基于灰色模型GM(1,N)的运行复合绝缘子硅橡胶材料剩余寿命研究

汪从敏,李明磊,张 平,江 炯,程国开,杨霄霄,魏文力

(1.国网浙江省电力有限公司双创中心 杭州 310000;2.国网浙江省电力有限公司宁波供电公司, 浙江 宁波315000;)

0 引言

复合绝缘子具有良好的绝缘性能及机械性能,其在架空线路中应用广泛[1-7]。据统计,近年来我国每年投入运行的复合绝缘子超过1 000万支[8]。在复合绝缘子出厂时,其设计寿命达到了30～40年。但是由于长期运行环境及强电磁场的影响,复合绝缘子会发生老化、劣化,导致表面物理、化学等特性逐渐下降,威胁了电力系统输配电外绝缘的安全稳定运行[9-15]。

针对复合绝缘子的老化及其寿命预测问题,各国学者展开了大量的研究。中国电力科学院邓桃等[16]采用静态接触角法、红外光谱法等方法对运行多年的复合绝缘子的理化特性进行测试,对其老化特性进行分析。武汉大学、华北电力大学等[17-18]对运行10年复合绝缘子的表面憎水性及微观结构展开分析,并通过测试静态接触角和电导电流对现场运行的复合绝缘子老化状态进行评估通过与新试样的老化特性进行对比得出老化过程中硅橡胶表面劣化的原因。

在此基础上,部分学者基于测试结果提出一些参数来表征复合绝缘子的老化特性并建立了一些寿命预测模型。文献[19]中通过扫描电镜、接触角测试等方法对人工加速热老化实验得到的硅橡胶样品进行性能测试,基于Hallberg-Peck模型建立了接触角与复合绝缘子寿命之间的关系。文献[20]中傅里叶红外光谱、X射线能谱分析仪等设备对线路中运行多年的复合绝缘子的老化特性进行分析。虽然上述研究中针对复合绝缘子的老化寿命提出了一些预测方法,但是由于人工模拟与自然存在差异,自然环境中取样困难等原因,建立复合绝缘子老化寿命预测模型均存在一定难度。

灰色预测模型[21-25]以其需求样本量少、精度高在电气设备的寿命预测中被大量采用。笔者以东部某地区运行0～14年的复合绝缘子样品为研究对象,采用静态接触角、硬度等测试方法对其老化特性进行研究;并基于试验结果利用统计学方法提出一系列与老化年限具有显著相关性的特征参数;最后,基于灰色模型建立这些参数与复合绝缘子剩余寿命之间的关系。

1 灰色模型GM(1,N)

用大量数据通过数理统计方法进行复合绝缘子寿命预测需要开展大量现场取样,实施起来困难。而多维灰色模型GM(1,N)可分析小样本、信息量不多的问题。对现场采集的0～14年的复合绝缘子样品进行测试,基于测试结果提取一系列可以用于表征其寿命的预测参数,通过灰色模型计算,得到其相对于设计寿命的老化程度。灰色模型计算的步骤为

1)累加过程

2)确定驱动系数

在GM(1,N)模型中,特征因素及其相关的影响因素数据的白微化方程为

(2)

根据式(2)可以得到其灰微化方程为

(3)

(4)

A=(BTB)-1BTYn

(5)

其中,

(6)

(7)

3)预测特征因素值

当灰色系数确定后,通过计算式(2)可以得出方程的解为

(8)

将(2)中得到的灰色系数A代入式(8)中,计算得到预测值:

(9)

2 寿命预测参数测试及分析

2.1 试验样品及试验方法

以东部某地区相邻线路运行0～14年的复合绝缘子串为样本,具体参数见表1。

表1 复合绝缘子样品

采用HC喷水级别法、静态接触角法、硬度、拉伸、X射线能谱分析及盐雾闪络等方法对复合绝缘子的老化特性展开分析。具体试验方法如下[26-27]:

1)初步判断试样憎水性,参照IEC/TS 62073[28]采用HC喷水分级法将硅橡胶材料表面的憎水性分为7个等级,级别越大憎水性越低。

2)静态接触角测量法。

采用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,将样品切块,每个样品测量多个水珠的静态接触角θ,注射水滴容量为6 μL,并取其平均值记为θav。

3)硬度测试。采用Shore-A硬度计对复合绝缘子样品的硬度进行测试。参照GB/T 531.1-2008中的试验方法,由伞裙根部至伞裙边缘依次测量6次,每个点相隔6 mm,取平均值作为该样品的硬度,记为A。

