基于二值邏輯的復(fù)合絕緣子狀態(tài)判別策略研究

王立福，張振泉，李耀中，莊文兵，鄭子梁，賈志東，陳 燦

（1. 國(guó)網(wǎng)新疆電力公司，烏魯木齊 830000； 2．清華大學(xué)深圳研究生院，深圳 518055）

基于二值邏輯的復(fù)合絕緣子狀態(tài)判別策略研究

王立福1，張振泉1，李耀中1，莊文兵1，鄭子梁1，賈志東2，陳 燦2

（1. 國(guó)網(wǎng)新疆電力公司，烏魯木齊 830000； 2．清華大學(xué)深圳研究生院，深圳 518055）

復(fù)合絕緣子是架空輸電線路上廣泛使用的設(shè)備，它的老化會(huì)給電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來(lái)威脅。電力相關(guān)工作人員需要一種能夠?qū)?fù)合絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判別的方法，幫助他們確定復(fù)合絕緣子是否滿(mǎn)足運(yùn)行要求，而對(duì)復(fù)合絕緣子的定性表征就成為一種優(yōu)選的表征策略。將運(yùn)行后的復(fù)合絕緣子分成“滿(mǎn)足運(yùn)行要求”和“不滿(mǎn)足運(yùn)行要求”，使用二值邏輯回歸模型，選取合適的特征量，建立了復(fù)合絕緣子狀態(tài)表征體系。

復(fù)合絕緣子；二值邏輯回歸模型；狀態(tài)表征

引言

在架空輸電線路100多年的發(fā)展歷程中，絕緣子經(jīng)歷了不斷地更新和完善，結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝都發(fā)生了一定變化[1-3]。目前，按照絕緣子主要使用的絕緣材料來(lái)區(qū)分，可以將絕緣子分為陶瓷絕緣子、玻璃絕緣子和復(fù)合絕緣子三大類(lèi)別。由于復(fù)合絕緣子具有重量輕憎水性和憎水遷移性良好等特點(diǎn)，因而越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在架空輸電線路上。

復(fù)合絕緣子是架空輸電線路上廣泛使用的設(shè)備，起到對(duì)輸電導(dǎo)線起到機(jī)械支撐和電氣絕緣的作用。復(fù)合絕緣子的老化會(huì)造成復(fù)合絕緣子耐污性能下降、力學(xué)性能下降，進(jìn)而給電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來(lái)威脅[4,5]。因此，電力相關(guān)工作人員需要一種能夠?qū)?fù)合絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判別的方法，幫助他們確定復(fù)合絕緣子是否滿(mǎn)足運(yùn)行要求。在對(duì)復(fù)合絕緣子運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行表征時(shí)，能夠詳細(xì)、準(zhǔn)確、全面地評(píng)判是最理想的，但是受環(huán)境條件以及人力、物力成本的影響，這樣的表征評(píng)判策略不切合實(shí)際，而且也沒(méi)有必要。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員來(lái)說(shuō)，他們往往需要在試驗(yàn)條件和時(shí)間都不充裕的情況下做出決策，在這種情況下，對(duì)復(fù)合絕緣子的定性表征就成為一種不錯(cuò)的表征策略。

定性表征是最常用的表征方法，從決策的角度來(lái)

說(shuō)，由于它只將對(duì)象劃分為“是”與“非”兩類(lèi)，具有簡(jiǎn)單、明確的特點(diǎn)，也是在使用中最容易被接受的表征策略。在本文中，對(duì)復(fù)合絕緣子的定性表征采用二值邏輯回歸模型，利用概率論的思想對(duì)復(fù)合絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行表征。

1 復(fù)合絕緣子運(yùn)行狀態(tài)表征策略討論

目前，電力行業(yè)內(nèi)對(duì)于復(fù)合絕緣子硅橡膠材料的規(guī)定主要參照DLT 376-2010 《復(fù)合絕緣子用硅橡膠絕緣材料通用技術(shù)條件》、DL/T 810-2012《±500kV及以上電壓等級(jí)直流棒形懸式復(fù)合絕緣子技術(shù)條件》和DL/T 864-2004《標(biāo)稱(chēng)電壓高于1000V交流架空線路用復(fù)合絕緣子使用導(dǎo)則》三個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)防污閃涂料的規(guī)定主要參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 627-2012《絕緣子用常溫固化硅橡膠防污閃涂料》。對(duì)硅橡膠材料的介電常數(shù)、電阻率、硬度、憎水性等性能指標(biāo)都進(jìn)行了規(guī)定，在對(duì)硅橡膠材料進(jìn)行老化表征時(shí)，應(yīng)當(dāng)首先選取標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)值進(jìn)行比較。

