鄺 凡，楊 挺，夏云峰

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000）

0 引言

傳統(tǒng)的復(fù)合絕緣子老化評估方法主要分為兩大類：一是物理結(jié)構(gòu)特性測試，如憎水性測試、超聲探傷、X射線成像等，通過觀察物理結(jié)構(gòu)上的缺陷來判定絕緣子的老化程度，但此類方法受儀器精度及主觀因素影響較大；二是電氣性能測試，如泄漏電流測試、紅外測溫、紫外測試等，以帶電檢測的形式對設(shè)備絕緣性能進(jìn)行測試，進(jìn)而評估絕緣子的老化程度，但此類方法會受到環(huán)境因素、觀察角度以及表面污穢狀況的影響[1-5]。目前，基于高分子材料微觀化學(xué)機(jī)理的新型評估方法，如核磁共振、紅外光譜等，因其靈敏性高、方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，越來越多地應(yīng)用于復(fù)合絕緣子老化評估的研究中。文獻(xiàn)[6-7]對不同運(yùn)行時間、不同運(yùn)行環(huán)境的復(fù)合絕緣子進(jìn)行紅外光譜測試，總結(jié)出Si-O-Si和Si-CH3等典型官能團(tuán)對應(yīng)的吸收峰面積與老化程度的對應(yīng)關(guān)系。文獻(xiàn)[8-10]的核磁共振試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合絕緣子材料等效橫向弛豫時間隨著運(yùn)行時間增長呈下降趨勢，其中文獻(xiàn)[8]利用自身設(shè)計(jì)的便攜式單邊核磁共振傳感器，方便快捷地實(shí)現(xiàn)了絕緣子老化程度的無損檢測，但都沒有給出量化的老化程度判斷依據(jù)。

本文對東莞地區(qū)110～500 kV線路復(fù)合絕緣子按運(yùn)行時間長短進(jìn)行抽樣，通過對樣品絕緣子進(jìn)行核磁共振與紅外光譜測試，對表征絕緣子老化程度的特征量進(jìn)行歸一化標(biāo)定分析，并結(jié)合憎水性等級測試結(jié)果，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，確定復(fù)合絕緣子老化等級的劃分區(qū)間。

1 核磁共振試驗(yàn)

采用的核磁共振試驗(yàn)設(shè)備主要包括Kea2核磁共振譜儀（Spinsolve型，新西蘭Magritek公司）、射頻功率放大器（BT00500 ALPHA-SA型，澳大利亞Tomco公司）、雙工器模塊以及計(jì)算機(jī)、單邊核磁共振傳感器。采用CPMG脈沖序列激勵樣品，如圖1所示。其中，d為脈沖寬度，Techo為回波時間，A180°和A90°分別為180°脈沖幅值和90°脈沖幅值。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

試驗(yàn)樣品為東莞地區(qū)110、220、500 kV線路檢修時換下的絕緣子。為定量研究試驗(yàn)結(jié)果與老化程度的規(guī)律，選擇其中生產(chǎn)廠家相同的、生產(chǎn)工藝相同、運(yùn)行年數(shù)不同的9支復(fù)合絕緣子進(jìn)行試驗(yàn)，樣品信息如表2所示。

圖1 CPMG脈沖序列及回波信號Fig.1 CPMG pulse sequences and echo signal

將核磁共振測量儀器的前端傳感器部分分別夾持在每一支復(fù)合絕緣子的低壓端、中壓端和高壓端進(jìn)行檢測，可以得到絕緣子的CPMG回波信號。以新品絕緣子（樣品A）為例，對絕緣子的CPMG回波信號進(jìn)行指數(shù)擬合，得到表征復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)的特征量——等效橫向弛豫時間T2，如圖2所示。橫向弛豫時間反映了硅橡膠材料中H原子的狀態(tài)，當(dāng)絕緣子在運(yùn)行過程中受到紫外線、電暈等影響時，會導(dǎo)致硅橡膠分子中與Si原子相連的碳?xì)浠鶊F(tuán)脫落，使H原子狀態(tài)發(fā)生變化，因此T2可以一定程度上反映絕緣子的老化程度。9支樣品絕緣子各個測點(diǎn)的橫向弛豫時間試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表1 核磁共振試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Nuclear magnetic resonance test parameters

