基于灰色模型GM(1,N)的運(yùn)行復(fù)合絕緣子硅橡膠材料剩余壽命研究

汪從敏,李明磊,張 平,江 炯,程國開,楊霄霄,魏文力

(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司雙創(chuàng)中心 杭州 310000;2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司, 浙江 寧波315000;)

0 引言

復(fù)合絕緣子具有良好的絕緣性能及機(jī)械性能,其在架空線路中應(yīng)用廣泛[1-7]。據(jù)統(tǒng)計,近年來我國每年投入運(yùn)行的復(fù)合絕緣子超過1 000萬支[8]。在復(fù)合絕緣子出廠時,其設(shè)計壽命達(dá)到了30～40年。但是由于長期運(yùn)行環(huán)境及強(qiáng)電磁場的影響,復(fù)合絕緣子會發(fā)生老化、劣化,導(dǎo)致表面物理、化學(xué)等特性逐漸下降,威脅了電力系統(tǒng)輸配電外絕緣的安全穩(wěn)定運(yùn)行[9-15]。

針對復(fù)合絕緣子的老化及其壽命預(yù)測問題,各國學(xué)者展開了大量的研究。中國電力科學(xué)院鄧桃等[16]采用靜態(tài)接觸角法、紅外光譜法等方法對運(yùn)行多年的復(fù)合絕緣子的理化特性進(jìn)行測試,對其老化特性進(jìn)行分析。武漢大學(xué)、華北電力大學(xué)等[17-18]對運(yùn)行10年復(fù)合絕緣子的表面憎水性及微觀結(jié)構(gòu)展開分析,并通過測試靜態(tài)接觸角和電導(dǎo)電流對現(xiàn)場運(yùn)行的復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)進(jìn)行評估通過與新試樣的老化特性進(jìn)行對比得出老化過程中硅橡膠表面劣化的原因。

在此基礎(chǔ)上,部分學(xué)者基于測試結(jié)果提出一些參數(shù)來表征復(fù)合絕緣子的老化特性并建立了一些壽命預(yù)測模型。文獻(xiàn)[19]中通過掃描電鏡、接觸角測試等方法對人工加速熱老化實(shí)驗(yàn)得到的硅橡膠樣品進(jìn)行性能測試,基于Hallberg-Peck模型建立了接觸角與復(fù)合絕緣子壽命之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[20]中傅里葉紅外光譜、X射線能譜分析儀等設(shè)備對線路中運(yùn)行多年的復(fù)合絕緣子的老化特性進(jìn)行分析。雖然上述研究中針對復(fù)合絕緣子的老化壽命提出了一些預(yù)測方法,但是由于人工模擬與自然存在差異,自然環(huán)境中取樣困難等原因,建立復(fù)合絕緣子老化壽命預(yù)測模型均存在一定難度。

灰色預(yù)測模型[21-25]以其需求樣本量少、精度高在電氣設(shè)備的壽命預(yù)測中被大量采用。筆者以東部某地區(qū)運(yùn)行0～14年的復(fù)合絕緣子樣品為研究對象,采用靜態(tài)接觸角、硬度等測試方法對其老化特性進(jìn)行研究;并基于試驗(yàn)結(jié)果利用統(tǒng)計學(xué)方法提出一系列與老化年限具有顯著相關(guān)性的特征參數(shù);最后,基于灰色模型建立這些參數(shù)與復(fù)合絕緣子剩余壽命之間的關(guān)系。

1 灰色模型GM(1,N)

用大量數(shù)據(jù)通過數(shù)理統(tǒng)計方法進(jìn)行復(fù)合絕緣子壽命預(yù)測需要開展大量現(xiàn)場取樣,實(shí)施起來困難。而多維灰色模型GM(1,N)可分析小樣本、信息量不多的問題。對現(xiàn)場采集的0～14年的復(fù)合絕緣子樣品進(jìn)行測試,基于測試結(jié)果提取一系列可以用于表征其壽命的預(yù)測參數(shù),通過灰色模型計算,得到其相對于設(shè)計壽命的老化程度?；疑Ｐ陀嬎愕牟襟E為

1)累加過程

2)確定驅(qū)動系數(shù)

在GM(1,N)模型中,特征因素及其相關(guān)的影響因素數(shù)據(jù)的白微化方程為

(2)

根據(jù)式(2)可以得到其灰微化方程為

(3)

(4)

A=(BTB)-1BTYn

(5)

其中,

(6)

(7)

3)預(yù)測特征因素值

當(dāng)灰色系數(shù)確定后,通過計算式(2)可以得出方程的解為

(8)

將(2)中得到的灰色系數(shù)A代入式(8)中,計算得到預(yù)測值:

