基于太赫兹技术的硅橡胶复合绝缘子老化检测

张学敏，皇剑，王子豪，苗琛，吴振升，程义彬

摘  要：复合绝缘子长期运行后易老化，导致绝缘性能降低，可能危及电网安全.因此，研究如何及时跟踪绝缘状态存活量，简单快速获取复合绝缘子老化状态显得极为重要.本文选用华北地区10 kV～110 kV线路电压等级11支绝缘子样品，使用光学显微镜对样品表面进行观察，随后结合局部放电实验定量分析，对样品老化程度进行标定与分类.为探究复合绝缘子老化程度对太赫兹波传输参数的影响，采用太赫兹矢量网络分析仪对已标定的各组样本进行实验测试，建立了基于太赫兹信号传输特性的复合绝缘子老化检测模型，并用一种小型太赫兹传感器在玉溪进行现场测试.结果表明，绝缘子老化程度与回波损耗参数成正比，使用太赫兹波对复合绝缘子进行非接触式老化程度检测是可行的.

关键词：复合绝缘子;太赫兹波;回波损耗;绝缘老化;非接触式检测

中图分类号：TM855                  DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.04.001

0 引言

复合绝缘子因其重量较轻、憎水性及憎水迁移性能优异、防污闪能力强等特点，广泛应用于电网输配电系统中[1-2].目前，复合绝缘子老化测试方法主要分为两大类：基于电特性的检测方法与基于非电特性的检测方法.电特性检测法主要依据泄漏电流、表面电阻率以及材料的陷阱电荷量来表征复合绝缘子老化程度[3].非电特性检测法通过憎水性、材料官能团、电子能量谱、核磁谱等非电特征来表征复合绝缘子老化程度[4].

文献[5]利用水囊柔性耦合的超声相控阵对绝缘子进行非接触式检测，对比复合绝缘子在不同缺陷下的超声脉冲回波反射图像与相控阵扇形扫描图像，检测材料内部出现的裂纹与缺陷，但是，当用于在线检测时，该方法易被电晕现象产生的噪音严重干扰.文献[6]采用正交试验法制作老化样本，对样品进行TSC测试、扫描电镜实验以及傅里叶红外光谱实验，研究湿度及气压等变量对复合绝缘子老化过程的影响，结果表明，热刺激电流实验结果能够有效判定老化程度，且老化程度与湿度及气压有关.文獻[7]基于显微红外光谱技术对现场运行的硅橡胶复合绝缘子进行了老化深度测试，结果表明，在同一电压等级下，伞裙高压侧的老化深度最大且同一伞裙的老化深度不均匀，但有效信息率较低，背景复杂，有谱峰重叠，分析较困难.文献[8]利用低磁场核磁共振传感器测量挂网运行不同时间的复合绝缘子，以横向弛豫时间作为反映复合绝缘子老化状态的特征量，但是，复合绝缘子老化程度不仅与时间有关，且没有控制变量，同时检测仪器成本较高，扫描速度慢，需要同样品进行接触，不利于户外快速检测.非接触式测量相比于同试品接触，现场测量可行性更强，效率更高.

本文选取华北某地区变配电电压等级为10 kV～110 kV中11支不同运行年限的复合绝缘子串制作样本，通过显微镜观察微观形貌，采用局部放电实验对11组样本老化程度进行标定并分类.之后，使用太赫兹矢量网络分析仪对各组样本实验分析，以太赫兹波在介质中传播的[S11]参数为表征，数据处理后对[S11]参数与绝缘子老化程度关系进行拟合，将复合绝缘子的老化程度由轻到严重分为5个等级.最后，根据太赫兹实验结果及样本老化分类，建立基于太赫兹波传输特性的检测模型，并使用一种THz传感器对老化样本进行现场测试，验证了利用太赫兹信号进行非接触式检测的可能性.