按照以上標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定，電力工作人員能夠?qū)柘鹉z樣品性能進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，進(jìn)而判定其是否滿(mǎn)足復(fù)合絕緣子、防污閃涂料的正常運(yùn)行要求，但大部分試驗(yàn)都只能在成型之前進(jìn)行。例如電阻率、抗撕裂強(qiáng)度等指標(biāo)的測(cè)量，由于傘裙已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足其特定的形狀要求，因而無(wú)法作為檢驗(yàn)復(fù)合絕緣子運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)指標(biāo)。

在各項(xiàng)指標(biāo)中，憎水性、邵氏硬度和可燃性受到樣品形狀的影響較小，可以用于復(fù)合絕緣子傘裙材料的老化表征。但這三種方法也各有自身的局限：憎水性受傘裙表面影響較大，傘裙表面的粗糙程度、污穢狀態(tài)都會(huì)改變測(cè)量結(jié)果，導(dǎo)致對(duì)材料老化程度的判斷呈現(xiàn)出分散性；邵氏硬度檢測(cè)方法簡(jiǎn)便易行，測(cè)量結(jié)果分散性小，但是標(biāo)準(zhǔn)中只規(guī)定了硬度的最小值，而根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，老化后的傘裙硬度往往上升而非下降，因而標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定對(duì)于老化程度的判定沒(méi)有幫助；可燃性的測(cè)量過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，且由于硅橡膠材料自身的特性（主要成分為硅氧烷和無(wú)機(jī)填料），使得硅橡膠的老化對(duì)可燃性影響不大。因此，本文進(jìn)行復(fù)合絕緣子傘裙材料老化表征研究的思路是：在結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，積極尋找能夠有效表征硅橡膠材料老化程度的性能指標(biāo)，并建立其與標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2 定性表征策略的數(shù)學(xué)模型

定性表征是最常用的表征方法，從決策的角度來(lái)說(shuō)，由于它只將對(duì)象劃分為“是”與“非”兩類(lèi)，具有簡(jiǎn)單、明確的特點(diǎn)，也是在使用中最容易被接受的表征策略。在本文中，對(duì)復(fù)合絕緣子的定性表征采用二值邏輯回歸模型，利用概率論的思想對(duì)復(fù)合絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行表征。

2.1 二項(xiàng)邏輯回歸分析模型

在一般的線性回歸模型中，其回歸方程：

可以看做是對(duì)因變量y均值的預(yù)測(cè)。而當(dāng)因變量是一個(gè)二分類(lèi)變量時(shí)（為方便起見(jiàn)，將二分類(lèi)變量的可能取值設(shè)為0和1），線性回歸方程就變成了對(duì)y=1的概率的預(yù)測(cè)。因此，回歸方程可以寫(xiě)成如下形式：

概率P取值范圍是[0,1]，而一般線性回歸方程的取值范圍理論上是（-∞，+∞），因此必須對(duì)P進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理使其取值范圍符合一般線性回歸方程，才能使用一般線性回歸模型對(duì)其進(jìn)行研究。常用的一種轉(zhuǎn)換方法是Logit變換，具體過(guò)程如下：

由此得到了新的多元線性回歸模型：

進(jìn)而可以推導(dǎo)出P的表達(dá)函數(shù)。

顯然，若根據(jù)回歸模型計(jì)算出因變量取1概率大于取0的概率，則預(yù)測(cè)為1；反之則預(yù)測(cè)為0。利用這一模型就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合絕緣子運(yùn)行狀態(tài)的二分類(lèi)方法。

在二項(xiàng)邏輯回歸分析模型中，因變量必須是一個(gè)取值為0或1的二分類(lèi)變量，自變量既可以是分類(lèi)變量也可以是數(shù)值變量。

2.2 樣品的選取

本文使用的高溫硫化硅橡膠樣品均來(lái)自于新疆地區(qū)已退出運(yùn)行的復(fù)合絕緣子傘裙樣品。復(fù)合絕緣子的具體信息如表1所示。

圖1 Logit變換中的函數(shù)關(guān)系

3 定性表征策略的建立

3.1 定性表征策略的因變量

憎水性是評(píng)價(jià)復(fù)合絕緣子性能的重要指標(biāo)。由于靜態(tài)接觸角是一個(gè)數(shù)值變量，噴水分級(jí)等級(jí)是一個(gè)多分類(lèi)變量，首先應(yīng)當(dāng)將它們轉(zhuǎn)換為二分類(lèi)變量。分類(lèi)策略如下：如果復(fù)合絕緣子HC分級(jí)為1～4且最小靜態(tài)接觸角大于90°，認(rèn)為憎水性合格，二分類(lèi)值為1；如果HC分級(jí)為5～7或最小靜態(tài)接觸角小于90°，認(rèn)為憎水性不合格，二分類(lèi)值為0。具體轉(zhuǎn)換表如表2所示。