4) FTIR测试。采用傅里叶红外光谱仪对复合绝缘子硅橡胶表面典型官能团进行分析。

5)盐雾闪络测试。本研究的盐雾闪络实验是在高压试验室完成的。试验样品样品及电极布置见图2,每串绝缘子取样3片。试验电源由100 kVA/50 kV交流试验变压器提供。试验接线图见图3。

图2 闪络试验电极布置

图3 盐雾闪络试验接线原理图

采用均匀升压法对人工污秽试品进行盐雾闪络试验。以10%/s的速度提高电压,直至闪络发生。每个样品均需重复3次试验,取其闪络电压平均值Uf为该年限样品盐雾闪络电压。

2.2 测试结果与分析

2.2.1 憎水性试验

复合绝缘子的憎水性与其老化程度具有很强的相关性,憎水性试验结果见表2。

表2 A厂复合绝缘子憎水性测试结果

当复合材料表面的HC喷水等级小于5及静态接触角大于90°时,则认为该材料为憎水性材料;否则,认为该材料为亲水性材料。表2中,当老化年限小于12年时,复合绝缘子硅橡胶的憎水性均小于等于4且静态接触角大于90°,说明12年内复合绝缘子硅橡胶材料为保持在良好的状态。但是当老化时间到达14年时,其HC喷水等级达到5,且静态接触角小于90°,其表面特性转为亲水性材料。

2.2.2 硬度测试

硬度是表征复合材料老化程度的一个重要参量之一,其测试结果见表3。由表3可知随着老化年限的增加,复合绝缘子表面硬度逐渐增加。未老化的样品硬度为64.1,样品硬度在老化4、6、8、10、14年限相比于未老化样品分别增加了4.5%、5.5%、10.9%、17.8%、28.1%。

表3 A厂复合绝缘子硬度测试结果

此外,从伞裙根部向伞裙边缘,硅橡胶表面硬度呈增大趋势,且伞裙边缘增大幅度明显。这是由于伞裙边缘受到的紫外辐射远大于伞裙根部,因此紫外辐射是导致复合绝缘子硬度增加的一个重要原因。

2.2.3 FTIR分析

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,可以对其老化程度进行表征。本研究样品的侧键Si-(CH3)2吸收峰高度、主链Si-O-Si吸收峰高度及其比值见表4。

表4 复合绝缘子Si-O-Si与Si(CH3)2吸收峰高度比值

由表4可知随着老化时间的增加,Si-O-Si及Si-(CH3)2的吸收峰均逐渐下降。在运行过程中,由于紫外辐射等因素的影响,Si-O-Si的薄弱环节及Si-O-Si连接的侧键出现断裂,导致Si-O-Si及Si-(CH3)2的吸收峰下降。

与此同时由表4还可看出随着绝缘子老化时间的增加,复合绝缘子样品的Si-(CH3)2吸收峰高度与Si-O-Si吸收峰高度比值逐渐上升,材料趋于极性,其自身憎水性下降,老化程度加重。

2.2.4 盐雾闪络测试

开展盐雾闪络测试,试验采用电导率为1 000 μS/cm的盐水,通过超声波水雾发生器对样品进行湿润。15 min后,待样品表面水珠呈现欲滴未滴状态时,开始进行加压试验。试验结果见表5。

表5 A厂复合绝缘子盐雾闪络试验结果

由表5可知:随着复合绝缘子运行年限的增加,硅橡胶样品表面的盐雾闪络电压逐渐下降,其表面电气特性逐渐变差。且在运行早期,表面盐雾闪络电压下降较慢。随着老化程度的加深,盐雾闪络电压下降逐渐加快,这与老化年限增加、伞裙憎水性变差有关。

3 基于GM(1,N)模型的剩余寿命预测方法

3.1 寿命预测参数

基于复合绝缘子硅橡胶老化特性的测试结果,本研究提出了一系列可用于复合绝缘子剩余寿命的参数,见表6。

表6 复合绝缘子寿命预测参数

根据文献[29-30],对复合绝缘子寿命预测参数与老化年限相关性进行分析,得到与老化年限具有显著相关性的寿命预测参数用于复合绝缘子的老化寿命预测中。相关性计算结果见表7。

表7 老化表征参数与老化年限之间的相关性

由表7可得,HC喷水分级Hc、静态接触角θ、硬度A及盐雾闪络电压Uf与复合绝缘子老化年限具有显著相关性,可以用于复合绝缘子剩余寿命的预测中。

3.2 基于GM(1,N)模型的剩余寿命预测方法

根据第一节中提出的GM(1,N)模型,利用3.1中的与老化年限具有显著相关性的寿命预测参数,可以建立一种基于GM(1,N)模型的复合绝缘子剩余寿命预测方法,见图4。