(9)

2 壽命預(yù)測參數(shù)測試及分析

2.1 試驗(yàn)樣品及試驗(yàn)方法

以東部某地區(qū)相鄰線路運(yùn)行0～14年的復(fù)合絕緣子串為樣本,具體參數(shù)見表1。

表1 復(fù)合絕緣子樣品

采用HC噴水級別法、靜態(tài)接觸角法、硬度、拉伸、X射線能譜分析及鹽霧閃絡(luò)等方法對復(fù)合絕緣子的老化特性展開分析。具體試驗(yàn)方法如下[26-27]:

1)初步判斷試樣憎水性,參照IEC/TS 62073[28]采用HC噴水分級法將硅橡膠材料表面的憎水性分為7個等級,級別越大憎水性越低。

2)靜態(tài)接觸角測量法。

采用視頻光學(xué)接觸角測量儀測量試樣的靜態(tài)接觸角,為了方便測量,將樣品切塊,每個樣品測量多個水珠的靜態(tài)接觸角θ,注射水滴容量為6 μL,并取其平均值記為θav。

3)硬度測試。采用Shore-A硬度計對復(fù)合絕緣子樣品的硬度進(jìn)行測試。參照GB/T 531.1-2008中的試驗(yàn)方法,由傘裙根部至傘裙邊緣依次測量6次,每個點(diǎn)相隔6 mm,取平均值作為該樣品的硬度,記為A。

4) FTIR測試。采用傅里葉紅外光譜儀對復(fù)合絕緣子硅橡膠表面典型官能團(tuán)進(jìn)行分析。

5)鹽霧閃絡(luò)測試。本研究的鹽霧閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)是在高壓試驗(yàn)室完成的。試驗(yàn)樣品樣品及電極布置見圖2,每串絕緣子取樣3片。試驗(yàn)電源由100 kVA/50 kV交流試驗(yàn)變壓器提供。試驗(yàn)接線圖見圖3。

圖2 閃絡(luò)試驗(yàn)電極布置

圖3 鹽霧閃絡(luò)試驗(yàn)接線原理圖

采用均勻升壓法對人工污穢試品進(jìn)行鹽霧閃絡(luò)試驗(yàn)。以10%/s的速度提高電壓,直至閃絡(luò)發(fā)生。每個樣品均需重復(fù)3次試驗(yàn),取其閃絡(luò)電壓平均值Uf為該年限樣品鹽霧閃絡(luò)電壓。

2.2 測試結(jié)果與分析

2.2.1 憎水性試驗(yàn)

復(fù)合絕緣子的憎水性與其老化程度具有很強(qiáng)的相關(guān)性,憎水性試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 A廠復(fù)合絕緣子憎水性測試結(jié)果

當(dāng)復(fù)合材料表面的HC噴水等級小于5及靜態(tài)接觸角大于90°時,則認(rèn)為該材料為憎水性材料;否則,認(rèn)為該材料為親水性材料。表2中,當(dāng)老化年限小于12年時,復(fù)合絕緣子硅橡膠的憎水性均小于等于4且靜態(tài)接觸角大于90°,說明12年內(nèi)復(fù)合絕緣子硅橡膠材料為保持在良好的狀態(tài)。但是當(dāng)老化時間到達(dá)14年時,其HC噴水等級達(dá)到5,且靜態(tài)接觸角小于90°,其表面特性轉(zhuǎn)為親水性材料。

2.2.2 硬度測試

硬度是表征復(fù)合材料老化程度的一個重要參量之一,其測試結(jié)果見表3。由表3可知隨著老化年限的增加,復(fù)合絕緣子表面硬度逐漸增加。未老化的樣品硬度為64.1,樣品硬度在老化4、6、8、10、14年限相比于未老化樣品分別增加了4.5%、5.5%、10.9%、17.8%、28.1%。

表3 A廠復(fù)合絕緣子硬度測試結(jié)果

此外,從傘裙根部向傘裙邊緣,硅橡膠表面硬度呈增大趨勢,且傘裙邊緣增大幅度明顯。這是由于傘裙邊緣受到的紫外輻射遠(yuǎn)大于傘裙根部,因此紫外輻射是導(dǎo)致復(fù)合絕緣子硬度增加的一個重要原因。

2.2.3 FTIR分析

復(fù)合絕緣子表面Si-(CH3)2吸收峰與主鏈Si-O-Si吸收峰的比值(即為H)可以反映其側(cè)鍵的相對含量,與復(fù)合絕緣子的非極性程度有關(guān),可以對其老化程度進(jìn)行表征。本研究樣品的側(cè)鍵Si-(CH3)2吸收峰高度、主鏈Si-O-Si吸收峰高度及其比值見表4。