耐漏電起痕和電蝕損性能也是復(fù)合絕緣子傘裙重要的性能之一。復(fù)合絕緣子傘裙所用的高溫硫化硅橡膠材料一般要求通過(guò)TMA4.5級(jí)，因此這一性能的二分類(lèi)變量比較明確。通過(guò)TMA4.5級(jí)試驗(yàn)，認(rèn)為性能合格，二分類(lèi)值為1；未通過(guò)TMA4.5級(jí)試驗(yàn)，認(rèn)為性能不合格，二分類(lèi)值為0。

表1 復(fù)合絕緣子傘裙樣品信息

表2 憎水性二分類(lèi)變量轉(zhuǎn)換表

耐屈撓龜裂特性對(duì)于已成型的硅橡膠復(fù)合絕緣子傘裙來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)重要的性能，但是目前的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中并沒(méi)有對(duì)硅橡膠的這一特性做出規(guī)定。根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，新制的高溫硫化硅橡膠材料可以承受的平均屈撓次數(shù)約為3000次～4000次。因此，本文認(rèn)為屈撓次數(shù)在3000次以上的樣品通過(guò)屈撓龜裂試驗(yàn)，二分類(lèi)值為1；屈撓次數(shù)在3000次以下的樣品未通過(guò)屈撓龜裂試驗(yàn)，二分類(lèi)值為0。

根據(jù)前文的分析，憎水性、耐屈撓龜裂特性和耐漏電起痕和電蝕損性能是考量復(fù)合絕緣子傘裙材料的最重要性能指標(biāo)。但是在使用二項(xiàng)邏輯回歸模型進(jìn)行研究時(shí)，因變量，也即被表征的指標(biāo)只能有一個(gè)。為解決這一矛盾，本文采取的策略為：定義一個(gè)指標(biāo)，名稱(chēng)為“運(yùn)行性能”，這一指標(biāo)是憎水性、耐屈撓龜裂特性、耐漏電起痕和電蝕損性能三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行邏輯與的結(jié)果，即只有三個(gè)指標(biāo)同時(shí)為1的時(shí)候“運(yùn)行性能”才能取1，否則為0。這無(wú)疑會(huì)使復(fù)合絕緣子“運(yùn)行性能”的合格標(biāo)準(zhǔn)變得較為嚴(yán)苛，但是從實(shí)際運(yùn)行的角度來(lái)說(shuō)，這是十分有必要的。

其中，Y表示運(yùn)行性能，HYD（Hydrophobicity）表示憎水性，IPT（Inclined Plane Test，斜面法）表示耐漏電起痕和電蝕損性能，F(xiàn)TC（Flex Cracking Test，屈撓龜裂試驗(yàn)）表示耐屈撓龜裂特性。據(jù)此可以確定復(fù)合絕緣子傘裙樣品的運(yùn)行性能二分類(lèi)值。

共18組樣品，其中運(yùn)行性能為1的6組，運(yùn)行性能為0的12組，見(jiàn)表3。

3.2 定性表征策略的自變量

復(fù)合絕緣子運(yùn)行狀態(tài)的二項(xiàng)邏輯回歸模型需要從備選的自變量中進(jìn)行篩選，最終確定能夠用于運(yùn)行狀態(tài)表征的自變量組合，因此備選自變量數(shù)量較大。本節(jié)共對(duì)18組復(fù)合絕緣子傘裙樣品進(jìn)行了研究，對(duì)其多方面性能指標(biāo)進(jìn)行了研究。備選的自變量如下：

HShore：邵氏硬度。利用手持A型邵氏硬度計(jì)測(cè)得的傘裙樣品的硬度值。

CAmin：最小憎水角。使用靜態(tài)接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)得的傘裙表面的靜態(tài)接觸角最小值。測(cè)量條件如下：使用無(wú)水乙醇洗去傘裙表面的污穢，在室溫25℃、相對(duì)濕度65%～75%的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)靜置24小時(shí)后測(cè)量傘裙表面憎水角。測(cè)量時(shí)從傘裙邊沿到根部等間距地選取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，水滴體積為5μL，水滴滴落在傘裙表面1分鐘后進(jìn)行測(cè)量。對(duì)傘裙上、下表面均按照統(tǒng)一方法測(cè)量，共得到10個(gè)測(cè)量數(shù)值，選取其中最小的一個(gè)作為最小憎水角。