图4 基于GM(1,N)模型的复合绝缘子剩余寿命预测方法

图4中,寿命预测参数为HC喷水分级Hc、静态接触角θ、硬度A及盐雾闪络电压Uf。在模型中,选择老化0～9年的样品作为训练样本,老化10～14年样品为检验样本。acritical为复合绝缘子设计寿命;a1为通过本研究模型计算得到的老化寿命;a2为复合绝缘子剩余寿命。

按照图4步骤,可以得到GM(1,N)模型的驱动系数,见图5。检验样本的理论老化时间与实际老化时间之间的误差见表8。

图5 GM(1,N)模型的驱动系数

表8 检验样本的理论老化时间与相对误差

由表8可知,正常工况运行下的复合绝缘子的理论老化时间与实际老化时间误差小于15%,在工程允许误差范围之内,本研究的剩余老化寿命模型可以对复合绝缘子剩余老化寿命进行准确的预测。当复合绝缘子的计算老化时间与实际老化时间之间的差大于工程允许误差时,则该串绝缘子需要安排更为频繁的检修和维护。

4 算例分析

为了对第3节中提出的剩余寿命预测方法进行验证,选取一串在东部沿海地区运行15年的复合绝缘子(其设计寿命为40年),见图6。由于现场实际中发现其在运行时出现异常发热等问题将其摘下进行检验分析。

图6 FXBW4-110/100样品

经外观检查发现,该串绝缘子由于异常发热导致护套处,伞裙底部出现都有不同程度烧蚀痕迹,其颜色呈现明显黑色。伞裙护套表面相较于正常复合绝缘子颜色明显偏淡,呈现淡粉色并伴有数条横纹,弯折时会明显感觉硅橡胶偏硬并伴有粉色的碎末掉落。按照复合绝缘子表面粉化等级初步判断该绝缘子老化严重。为了进一步确定该串绝缘子的实际老化状态,基于第2节的测试方法,对其进行物理、化学及电气特性测试,对其老化状态进行评估。

通过对样品开展HC喷水分级、静态接触角、硬度及盐雾闪络等测试实验,可以得到HC喷水分级Hc、静态接触角θ、硬度A及盐雾闪络电压Uf等老化表征参数具体数值(见表9),并将其代入第3章提出的GM(1,N)模型得到其剩余寿命,见表10。

表9 现场实际样品老化表征参数值

表10 现场实际样品老化剩余寿命

基于图4中的步骤,可以发现复合绝缘子的理论剩余寿命a2小于(acritical-1.2a),可以得到该绝缘子的劣化严重,虽然其运行时间为15年,但是其相对于设计寿命的老化时间已经达到22.45年。这与现场外观检查判断结果一致,本研究提出的对剩余寿命的预测方法在实际判断复合绝缘子老化程度中具有较好的应用。另外,需对该串绝缘子出现加速劣化的原因进一步分析,并对该地区挂网运行的复合绝缘子进行更为频繁的检修,确保电网的安全稳定运行。

5 结 论

选取东部某地区运行0～14年复合绝缘子为研究对象,通过开展物理、化学及电气特性测试对复合绝缘子硅橡胶的老化特性进行分析。并基于试验测试结果结合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。最后基于GM(1,N)模型建立了老化年限与寿命预测参数之间的关系。本研究得到的主要结论有:

1)随着老化时间的增加,在紫外辐射等因素的影响下,复合绝缘子老化程度逐渐加深,HC喷水等级、静态接触角、样品表面Si(CH3)2吸收峰峰值与Si-O-Si吸收峰峰值比值及盐雾闪络电压逐渐下降,硬度逐渐上升。

2)通过相关性计算得出HC喷水分级Hc、静态接触角θ、硬度A及盐雾闪络电压Uf与复合绝缘子老化年限具有显著相关性,可在今后研究中对劣化复合绝缘子的老化程度进行准确地评估。

3)本研究基于GM(1,N)模型提出的复合绝缘子剩余寿命预测方法,通过验证发现正常工况下运行的复合绝缘子理论老化时间与实际老化时间相对误差在15%以内,在工程允许范围之内,该方法可以对复合绝缘子真实的老化程度进行准确地评估。另外,当复合绝缘子的计算老化时间与实际老化时间之间的差大于工程允许误差时,则该串绝缘子需要安排更为频繁的检修和维护。