基于核磁共振与红外光谱的复合绝缘子老化程度量化评估方法

2020-12-07夏云峰

绝缘材料 2020年8期

邝凡，杨挺，夏云峰

（广东电网有限责任公司东莞供电局，广东东莞 523000）

0 引言

传统的复合绝缘子老化评估方法主要分为两大类：一是物理结构特性测试，如憎水性测试、超声探伤、X射线成像等，通过观察物理结构上的缺陷来判定绝缘子的老化程度，但此类方法受仪器精度及主观因素影响较大；二是电气性能测试，如泄漏电流测试、红外测温、紫外测试等，以带电检测的形式对设备绝缘性能进行测试，进而评估绝缘子的老化程度，但此类方法会受到环境因素、观察角度以及表面污秽状况的影响[1-5]。目前，基于高分子材料微观化学机理的新型评估方法，如核磁共振、红外光谱等，因其灵敏性高、方便快捷等优点，越来越多地应用于复合绝缘子老化评估的研究中。文献[6-7]对不同运行时间、不同运行环境的复合绝缘子进行红外光谱测试，总结出Si-O-Si和Si-CH3等典型官能团对应的吸收峰面积与老化程度的对应关系。文献[8-10]的核磁共振试验结果表明，复合绝缘子材料等效横向弛豫时间随着运行时间增长呈下降趋势，其中文献[8]利用自身设计的便携式单边核磁共振传感器，方便快捷地实现了绝缘子老化程度的无损检测，但都没有给出量化的老化程度判断依据。

本文对东莞地区110～500 kV线路复合绝缘子按运行时间长短进行抽样，通过对样品绝缘子进行核磁共振与红外光谱测试，对表征绝缘子老化程度的特征量进行归一化标定分析，并结合憎水性等级测试结果，采用数理统计的方法，确定复合绝缘子老化等级的划分区间。

1 核磁共振试验

采用的核磁共振试验设备主要包括Kea2核磁共振谱仪（Spinsolve型，新西兰Magritek公司）、射频功率放大器（BT00500 ALPHA-SA型，澳大利亚Tomco公司）、双工器模块以及计算机、单边核磁共振传感器。采用CPMG脉冲序列激励样品，如图1所示。其中，d为脉冲宽度，Techo为回波时间，A180°和A90°分别为180°脉冲幅值和90°脉冲幅值。试验参数设置如表1所示。

试验样品为东莞地区110、220、500 kV线路检修时换下的绝缘子。为定量研究试验结果与老化程度的规律，选择其中生产厂家相同的、生产工艺相同、运行年数不同的9支复合绝缘子进行试验，样品信息如表2所示。

图1 CPMG脉冲序列及回波信号Fig.1 CPMG pulse sequences and echo signal

将核磁共振测量仪器的前端传感器部分分别夹持在每一支复合绝缘子的低压端、中压端和高压端进行检测，可以得到绝缘子的CPMG回波信号。以新品绝缘子（样品A）为例，对绝缘子的CPMG回波信号进行指数拟合，得到表征复合绝缘子老化状态的特征量——等效横向弛豫时间T2，如图2所示。横向弛豫时间反映了硅橡胶材料中H原子的状态，当绝缘子在运行过程中受到紫外线、电晕等影响时，会导致硅橡胶分子中与Si原子相连的碳氢基团脱落，使H原子状态发生变化，因此T2可以一定程度上反映绝缘子的老化程度。9支样品绝缘子各个测点的横向弛豫时间试验结果如表3所示。

表1 核磁共振试验参数Tab.1 Nuclear magnetic resonance test parameters

表2 绝缘子样品信息Tab.2 Insulator sample information

以运行时间为横坐标，9支绝缘子样品各测点的横向弛豫时间为纵坐标画图，结果如图3所示。从图3可以看出，随着运行时间的延长，横向弛豫时间总体呈下降的趋势，且高压端<低压端<中压端，这是由于绝缘子串自上而下的电场不均匀分布造成的，高压端承受的场强最高，电场畸变程度更严重，更容易发生电晕等表面放电现象，其产生的臭氧和高温会加速伞裙的老化。但横向弛豫时间与绝缘子运行时间并不是严格意义上的线性关系，存在一定的波动性，这是因为复合绝缘子老化程度还会受到绝缘子运行环境和电压等级的影响。

图2 指数拟合曲线Fig.2 Exponential fitting curve

表3 复合绝缘子样品的横向弛豫时间（单位：ms）Tab.3 Horizontal relaxation time of samples

图3 横向弛豫时间测试结果Fig.3 Horizontal relaxation time test results

2 红外光谱测试及归一化标定分析

采用Nicolet iS50型傅里叶变换红外光谱仪对表2所示的复合绝缘子样品进行红外光谱测试，硅橡胶分子中主要官能团与吸收峰的对应关系如表4所示。

表4 硅橡胶分子中主要官能团与吸收峰的对应关系Tab.4 Chemical groups and their corresponding absorption peaks