表4 復(fù)合絕緣子Si-O-Si與Si(CH3)2吸收峰高度比值

由表4可知隨著老化時間的增加,Si-O-Si及Si-(CH3)2的吸收峰均逐漸下降。在運(yùn)行過程中,由于紫外輻射等因素的影響,Si-O-Si的薄弱環(huán)節(jié)及Si-O-Si連接的側(cè)鍵出現(xiàn)斷裂,導(dǎo)致Si-O-Si及Si-(CH3)2的吸收峰下降。

與此同時由表4還可看出隨著絕緣子老化時間的增加,復(fù)合絕緣子樣品的Si-(CH3)2吸收峰高度與Si-O-Si吸收峰高度比值逐漸上升,材料趨于極性,其自身憎水性下降,老化程度加重。

2.2.4 鹽霧閃絡(luò)測試

開展鹽霧閃絡(luò)測試,試驗(yàn)采用電導(dǎo)率為1 000 μS/cm的鹽水,通過超聲波水霧發(fā)生器對樣品進(jìn)行濕潤。15 min后,待樣品表面水珠呈現(xiàn)欲滴未滴狀態(tài)時,開始進(jìn)行加壓試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 A廠復(fù)合絕緣子鹽霧閃絡(luò)試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知:隨著復(fù)合絕緣子運(yùn)行年限的增加,硅橡膠樣品表面的鹽霧閃絡(luò)電壓逐漸下降,其表面電氣特性逐漸變差。且在運(yùn)行早期,表面鹽霧閃絡(luò)電壓下降較慢。隨著老化程度的加深,鹽霧閃絡(luò)電壓下降逐漸加快,這與老化年限增加、傘裙憎水性變差有關(guān)。

3 基于GM(1,N)模型的剩余壽命預(yù)測方法

3.1 壽命預(yù)測參數(shù)

基于復(fù)合絕緣子硅橡膠老化特性的測試結(jié)果,本研究提出了一系列可用于復(fù)合絕緣子剩余壽命的參數(shù),見表6。

表6 復(fù)合絕緣子壽命預(yù)測參數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[29-30],對復(fù)合絕緣子壽命預(yù)測參數(shù)與老化年限相關(guān)性進(jìn)行分析,得到與老化年限具有顯著相關(guān)性的壽命預(yù)測參數(shù)用于復(fù)合絕緣子的老化壽命預(yù)測中。相關(guān)性計算結(jié)果見表7。

表7 老化表征參數(shù)與老化年限之間的相關(guān)性

由表7可得,HC噴水分級Hc、靜態(tài)接觸角θ、硬度A及鹽霧閃絡(luò)電壓Uf與復(fù)合絕緣子老化年限具有顯著相關(guān)性,可以用于復(fù)合絕緣子剩余壽命的預(yù)測中。

3.2 基于GM(1,N)模型的剩余壽命預(yù)測方法

根據(jù)第一節(jié)中提出的GM(1,N)模型,利用3.1中的與老化年限具有顯著相關(guān)性的壽命預(yù)測參數(shù),可以建立一種基于GM(1,N)模型的復(fù)合絕緣子剩余壽命預(yù)測方法,見圖4。

圖4 基于GM(1,N)模型的復(fù)合絕緣子剩余壽命預(yù)測方法

圖4中,壽命預(yù)測參數(shù)為HC噴水分級Hc、靜態(tài)接觸角θ、硬度A及鹽霧閃絡(luò)電壓Uf。在模型中,選擇老化0～9年的樣品作為訓(xùn)練樣本,老化10～14年樣品為檢驗(yàn)樣本。acritical為復(fù)合絕緣子設(shè)計壽命;a1為通過本研究模型計算得到的老化壽命;a2為復(fù)合絕緣子剩余壽命。

按照圖4步驟,可以得到GM(1,N)模型的驅(qū)動系數(shù),見圖5。檢驗(yàn)樣本的理論老化時間與實(shí)際老化時間之間的誤差見表8。

圖5 GM(1,N)模型的驅(qū)動系數(shù)

表8 檢驗(yàn)樣本的理論老化時間與相對誤差

由表8可知,正常工況運(yùn)行下的復(fù)合絕緣子的理論老化時間與實(shí)際老化時間誤差小于15%,在工程允許誤差范圍之內(nèi),本研究的剩余老化壽命模型可以對復(fù)合絕緣子剩余老化壽命進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測。當(dāng)復(fù)合絕緣子的計算老化時間與實(shí)際老化時間之間的差大于工程允許誤差時,則該串絕緣子需要安排更為頻繁的檢修和維護(hù)。