表2 絕緣子樣品信息Tab.2 Insulator sample information

以運(yùn)行時間為橫坐標(biāo)，9支絕緣子樣品各測點(diǎn)的橫向弛豫時間為縱坐標(biāo)畫圖，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，隨著運(yùn)行時間的延長，橫向弛豫時間總體呈下降的趨勢，且高壓端<低壓端<中壓端，這是由于絕緣子串自上而下的電場不均勻分布造成的，高壓端承受的場強(qiáng)最高，電場畸變程度更嚴(yán)重，更容易發(fā)生電暈等表面放電現(xiàn)象，其產(chǎn)生的臭氧和高溫會加速傘裙的老化。但橫向弛豫時間與絕緣子運(yùn)行時間并不是嚴(yán)格意義上的線性關(guān)系，存在一定的波動性，這是因?yàn)閺?fù)合絕緣子老化程度還會受到絕緣子運(yùn)行環(huán)境和電壓等級的影響。

圖2 指數(shù)擬合曲線Fig.2 Exponential fitting curve

表3 復(fù)合絕緣子樣品的橫向弛豫時間（單位：ms）Tab.3 Horizontal relaxation time of samples

圖3 橫向弛豫時間測試結(jié)果Fig.3 Horizontal relaxation time test results

2 紅外光譜測試及歸一化標(biāo)定分析

采用Nicolet iS50型傅里葉變換紅外光譜儀對表2所示的復(fù)合絕緣子樣品進(jìn)行紅外光譜測試，硅橡膠分子中主要官能團(tuán)與吸收峰的對應(yīng)關(guān)系如表4所示。

表4 硅橡膠分子中主要官能團(tuán)與吸收峰的對應(yīng)關(guān)系Tab.4 Chemical groups and their corresponding absorption peaks

新品絕緣子與在運(yùn)絕緣子的紅外光譜吸收曲線如圖4所示。絕緣子老化過程中伴隨著主鏈Si-O-Si的斷裂和側(cè)鏈基團(tuán)的脫落，相應(yīng)官能團(tuán)對應(yīng)吸收峰會下降，從圖4可以看出，波數(shù)為1 260 cm-1處的Si-CH3吸收峰下降最為明顯，因此采用該吸收峰面積表征復(fù)合絕緣子的老化程度。

圖4 新舊絕緣子紅外光譜吸收曲線Fig.4 Infrared absorption curve of old and new insulators

各樣品Si-CH3吸收峰面積測試結(jié)果如表5所示，并將結(jié)果隨運(yùn)行時間的變化示于圖5。從圖5可以看出，Si-CH3吸收峰面積與圖3中橫向弛豫時間呈現(xiàn)同樣的變化規(guī)律。

以新出廠的絕緣子（樣品A）的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tnew和Snew為基準(zhǔn)值，按照式（1）和式（2）對橫向弛豫時間和吸收峰面積進(jìn)行歸一化處理。

式（1）～（2）中：T2和T2′分別為等效橫向弛豫時間的測試結(jié)果和歸一化后的數(shù)值；SSi-CH3和分別為Si-CH3吸收峰面積測試結(jié)果和歸一化后的數(shù)值。實(shí)際上，歸一化后T2′和的物理意義為復(fù)合絕緣子老化后的T2和SSi-CH3相對其出廠值的百分比。

表5 復(fù)合絕緣子樣品的Si-CH3吸收峰面積Tab.5 Peak areas of Si-CH3of samples

圖5 Si-CH3吸收峰面積測試結(jié)果Fig.5 Peak area of Si-CH3test results

9支絕緣子樣品的高壓端、中壓端、低壓端共27個測點(diǎn)，將各個測點(diǎn)的T2′和分別作為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)作圖，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，T2′和具有明顯的線性相關(guān)性，說明同為反映絕緣子微觀化學(xué)結(jié)構(gòu)的特征量，兩者具有緊密聯(lián)系，反映出的絕緣子老化程度具有一致性。

圖 6 T2′和 S′Si-CH3關(guān)系圖Fig.6 Relationship between T2′and S′Si-CH3

3 老化程度量化評估方法

憎水性分級法作為一種較為成熟的絕緣子老化程度評估方法，可為核磁共振與紅外光譜的量化評估提供依據(jù)。參考文獻(xiàn)[11]中依據(jù)憎水性等級提出了絕緣子老化程度劃分方法，結(jié)合電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1000.3—2015中“復(fù)合絕緣子憎水性下降至HC6或永久消失時，應(yīng)予更換”的要求，本文根據(jù)憎水性等級將復(fù)合絕緣子老化等級分為輕度老化、中度老化及重度老化3個級別，連同相應(yīng)的運(yùn)維處理建議一同列于表6。此外，在紅外光譜切片試驗(yàn)之前，對9支絕緣子樣品的不同部位進(jìn)行了噴水試驗(yàn)，表7給出了各測點(diǎn)的水滴狀態(tài)與老化等級判定結(jié)果（編號為A的絕緣子為新品，其各部位未存在老化現(xiàn)象，所以沒有給出）。

