照。拍照均在夜晚燈光下進(jìn)行，以保證外界光線條件的穩(wěn)定。拍照參數(shù)為：ISO640，5.6光圈，1/35快門，默認(rèn)白平衡模式。為對拍照條件進(jìn)行標(biāo)定，在每次拍照時都放置同一張白紙，用白紙的RGB色彩向量對顏色進(jìn)行標(biāo)定，RGB向量值可使用Photoshop軟件進(jìn)行采集。在每次測量時均可得到白紙的RGB向量，向量的平均值為[208.12，213.31，214.92]T，圖像拍攝方式和34號樣品相應(yīng)的RGB數(shù)值如圖2所示，圖中白紙的實(shí)測RGB向量為[205.3，212，212.7]T，在Photoshop軟件中將其校正至向量平均值后，可以得到圖2中相應(yīng)的樣品上表面、下表面、傘裙

內(nèi)部的RGB向量值。

圖1 色彩空間示意圖

圖2 樣品色彩提取示意圖

圖3 34號樣品傘裙表面、內(nèi)部的顏色坐標(biāo)分布

利用Matlab軟件可以對圖像進(jìn)行進(jìn)一步的處理。首先在Photoshop軟件中利用軟件讀取所有把RGB向量三個分量分別看做色彩空間中某一色彩點(diǎn)的坐標(biāo)，就可以直接用點(diǎn)集來表示出傘裙的顏色。如圖3所示：可以看到兩個點(diǎn)集在空間中完全分離，說明二者的顏色差異較大，具備利用顏色定量來實(shí)現(xiàn)老化程度表征的條件。

2.3 色差值的計(jì)算

本文采用的色差分析方法如下：用傘裙內(nèi)部的RGB色彩向量作為基礎(chǔ)向量，然后用上、下表面RGB色彩向

量分別與其做差，得到差向量，即可用差向量的模來表征色差。計(jì)算公式如下所示：

例如，圖2中所示的34號樣品，其上、下表面的色差值分別為0.591和0.577。

本文選取樣品上、下表面色差值中較大的一個作為測量結(jié)果，對所有傘裙樣品的顏色變化進(jìn)行定量分析。結(jié)果顯示，樣品的最小色差值為0.011，最大色差值為0.78。作者采用肉眼觀察的方式，將所有樣品分為“不變色”和“顏色變淺”兩組，并與色差值進(jìn)行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，若以0.22作為閾值，則只有6號樣品不一致，準(zhǔn)確率達(dá)到93.75%～96.88%。這說明，使用色差值對復(fù)合絕緣子傘裙的顏色進(jìn)行定量表征結(jié)果與肉眼的直接觀察結(jié)果是吻合的。

3 傘裙褪色程度與性能的相關(guān)性分析

3.1 耐漏電起痕和電蝕損性能

根據(jù)DL/T 376-2010《復(fù)合絕緣子用硅橡膠絕緣材料通用技術(shù)條件》的規(guī)定，傘裙材料的耐漏電起痕性能及電蝕損不小于TMA4.5級。因此，本文中的試驗(yàn)條件為：電壓：交流4.5 kV；液滴流速：0.6 ml/min；串聯(lián)電阻：33 kΩ。

表2 耐漏電起痕和電蝕損試驗(yàn)結(jié)果

圖4 耐漏電起痕和電蝕損試驗(yàn)示意圖

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，所有樣品都沒出現(xiàn)因電流過大而跳閘、導(dǎo)致試驗(yàn)失敗的情況，但是表面的電弧燒蝕、漏電起痕情況差異較大。將斜面法試驗(yàn)結(jié)果與傘裙樣品的色差值對應(yīng)起來，可以發(fā)現(xiàn)一定的規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如表 2和圖 4所示。

對比各樣品的色差值可以發(fā)現(xiàn)，色差值在0.4以上的5個樣品中，只有26號樣品通過了試驗(yàn)，合格率為20%；而色差值低于0.2的樣品全部通過試驗(yàn)，合格率達(dá)到100%。

3.2 耐屈服疲勞特性試驗(yàn)分析

圖5 疲勞試驗(yàn)機(jī)夾持器示意圖

表3 傘裙樣品耐屈服疲勞特性試驗(yàn)結(jié)果

本文作者在對硅橡膠的耐屈服疲勞特性試驗(yàn)進(jìn)行分析后認(rèn)為，雖然這一性能并未出現(xiàn)在復(fù)合絕緣子硅橡膠材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，但是由于耐屈服疲勞特性定義了傘裙的耐彎折程度，這一性能的下降能夠直接說明傘裙機(jī)械強(qiáng)度的下降，因此依舊將其作為性能參數(shù)進(jìn)行研究。對傘裙樣品耐屈服疲勞性能的試驗(yàn)參考GB/T 13934-2006《硫化橡膠或熱塑性橡膠 屈撓龜裂和裂口增長的測定（德墨西亞型）》進(jìn)行。由于傘裙樣品形狀所限，試驗(yàn)試片與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的樣品有較大出入，所以本試驗(yàn)所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)無法作為與標(biāo)準(zhǔn)對比的依據(jù)。但是可以在進(jìn)行測試的樣品之間進(jìn)行橫向比較，用以分析運(yùn)行之后復(fù)合絕緣子傘裙材料的耐屈撓龜裂性能變化。試驗(yàn)裝置示意圖如圖 5所示。

由于傘裙材料較厚，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時很難出現(xiàn)貫穿裂紋，故作者決定用樣品首次出現(xiàn)裂紋時對應(yīng)的屈撓次數(shù)來表征樣品的疲勞性能，并且認(rèn)為若樣品經(jīng)歷3000次屈撓后仍無裂紋則說明其疲勞性能良好，則試驗(yàn)通過。分組試樣及試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。可以發(fā)現(xiàn)，耐屈服疲勞特性與色差也有良好的對應(yīng)關(guān)系。色差在0.4以上的5個樣品中，只有27號樣品成功通過了試驗(yàn)，合格率僅有20%。色差值低于0.2的樣品中僅有6號樣品沒有通過，試驗(yàn)合格率為85.7%，并且6號樣品的屈撓次數(shù)達(dá)到了1600次，遠(yuǎn)高于其余未通過試驗(yàn)的樣品。

4 結(jié)論

色差值的定義與肉眼直接觀察的結(jié)果吻合，可以作為復(fù)合絕緣子傘裙護(hù)套材料褪色程度的定量表征手段。復(fù)合絕緣子色差表征方法具有測量方法簡單，參數(shù)值準(zhǔn)確，且對復(fù)合絕緣子無破壞的特點(diǎn)，直接反映了硅橡膠材料結(jié)構(gòu)的變化，是有效的表征材料運(yùn)行狀態(tài)變化、進(jìn)而表征其實(shí)際性能的手段。

對硅橡膠傘裙樣品進(jìn)行分組和抽樣性能試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低色差值的樣品有85.7%滿足運(yùn)行要求，高色差值的樣品只有20%滿足運(yùn)行要求。色差與復(fù)合絕緣子運(yùn)行性能之間不是嚴(yán)格的函數(shù)關(guān)系，而是帶有統(tǒng)計(jì)意義的結(jié)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

賈志東，（1966.10-），男，籍貫山西，博士，教授，主要從事高壓外絕緣、絕緣子防覆冰、復(fù)合絕緣子老化、電力電纜狀態(tài)監(jiān)測等方面研究。

付豪，1985年2月出生，從事輸電線路運(yùn)維檢修及管理，現(xiàn)任國網(wǎng)新疆電力公司運(yùn)維檢修部輸電運(yùn)維管理工程師。