1    太赫兹信号测量原理

1974年Fleming在描述光谱线频率范围时首次提出太赫兹波，其波长介于微波与红外光之间，频率范围在0.1 THz～10 THz[9-11]，辐射强度测得的信噪比大于104，远高于傅里叶变换红外光谱，因此，太赫兹时域光谱技术对降低背景噪声的干扰效果很好[12].根据源的不同，太赫兹波可以分为两种：连续太赫兹波与脉冲太赫兹波.脉冲太赫兹波可以获取所测样品的光谱信息，频域范围宽，能够获得物品上每一点的光谱数据.但该方法检测耗时较长，对小面积样品的成像需十几个小时以上，而且实验装置复杂，需要激光发射装置以及大量光学元件、透镜等.因此，脉冲太赫兹波只适用于实验室环境.连续太赫兹波通过检测样品强度信号进行分析，所需辐射源功率低，成像速度快，成本较低，信噪比较高，数据获取能力迅速，适合户外在线检测[13-14].

根据材料学相关理论，分子的极性与分子偶极矩有关，数学表达式如下：

[μ=qd]                              （1）

式（1）中：[μ]是偶极矩矢量，[d]是分子正、负电荷中心间的距离，[q]是电荷中心的带电量.

太赫兹信号是一种较高频率的电磁波，波矢量[К]是描述电磁波传输特性的一个重要参数，波在理想介质中的传输有：

[k=enk=enωμε]                  （2）

式（2）中：[ω]为角频率，[μ]为磁导率，[ε]表示介电常数，[en]是波传播方向的单位矢量，波矢量的大小为波数[k]，波矢量可表征电磁波的相位、相速、波长以及衰减等参数[15].由上式可知，当波在理想介质中传输时，波的幅值不会发生衰减.若理想传输介质变为有损介质，此时波矢量[kc]则表示为：

[kc=enωμεc=enωμ（ε-jσω）]     （3）

式（3）中：[εc]表示复介电常数，[σ]为电导率，       [j=-1].可以看出，当介质的电导率不为0时，介质变为有损介质[16]，有损介质中的波阻抗[η]可表  示为：

[η=με[1+（σωε）2]-14ej12arctan（σωε）]        （4）

当电磁波在分界面上从介质1垂直入射到介质2 时，若它们的波阻抗分别为[η1]和[η2]，则反射系数[Γ]为：

[Γ=η2-η1η2+η1]                        （5）

透射系数[τ]为：

[τ=2η2η2+η1]                         （6）

因此，当太赫兹波在老化的绝缘子介质中传播时，其传输特性将不同于信号在未经老化的绝缘子中的传输，老化后的绝缘子电导率和介电常数会发生一定的改变，波在其中会有一定的能量损失，且最后的反射波和入射波幅值相位也会不同[17-18].

当入射波从空气入射到一定厚度的介质中，在介质与空气的分界面上会出现反射波和透射波.不同特性的传输介质会对相同的输入信号表现出不同的散射程度，这种不同的散射程度就可以用来描述该介质的特性. [S]参数中常用到的是[S11]参数和[S12]参数，分别称为回波损耗和插入损耗，表达式可写为：

[S11=b1a1]                               （7）

[S12=b2a1]                               （8）

式中：[a1]为输入功率，[b1]为反射功率，[b2]为透射功率.由于[S]参数是以比值的形式表示，因此，[S]是一个小于1的正数，为了方便对比，常以dB的形式描述.二者转换关系如下：

[SdB=20×1gS]                         （9）

2    实验和结果分析

本节将对11组样本依次进行实验分析，探究不同老化等级下的THz信号传输特性.

实验样品来自10 kV～110 kV线路电压等级的棒形悬式复合绝缘子，所选取的绝缘子来自同一厂家，型号为FXBW4-110/100，共选取11支样品，除2支为全新绝缘子外，其他样品运行年限均在10 a以上.图1由左往右分别为未老化样本、老化样本和严重老化样本.

为了测量绝缘子的整体老化程度，将这11支硅橡胶复合绝缘子依次标号后，分别在每支绝缘子的高压侧、远离高压侧以及中间部分用刀割下相同数量的伞裙样本;再利用切片机将样本进行切片处理，每个样本切成长30 mm、宽20 mm、厚3 mm的薄片.每支绝缘子制作10份样品，共11组.