4 算例分析

為了對第3節(jié)中提出的剩余壽命預(yù)測方法進(jìn)行驗(yàn)證,選取一串在東部沿海地區(qū)運(yùn)行15年的復(fù)合絕緣子(其設(shè)計壽命為40年),見圖6。由于現(xiàn)場實(shí)際中發(fā)現(xiàn)其在運(yùn)行時出現(xiàn)異常發(fā)熱等問題將其摘下進(jìn)行檢驗(yàn)分析。

圖6 FXBW4-110/100樣品

經(jīng)外觀檢查發(fā)現(xiàn),該串絕緣子由于異常發(fā)熱導(dǎo)致護(hù)套處,傘裙底部出現(xiàn)都有不同程度燒蝕痕跡,其顏色呈現(xiàn)明顯黑色。傘裙護(hù)套表面相較于正常復(fù)合絕緣子顏色明顯偏淡,呈現(xiàn)淡粉色并伴有數(shù)條橫紋,彎折時會明顯感覺硅橡膠偏硬并伴有粉色的碎末掉落。按照復(fù)合絕緣子表面粉化等級初步判斷該絕緣子老化嚴(yán)重。為了進(jìn)一步確定該串絕緣子的實(shí)際老化狀態(tài),基于第2節(jié)的測試方法,對其進(jìn)行物理、化學(xué)及電氣特性測試,對其老化狀態(tài)進(jìn)行評估。

通過對樣品開展HC噴水分級、靜態(tài)接觸角、硬度及鹽霧閃絡(luò)等測試實(shí)驗(yàn),可以得到HC噴水分級Hc、靜態(tài)接觸角θ、硬度A及鹽霧閃絡(luò)電壓Uf等老化表征參數(shù)具體數(shù)值(見表9),并將其代入第3章提出的GM(1,N)模型得到其剩余壽命,見表10。

表9 現(xiàn)場實(shí)際樣品老化表征參數(shù)值

表10 現(xiàn)場實(shí)際樣品老化剩余壽命

基于圖4中的步驟,可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合絕緣子的理論剩余壽命a2小于(acritical-1.2a),可以得到該絕緣子的劣化嚴(yán)重,雖然其運(yùn)行時間為15年,但是其相對于設(shè)計壽命的老化時間已經(jīng)達(dá)到22.45年。這與現(xiàn)場外觀檢查判斷結(jié)果一致,本研究提出的對剩余壽命的預(yù)測方法在實(shí)際判斷復(fù)合絕緣子老化程度中具有較好的應(yīng)用。另外,需對該串絕緣子出現(xiàn)加速劣化的原因進(jìn)一步分析,并對該地區(qū)掛網(wǎng)運(yùn)行的復(fù)合絕緣子進(jìn)行更為頻繁的檢修,確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié) 論

選取東部某地區(qū)運(yùn)行0～14年復(fù)合絕緣子為研究對象,通過開展物理、化學(xué)及電氣特性測試對復(fù)合絕緣子硅橡膠的老化特性進(jìn)行分析。并基于試驗(yàn)測試結(jié)果結(jié)合相關(guān)性計算得出與老化年限具有顯著相關(guān)性的壽命預(yù)測參數(shù)。最后基于GM(1,N)模型建立了老化年限與壽命預(yù)測參數(shù)之間的關(guān)系。本研究得到的主要結(jié)論有:

1)隨著老化時間的增加,在紫外輻射等因素的影響下,復(fù)合絕緣子老化程度逐漸加深,HC噴水等級、靜態(tài)接觸角、樣品表面Si(CH3)2吸收峰峰值與Si-O-Si吸收峰峰值比值及鹽霧閃絡(luò)電壓逐漸下降,硬度逐漸上升。

2)通過相關(guān)性計算得出HC噴水分級Hc、靜態(tài)接觸角θ、硬度A及鹽霧閃絡(luò)電壓Uf與復(fù)合絕緣子老化年限具有顯著相關(guān)性,可在今后研究中對劣化復(fù)合絕緣子的老化程度進(jìn)行準(zhǔn)確地評估。

3)本研究基于GM(1,N)模型提出的復(fù)合絕緣子剩余壽命預(yù)測方法,通過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)正常工況下運(yùn)行的復(fù)合絕緣子理論老化時間與實(shí)際老化時間相對誤差在15%以內(nèi),在工程允許范圍之內(nèi),該方法可以對復(fù)合絕緣子真實(shí)的老化程度進(jìn)行準(zhǔn)確地評估。另外,當(dāng)復(fù)合絕緣子的計算老化時間與實(shí)際老化時間之間的差大于工程允許誤差時,則該串絕緣子需要安排更為頻繁的檢修和維護(hù)。