基于色差分析的復合絕緣子傘裙老化程度表征研究

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．清華大學深圳研究生院，深圳 518055）

基于色差分析的復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，有效提高了復合絕緣子的耐污閃性能。但是作為一種有機高分子材料，高溫硫化硅橡膠材料在長期運行之后會表現(xiàn)出一定的老化特征，包括出現(xiàn)粉化、褪色、龜裂等現(xiàn)象。作為復合絕緣子最直觀的特征，傘裙護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。對復合絕緣子傘裙的顏色變化特征進行了研究，并利用RGB顏色空間對其進行了定量表征，試驗結(jié)果表明，利用復合絕緣子傘裙顏色變化特征對其老化狀態(tài)進行表征是可行的。

復合絕緣子；老化；色差分析；狀態(tài)表征；顏色空間

引言

復合絕緣子具有重量輕、耐污閃性能好等優(yōu)點，在我國的電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應用[1,2]。高溫硫化（High Temperature Vulcanized，HTV）硅橡膠是復合絕緣子傘裙護套的主要材料，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高分子材料，在長期的運行中易受到各種外界應力作用（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)對于復合絕緣子硅橡膠材料的規(guī)定主要參照DL/T 376-2010 《復合絕緣子用硅橡膠絕緣材料通用技術條件》、DL/T 810-2012《±500kV及以上電壓等級直流棒形懸式復合絕緣子技術條件》和DL/ T 864-2004《標稱電壓高于1000V交流架空線路用復合絕緣子使用導則》三個行業(yè)標準。其中對復合絕緣子所使用硅橡膠材料的介電常數(shù)、電阻率、硬度、憎水性等性能指標都進行了規(guī)定。在對硅橡膠材料進行老化表征

時，應當首先選取標準中的指標值進行比較。具體的規(guī)定見表 1。

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

當復合絕緣子傘裙發(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行表征。

1 復合絕緣子樣品選取

本文共選取了來自21條輸電線路、5個生產(chǎn)廠家共計35支復合絕緣子傘裙樣品，每支復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；復合絕緣子的投運時間從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，本文不再對其進行詳細信息的列舉。

表1 行業(yè)標準對硅橡膠材料的相關規(guī)定

2 色差方法分析

2.1 色差分析理論基礎

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；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個樣品進行顏色初步分析后認為，色差分析應當對每個樣品的內(nèi)層顏色和表層顏色差值進行，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)碼單反相機對所有樣品進行拍照。拍照均在夜晚燈光下進行，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，默認白平衡模式。為對拍照條件進行標定，在每次拍照時都放置同一張白紙，用白紙的RGB色彩向量對顏色進行標定，RGB向量值可使用Photoshop軟件進行采集。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號樣品相應的RGB數(shù)值如圖2所示，圖中白紙的實測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)部的顏色坐標分布

利用Matlab軟件可以對圖像進行進一步的處理。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的坐標，就可以直接用點集來表示出傘裙的顏色。如圖3所示：可以看到兩個點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現(xiàn)老化程度表征的條件。

2.3 色差值的計算

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，準確率達到93.75%～96.88%。這說明，使用色差值對復合絕緣子傘裙的顏色進行定量表征結(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性分析

3.1 耐漏電起痕和電蝕損性能

根據(jù)DL/T 376-2010《復合絕緣子用硅橡膠絕緣材料通用技術條件》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結(jié)果

圖4 耐漏電起痕和電蝕損試驗示意圖

試驗發(fā)現(xiàn)，所有樣品都沒出現(xiàn)因電流過大而跳閘、導致試驗失敗的情況，但是表面的電弧燒蝕、漏電起痕情況差異較大。將斜面法試驗結(jié)果與傘裙樣品的色差值對應起來，可以發(fā)現(xiàn)一定的規(guī)律，試驗結(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，合格率為20%；而色差值低于0.2的樣品全部通過試驗，合格率達到100%。

3.2 耐屈服疲勞特性試驗分析

圖5 疲勞試驗機夾持器示意圖

表3 傘裙樣品耐屈服疲勞特性試驗結(jié)果

本文作者在對硅橡膠的耐屈服疲勞特性試驗進行分析后認為，雖然這一性能并未出現(xiàn)在復合絕緣子硅橡膠材料的相關標準中，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械強度的下降，因此依舊將其作為性能參數(shù)進行研究。對傘裙樣品耐屈服疲勞性能的試驗參考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）》進行。由于傘裙樣品形狀所限，試驗試片與標準規(guī)定的樣品有較大出入，所以本試驗所得到的試驗數(shù)據(jù)無法作為與標準對比的依據(jù)。但是可以在進行測試的樣品之間進行橫向比較，用以分析運行之后復合絕緣子傘裙材料的耐屈撓龜裂性能變化。試驗裝置示意圖如圖 5所示。

由于傘裙材料較厚，進行疲勞試驗時很難出現(xiàn)貫穿裂紋，故作者決定用樣品首次出現(xiàn)裂紋時對應的屈撓次數(shù)來表征樣品的疲勞性能，并且認為若樣品經(jīng)歷3000次屈撓后仍無裂紋則說明其疲勞性能良好，則試驗通過。分組試樣及試驗結(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關系。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，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，試驗合格率為85.7%，并且6號樣品的屈撓次數(shù)達到了1600次，遠高于其余未通過試驗的樣品。

4 結(jié)論

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

對硅橡膠傘裙樣品進行分組和抽樣性能試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低色差值的樣品有85.7%滿足運行要求，高色差值的樣品只有20%滿足運行要求。色差與復合絕緣子運行性能之間不是嚴格的函數(shù)關系，而是帶有統(tǒng)計意義的結(jié)果。

[1]薛家麒, 李京, 梁曦東. 一種新型高壓絕緣子—合成絕緣子及其發(fā)展前景[J]. 電工電能新技術, 1993,(1)： 26-31.

[2]關志成, 梁曦東, 張仁豫, 等. 硅橡膠合成絕緣子的憎水性使用壽命的研究[J]. 高電壓技術, 1998,(1).

[3]藍磊, 王漢良, 文習山, 等. 高溫硫化硅橡膠加速電暈老化試驗分析及其壽命預測[J]. 高電壓技術, 2012,(04)： 782-789.

[4]李慶峰, 宿志一. 高壓直流復合絕緣子5000h人工加速老化試驗[J].電網(wǎng)技術, 2006,(12)： 64-68.

[5]高海峰, 周軍, 馬儀, 等. 高海拔區(qū)線路運行復合絕緣子的電氣性能評估[J]. 電網(wǎng)技術, 2010,(10)： 201-205.

[6] Rowland S. M., Xiong Y., Robertson J. Surface Ageing of HV Composite Insulators on 400 kV Lines[C]. Solid Dielectrics, 2007. ICSD ‘07. IEEE International Conference on, 2007：310-313.

[7] Hui Zhang, Youping Tu, Yi Lu,et al. Study on aging characteristics of silicone rubber insulator sheds using FTIR[C]. Electrical Insulation (ISEI), Conference Record of the 2012 IEEE International Symposium on, 2012：83-86.

[8] Lutz B., Cheng L., Guan Z.,et al. Analysis of a fractured 500 kV composite insulator - identif cation of aging mechanisms and their causes[J]. Dielectrics and Electrical Insulation, IEEE Transactions on, 2012, 19(5)：1723-1731.

[9]賈伯巖. 運行后復合絕緣子的理化分析[J]. 高電壓技術, 2012,(4)：914-921.

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