实验过程分为两部分：一是在实验室中探究硅橡胶绝缘子的老化分类及其对太赫兹波传输参数的影响，首先通過硅橡胶的微观表面分析，结合局部放电实验的放电电压及脉冲电流波形对复合绝缘子老化程度进行标定，然后通过太赫兹矢网分析仪探究老化程度对回波损耗参数的影响;二是现场实验，通过太赫兹传感器及上位机软件对玉溪地区挂网运行绝缘子进行非接触式检测，结合实验室的分析结果，最终判断太赫兹波用于复合绝缘子非接触式检测是可行的.

2.1   样本处理

将切好的样品用无水乙醇浸泡后，用去离子水擦拭清洗掉表面污秽，静置于真空烘干机中烘干，最后将所有样本封装在标好序号的样品袋中，在无尘环境中密封保存以备使用.

2.2   样品老化程度标定

为了标定所选的11组绝缘子的老化程度，利用光学显微镜观察处理好的样本表面[19].实验所用光学显微镜系统见图2，其目镜放大倍数10X，物镜放大倍数63X，共放大倍数630X.

根据观察到的绝缘子表面的微观形貌，将这11组样品的老化程度进行分类，共5类，即：

Ⅰ类：样本1#和9#，没有出现老化或者老化程度非常低;

Ⅱ类：样本2#、4#、7#和8#，绝缘子出现可检测性老化，表面憎水性逐渐下降，出现孔洞等;

Ⅲ类：样本3#和6#，孔洞面积增大，老化逐渐严重;

Ⅳ类：样本5#和10#，材料表面缺陷增多，老化进一步加深;

Ⅴ类：样本11#，材料表面粉化严重，老化延伸到材料内部[20].

为了验证上述根据绝缘子表面微观形貌判定的老化分类是否准确，对11组不同程度老化的绝缘子进行了局部放电实验.当绝缘子老化到一定程度时，沿面闪络电压会降低[21]，因此，通过局部放电实验可定量分析不同样本发生局部放电时所加电压的变化，进而判定绝缘子的老化程度.本文使用的板对板局部放电实验装置如图3所示.

局部放电检测系统主要由工频交流电源、板板电极局部放电装置、局部放电测量系统、可调升压变压器、限流电阻以及计算机分析系统组成，系统原理见图4，其中升压变压器可通过调压器控制，最大可输出电压为27.5 kV，限流电阻的阻值大小为50 MΩ.整套系统除了局部放电装置外，还配有高频电流传感器（HCFT）.

搭建好整套模型并完成接线，将处理后的11组绝缘子样本切片依次放入下极板的正中间，极板间距设置为40 mm，最后将局部放电装置放于水平地面上，接通电源，调节调压器进行放电实验.由于局部放电具有随机性，为准确体现样本的整体老化表现，每次实验中每组样本测量并记录3次放电数据，将每组样品中绝缘子不同部位的切片局部放电数据取平均值.表1为每组绝缘子3次局部放电平均数据，如表1所示.

结合绝缘子切片的总体平均局部放电电压，再次对这11组样本进行分类，综合分析，可以得出，这11组样本的老化排序与利用显微镜观察到的表面微观形貌而得出的排序基本一致.最终的11组样本的老化程度排序如图5所示.

2.3   太赫兹探测绝缘子实验分析

本文选择在射频领域应用广泛的矢量网络分析仪进行太赫兹实验，其频率分辨率为1 Hz，源功率最大范围为-90 dBm ～ +20 dBm.此系统由矢量网络分析仪主机、扩频控制机和[S]参数测试模块组成[22-23]，设备主机与[S]参数模块如图6所示.

为保证实验结果的准确性、减少测量误差，在实验进行前需要对设备进行校准;校准完毕后，连接好设备，依次排查接线是否稳定，确保周围环境无噪声和电场干扰;将主机与测量模块置于同一平面，使两个[S]参数测量模块的端口位于同一条直线上，每个端口都安装上天线接头;将硅橡胶绝缘子切片放于两个测量端口之间，确保天线接头与样本切片的表面贴紧以便太赫兹信号垂直入射到样本中，同时最大程度接收到反射波.最终搭建好的测量模型如图7所示.