表6 老化級別劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.6 Ageing grade division standard

將每個測點(diǎn)的憎水性老化等級判定結(jié)果在圖7中標(biāo)示出，得到憎水性老化等級與核磁共振、紅外光譜測試結(jié)果的關(guān)系。從圖7可以看出，T2′與越低的測點(diǎn)，其老化程度越高，由于T2′和的線性相關(guān)性，可以將T2′和劃分為3個區(qū)間，分別對應(yīng)著3種老化等級。由于測試數(shù)據(jù)是分散的，無法讀取確切的區(qū)間邊界值，需要采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中常用的參數(shù)估計(jì)方法，利用各個老化程度中的樣本數(shù)據(jù)來計(jì)算區(qū)間邊界值。

表7 老化等級測試結(jié)果Tab.7 Ageing grade test results

圖7 憎水性判定老化等級與T2′、S′Si-CH3之間的關(guān)系Fig.7 Relationship among T2′,S′Si-CH3,and ageing grade

本文中試品絕緣子運(yùn)行時間從1～20年均勻分布，因此表征老化程度的特征值T2′與在各個老化等級劃分區(qū)間內(nèi)也為均勻分布，而均勻分布的邊界參數(shù)常用矩估計(jì)的方法來得到。矩估計(jì)是利用樣本的各階矩來估計(jì)總體的各階矩，從而獲得總體未知參數(shù)估計(jì)值的一種方法，其理論依據(jù)為辛欽大數(shù)定律[12]。假設(shè)總體X在[a,b]區(qū)間內(nèi)均勻分布，a和b未知，由均勻分布的特性可得式（3）～（4）。

式（3）～（4）中：μ1為總體X的一階原點(diǎn)距；μ2為總體X的二階原點(diǎn)矩。而樣本的一階原點(diǎn)距A1和二階原點(diǎn)距A2為式（5）～（6）。

式（5）～（6）中：n為樣本個數(shù)；Xi為第i個樣本值；為樣本的平均值；S2為樣本的方差，令μ1=A1，μ2=A2，聯(lián)立解得a和b，如式（7）～（8）所示。

由式（7）和式（8）對3個老化等級對應(yīng)的區(qū)間邊界值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表8所示。

表8 矩估計(jì)計(jì)算結(jié)果Tab.8 Moment estimation calculation results

由矩估計(jì)得出的各個區(qū)間邊界并不是連續(xù)的，相鄰區(qū)間之間還有空隙，為保證老化級別較高的絕緣子不被漏判，此處把未覆蓋到的區(qū)域都劃入更高的老化級別中，并將重度老化的下邊界延伸至0，從而得出絕緣子老化級別的評估方法如表9所示。綜上，利用核磁共振與紅外光譜的測試方法，獲得表征復(fù)合絕緣子老化程度的特征值，并與出廠試驗(yàn)值進(jìn)行歸一化標(biāo)定處理，便可以快捷有效地對絕緣子老化程度進(jìn)行量化評估。

表9 復(fù)合絕緣子老化程度量化評估方法Tab.9 Quantitative evaluation method for ageing grade

4 結(jié)論

（1）橫向弛豫時間T2和Si-CH3吸收峰面積SSi-CH3隨著運(yùn)行時間的增長總體呈下降的趨勢，且并不是嚴(yán)格意義上的線性關(guān)系，還會受到絕緣子的傘裙位置、運(yùn)行環(huán)境以及電壓等級等因素的影響。

（2）歸一化處理后的T2′和具有明顯的線性相關(guān)性，說明同為反映絕緣子微觀化學(xué)結(jié)構(gòu)的特征量，兩者具有緊密聯(lián)系，反映出的絕緣子老化程度具有一致性。

（3）結(jié)合憎水性等級測試對復(fù)合絕緣子的老化程度進(jìn)行等級劃分，并采用矩估計(jì)的方法，由樣本數(shù)據(jù)計(jì)算出了根據(jù)T2′和劃分老化等級的區(qū)間邊界值，為復(fù)合絕緣子老化程度的量化評估提供了參考。