CAav：平均憎水角。測(cè)量過(guò)程與最小憎水角一樣，將10個(gè)測(cè)量數(shù)值的平均值作為平均憎水角。

ρ：密度。復(fù)合絕緣子傘裙樣品的密度，單位為g/ cm3。

D：表觀交聯(lián)密度，利用平衡溶脹法測(cè)得的硅橡膠樣品的交聯(lián)密度。

紅外光譜吸收峰：在對(duì)18組復(fù)合絕緣子傘裙樣品的外層、內(nèi)層分別進(jìn)行了ATR-FTIR分析，F(xiàn)TIR圖譜中標(biāo)志性的吸收峰主要有 表示填料組分的3500cm-1附近吸收峰，2960cm-1處代表-CH3的吸收峰1260cm-1和790cm-1處代表Si-C鍵的吸收峰，以及在1010cm-1處代表Si-O鍵的吸收峰。在本文中，I表示吸收峰，下標(biāo)N和W分別表示樣品的內(nèi)層和外層。例如，IN1010表示某一傘裙樣品內(nèi)層1010cm-1處的吸收峰值。

表3 復(fù)合絕緣子傘裙樣品運(yùn)行性能二分類(lèi)值表

表4 二項(xiàng)邏輯回歸分析模型運(yùn)行性能分類(lèi)表

3.3 定性表征策略算例

設(shè)P為Y=1的概率，則利用Logit變換，建立二項(xiàng)邏輯回歸分析模型，采用向前-LR分析方法得到回歸方程：

其中， HShore是復(fù)合絕緣子樣品的邵氏硬度，可以通過(guò)手持式邵氏硬度計(jì)測(cè)量；HC是復(fù)合絕緣子傘裙的噴水分級(jí)等級(jí)； IRN1010是對(duì)復(fù)合絕緣子傘裙內(nèi)部樣品進(jìn)行傅里葉變換紅外光譜分析后，在波數(shù)1000cm-1～1010cm-1得到的吸收峰值。

由此計(jì)算18組樣品的Y值并進(jìn)行判別，得到表4。

由表可知，利用復(fù)合絕緣子傘裙的邵氏硬度 HShore，噴水分級(jí)等級(jí)HC和傘裙樣品內(nèi)層FTIR圖譜的1010cm-1處的吸收峰值三個(gè)判別變量，便可以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合絕緣子運(yùn)行狀態(tài)的定性表征。將18組樣品的判別變量值代入0，可以計(jì)算出各樣品對(duì)應(yīng)的Y值。18組樣品的Y值分布如圖2所示。在虛線以上的樣品被判定為運(yùn)行性能合格，在虛線以下的樣品則被判定為性能不合格，本模型的判別正確率為100%。

4 結(jié)論

利用二項(xiàng)邏輯回歸模型進(jìn)行復(fù)合絕緣子定性表征是可行的。利用計(jì)算的結(jié)果可知，使用邵氏硬度、噴水分級(jí)和紅外光譜分析三種手段可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合絕緣子運(yùn)行狀態(tài)的定性判別，正確率達(dá)到100%。

圖2 復(fù)合絕緣子傘裙樣品運(yùn)行性能二分類(lèi)散點(diǎn)圖

[1]邱志賢. 高壓絕緣子的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 北京：中國(guó)電力出版社, 2006, 457.

[2]邱志賢. 高壓復(fù)合絕緣子及其應(yīng)用[M]. 北京：中國(guó)電力出版社, 2006, 368.

[3]關(guān)志成. 絕緣子及輸變電設(shè)備外絕緣[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社, 2006, 379.

[4]謝從珍. 硅橡膠復(fù)合絕緣子傘裙優(yōu)化研究[D]. 廣州：華南理工大學(xué), 2010.

[5]閆斌, 王志惠. 復(fù)合絕緣子硅橡膠材料老化性能分析[J]. 絕緣材料, 2009,(4)： 57-59.

Condition Assessment Strategy of Composite Insulators Based on Binary Logistic Regression Model

WANG Li-fu1, ZHANG Zhen-quan1, 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）

Composite insulators are widely used on overhead transmission lines in China nowadays. Its aging is a danger to the normal operation of electrical power system. Power system field engineers need a method to judge the operational status of composite insulators, so as to assist them to determine whether it still can meet the operational requirement. And the qualitative characterization of composite insulators becomes a kind of optimized representation strategy. In this paper, the composite insulators after operating are divided into two categories, “acceptable” and “unacceptable”; and a binary logistic regression model is adopted; and the applicable characteristic quantity is selected; finally, the condition characterization system of composite insulator is established.

composite insulator; binary logistic regression model; condition characterization

TM216

A

1004-7204（2015）02-0049-05

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(fù)合絕緣子老化、電力電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)等方面研究。

王立福(1982.7-)，從事輸電線路施工、運(yùn)維檢修及管理，現(xiàn)任國(guó)網(wǎng)新疆電力公司運(yùn)維檢修部輸電檢修管理工程師。