一切就绪后将分析仪调至反射测量模式，本次实验在0.17 THz ～ 0.22 THz频段进行.测量并记录下太赫兹信号在硅橡胶切片中传输过程中的[S11]参数，每组样品记录10条曲线后取均值，依次将11组样品进行反射测量，经实验测得所有11组样本的[S11]参数曲线经过EMD去噪后整体如图8所示.

硅橡胶绝缘子的老化程度与THz信号的回波损耗成正比.观察图8可知，曲线由下到上排序表示[S11]参数依次减小，此时对应的绝缘子切片的老化也越严重，因而这11组样品的老化排序与上节中经显微镜观察与局部放电实验标定的顺序是一致的.

从图8中提取1#和9#两个样本的[S11]曲线如图9所示.由于1#和9#两个样本来自新绝缘子，二者的[S11]参数曲线相差不大，在不同的频率段各有交叉，在0.19 THz ～ 0.2 THz频段两条曲线几乎重叠.紧接着是8#、2#、7#和4#样本，如图10所示.

观察图10，在0.19 THz ～ 0.20 THz频段，这    4条曲线比较紧凑，有的几乎重叠，在此频段上观察老化程度区分度不大.在0.17 THz～0.19 THz处，8#和2#区分比较明显，而在0.20 THz～0.22 THz处二者相差很小，7#和4#刚好相反.从整体来看，8#和2#样品老化程度近似，相比之下4#和7#曲线总体偏上，老化更加严重一些.接着是6#、3#、5#、10#和11#样本，如图11所示，老化程度依次递增，除了在0.195 THz和0.220 THz左右曲线集中在一起，在其他频段都具有良好的区分度.最后的11#老化样本与前4条曲线差距较大，其[S11]参数相比未老化的1#和9#来说增加了接近0.6 dB，区分度显而易见.

从整个频率段来看这11组样本的[S11]参数曲线，对于老化程度接近的样本，实验测得曲线会有不同程度的交叉甚至出现重叠.同时，2个老化程度不同的样本，其[S11]参数曲线并不是完全的上下平移的关系，这可能是由于实验误差干扰或者样本自身关系，但是老化更严重的样品整体上测得回波损耗会更大一些.从横向来看，总体上所有曲线在整个频段内，随着频率的增加，[S11]参数呈现出下降的变化趋势.从纵向来看，在频段0.18 THz ～ 0.19 THz和0.20 THz ～ 0.21 THz之间，各曲线之间[S11]参数具有不错的区分度，灵敏度较高.

考虑到误差以及理论与实际的不同，根据实验所得[S11]参数和样本老化程度的变化规律，对这11组样品所对应的[S11]参数同样进行了大致的划分，如图12所示.

将不同老化等级下对应的0.17 THz ～ 0.22 THz信号[S11]参数汇总如表2所示.

由此建立了基于太赫兹信号传输特性的硅橡胶复合绝缘子老化检测模型，通过测量太赫兹信号垂直入射绝缘子后得到的回波损耗，可大致判断复合绝缘子所处老化等级.

2.4    现场实验

本文选取了一种频率接近、收发一體式的小型便携式太赫兹信号传感器进行现场测试，该传感器可发射信号频率约在0.12 THz～0.13 THz之间，采样方式为混频之后用ADC采样，如图13所示.

为了便于现场测试，本文根据传感器的相关接口编写了基于LabVIEW的信号采集界面.传感器在工作时信号将从探头发出，遇到障碍物发生折反射，其中反射回的信号经FFT变换后由探头接收，并在信号采集界面上形成一个显著的波峰，该波峰所处位置和振幅会显示在界面左下角.