新品绝缘子与在运绝缘子的红外光谱吸收曲线如图4所示。绝缘子老化过程中伴随着主链Si-O-Si的断裂和侧链基团的脱落，相应官能团对应吸收峰会下降，从图4可以看出，波数为1 260 cm-1处的Si-CH3吸收峰下降最为明显，因此采用该吸收峰面积表征复合绝缘子的老化程度。

图4 新旧绝缘子红外光谱吸收曲线Fig.4 Infrared absorption curve of old and new insulators

各样品Si-CH3吸收峰面积测试结果如表5所示，并将结果随运行时间的变化示于图5。从图5可以看出，Si-CH3吸收峰面积与图3中横向弛豫时间呈现同样的变化规律。

以新出厂的绝缘子（样品A）的试验数据Tnew和Snew为基准值，按照式（1）和式（2）对横向弛豫时间和吸收峰面积进行归一化处理。

式（1）～（2）中：T2和T2′分别为等效横向弛豫时间的测试结果和归一化后的数值；SSi-CH3和分别为Si-CH3吸收峰面积测试结果和归一化后的数值。实际上，归一化后T2′和的物理意义为复合绝缘子老化后的T2和SSi-CH3相对其出厂值的百分比。

表5 复合绝缘子样品的Si-CH3吸收峰面积Tab.5 Peak areas of Si-CH3of samples

图5 Si-CH3吸收峰面积测试结果Fig.5 Peak area of Si-CH3test results

9支绝缘子样品的高压端、中压端、低压端共27个测点，将各个测点的T2′和分别作为横坐标和纵坐标作图，结果如图6所示。从图6可以看出，T2′和具有明显的线性相关性，说明同为反映绝缘子微观化学结构的特征量，两者具有紧密联系，反映出的绝缘子老化程度具有一致性。

图 6 T2′和 S′Si-CH3关系图Fig.6 Relationship between T2′and S′Si-CH3

3 老化程度量化评估方法

憎水性分级法作为一种较为成熟的绝缘子老化程度评估方法，可为核磁共振与红外光谱的量化评估提供依据。参考文献[11]中依据憎水性等级提出了绝缘子老化程度划分方法，结合电力行业标准DL/T 1000.3—2015中“复合绝缘子憎水性下降至HC6或永久消失时，应予更换”的要求，本文根据憎水性等级将复合绝缘子老化等级分为轻度老化、中度老化及重度老化3个级别，连同相应的运维处理建议一同列于表6。此外，在红外光谱切片试验之前，对9支绝缘子样品的不同部位进行了喷水试验，表7给出了各测点的水滴状态与老化等级判定结果（编号为A的绝缘子为新品，其各部位未存在老化现象，所以没有给出）。

表6 老化级别划分标准Tab.6 Ageing grade division standard

将每个测点的憎水性老化等级判定结果在图7中标示出，得到憎水性老化等级与核磁共振、红外光谱测试结果的关系。从图7可以看出，T2′与越低的测点，其老化程度越高，由于T2′和的线性相关性，可以将T2′和划分为3个区间，分别对应着3种老化等级。由于测试数据是分散的，无法读取确切的区间边界值，需要采用数理统计中常用的参数估计方法，利用各个老化程度中的样本数据来计算区间边界值。

表7 老化等级测试结果Tab.7 Ageing grade test results

图7 憎水性判定老化等级与T2′、S′Si-CH3之间的关系Fig.7 Relationship among T2′,S′Si-CH3,and ageing grade

本文中试品绝缘子运行时间从1～20年均匀分布，因此表征老化程度的特征值T2′与在各个老化等级划分区间内也为均匀分布，而均匀分布的边界参数常用矩估计的方法来得到。矩估计是利用样本的各阶矩来估计总体的各阶矩，从而获得总体未知参数估计值的一种方法，其理论依据为辛钦大数定律[12]。假设总体X在[a,b]区间内均匀分布，a和b未知，由均匀分布的特性可得式（3）～（4）。

式（3）～（4）中：μ1为总体X的一阶原点距；μ2为总体X的二阶原点矩。而样本的一阶原点距A1和二阶原点距A2为式（5）～（6）。

式（5）～（6）中：n为样本个数；Xi为第i个样本值；为样本的平均值；S2为样本的方差，令μ1=A1，μ2=A2，联立解得a和b，如式（7）～（8）所示。

由式（7）和式（8）对3个老化等级对应的区间边界值进行计算，结果如表8所示。

表8 矩估计计算结果Tab.8 Moment estimation calculation results

由矩估计得出的各个区间边界并不是连续的，相邻区间之间还有空隙，为保证老化级别较高的绝缘子不被漏判，此处把未覆盖到的区域都划入更高的老化级别中，并将重度老化的下边界延伸至0，从而得出绝缘子老化级别的评估方法如表9所示。综上，利用核磁共振与红外光谱的测试方法，获得表征复合绝缘子老化程度的特征值，并与出厂试验值进行归一化标定处理，便可以快捷有效地对绝缘子老化程度进行量化评估。