实验地点选择玉溪供电局110 kV玉蒙电铁输电线路.在线路检修时，进行现场实验，将传感器与编写好的上位机软件连接.由专业人员协助，将传感器探头对准现场的复合绝缘子，二者间隔设定为20 cm.整个测试确保信号传输路径上除样品外无其他障碍物，以防止其他反射波干扰.将界面程序调试完毕后控制下位机，开始采集数据.由于该传感器信号频率较高使得波束角很小，因此，测量前慢慢调整探头角度以接收到最大幅度的回波.依次选择不同的挂式绝缘子进行测试，共随机测试6组，以1#绝缘子为例，传感器接收到的回波曲线如图14所示.

从图14中可以看到，回波曲线在0.2 m处有一个最大的波峰，是信号在样品上反射而得，此后的其他回波可能由周围噪声干扰所致.经过现场测量，得到不同样本对应的幅值变化如表3所示.

从表3可见，当老化程度属于同一级别的样本之间，回波曲线幅值变化很小，几乎没有差别，老化程度属于不同级别的样本之间幅值变化较明显.

3 结论

本文选取了华北地区11支绝缘子样品进行了实验测试，对11组[S11]参数曲线进行比较后得出：对于老化程度不同或者接近的样本，其曲线在不同频段会有不同程度的交叉甚至出现重叠，所有曲线在整个频段内，随着频率的增加，[S11]参数呈现下降趋势.根据实验结果和样本的老化分类，建立了复合绝缘子老化检测模型，将绝缘子的老化状态分为5个等级，通过测量太赫兹信号的回波损耗，可大致得出复合绝缘子所处老化等级，判断老化状态.最后选取了一种便携式的小型传感器进行现场测试，以回波的幅值变化为表征对样本进行了非接触式检测分析，实验结果表明了其对老化状态的检测具备可行性.

本文探究了太赫兹波在复合绝缘子中的传输特性，该方法精度较高，可有效辨别样本老化等级，并体现出THz信号在硅橡胶中的频率特性.目前在微观上研究较多的方法是FITR光谱、核磁共振、XPS表征等方法，相比核磁共振法，太赫兹技术用于检测绝缘老化可以对绝缘设备进行非接触式检测.此外，也可以在设备正常运行的情况下直接检测，不需要对绝缘设备进行拆卸，避免了FITR法和XPS法繁杂的检测操作.不足的是，信号易受周围环境干扰，回波波形波动较大，实现有效检测需大量数据支撑，同时在实际现场应用中还有可能受到强电磁场的影响.因此，需要进一步提高传感器探头的信噪比，减少或屏蔽外来信号的干扰，提升该方法的现场实用性，可作为更进一步的研究目标.

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Aging detection of silicon rubber composite insulator based on

terahertz technology

ZHANG Xuemin1， HUANG Jian1， WANG Zihao1， MIAO Chen1， WU Zhensheng*2， CHENG Yibin2

（1. Yuxi Power Supply Bureau of Yunnan Power Grid Co.， Ltd.， Yuxi 653100， China;

2. School of Electrical Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China）

Abstract： Composite insulators are prone to aging after long-term operation， resulting in reduced       insulation performance， which may endanger the safety of the power grid. Therefore， it is extremely important to study how to track the survival of the insulation state in time and obtain the aging state of composite insulators simply and quickly. This paper selects 11 insulator samples of 10 kV-110 kV line voltage level in North China， using an optical microscope to observe the surface of the samples， and then combines the partial discharge experiment quantitative analysis， and calibrates and classifies the aging degree of the samples. In order to explore the effect of composite insulator aging on the         transmission parameters of terahertz waves， this paper uses a terahertz vector network analyzer to    conduct experimental tests on the calibrated samples， and establishes a composite insulator aging        detection model based on the transmission characteristics of terahertz signals， and a small terahertz  sensor is used for field testing in Yuxi. The results show that the aging degree of insulators is             proportional to the return loss parameters， and it is feasible to use terahertz waves to detect the          non-contact aging degree of composite insulators.

Key words： composite insulator; terahertz wave; return loss; insulation aging; non-contact detection

（責任编辑：黎  娅）