本發(fā)明涉及一種能夠準(zhǔn)確評(píng)估運(yùn)行中的復(fù)合絕緣子老化程度的方法，屬于絕緣體技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，高壓輸電線路桿塔大都通過(guò)復(fù)合絕緣子與線路絕緣，復(fù)合絕緣子的傘裙和護(hù)套的材質(zhì)一般為高溫硫化硅橡膠。在長(zhǎng)期掛網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，高溫硫化硅橡膠受到高強(qiáng)度電場(chǎng)及環(huán)境中光、熱、雨、污穢等的影響，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的老化問(wèn)題。為確保高壓輸電線路的可靠運(yùn)行，有必要對(duì)復(fù)合絕緣子的老化程度進(jìn)行檢測(cè)。

現(xiàn)有的硅橡膠復(fù)合絕緣子老化程度檢測(cè)方法有多種，如根據(jù)材料的物理特性(如材料外觀、憎水性、等值鹽密、灰密、熱重等)分析絕緣子的老化程度；根據(jù)材料的微觀物化特性分析絕緣子的老化程度；根據(jù)材料的電特性(如閃絡(luò)電壓、泄漏電流、熱刺激電流等)分析絕緣子的老化程度；根據(jù)材料的介電特性和電阻特性分析絕緣子的老化程度。這些方法大都是根據(jù)單一的老化指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，導(dǎo)致其評(píng)估結(jié)果具有一定的片面性。例如申請(qǐng)?zhí)枮?01210386969.8的發(fā)明專(zhuān)利公開(kāi)了一種復(fù)合絕緣子運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估方法，該方法利用掃描電鏡(SEM)、傅里葉紅外光譜分析儀(FTIR)和熱刺激電流測(cè)量?jī)x(TSC)的測(cè)試結(jié)果從微觀的角度對(duì)復(fù)合絕緣子進(jìn)行評(píng)估，并基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)各參量進(jìn)行權(quán)值優(yōu)化，最后計(jì)算出復(fù)合絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)，但其并未考慮材料宏觀特性對(duì)老化狀態(tài)的影響。

絕緣材料的宏觀特性對(duì)老化程度的檢測(cè)具有重要意義。國(guó)家電網(wǎng)公司現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行復(fù)合絕緣子的數(shù)據(jù)顯示，絕緣子硅橡膠老化主要表現(xiàn)在表面憎水性下降、硬度增加等現(xiàn)象，進(jìn)而影響絕緣子的耐污閃性能。因此，在進(jìn)行復(fù)合絕緣子老化程度評(píng)估時(shí)，只分析材料的微觀特性是片面的，有必要將材料的宏觀特性考慮在內(nèi)。一方面，憎水性作為復(fù)合絕緣子耐污閃性能的重要指標(biāo)，能夠直觀表征材料的老化程度。閃絡(luò)電壓作為衡量硅橡膠電氣性能的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，是絕緣材料宏觀電特性的體現(xiàn)，而硬度則體現(xiàn)了材料的宏觀機(jī)械性能。另一方面，材料的微觀性能的變化將導(dǎo)致宏觀性能的改變，而宏觀性能更能直觀地體現(xiàn)材料的老化狀態(tài)。因此，有必要尋求一種能夠?qū)?fù)合絕緣子傘裙材料的微觀電特性及微觀物化特性與材料宏觀特性相結(jié)合的方法，以實(shí)現(xiàn)復(fù)合絕緣子老化程度的準(zhǔn)確評(píng)估。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)之弊端，提供一種運(yùn)行中的復(fù)合絕緣子老化程度的多維參量評(píng)估方法，以更加精確地評(píng)估硅橡膠的老化程度，保證高壓輸電線路的正常運(yùn)行。

本發(fā)明所述問(wèn)題是以下述技術(shù)方案解決的：

一種運(yùn)行中的復(fù)合絕緣子老化程度的多維參量評(píng)估方法，所述方法首先測(cè)量目標(biāo)復(fù)合絕緣子傘裙的高溫硫化硅橡膠試樣的硬度、憎水性、表面缺陷面積、Si-O-Si基團(tuán)對(duì)應(yīng)的紅外吸收峰值、陷阱電荷量和閃絡(luò)電壓；然后對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理，并對(duì)處理后的特征參量進(jìn)行老化程度的打分；再對(duì)各特征參量的分值進(jìn)行加權(quán)求和，得到表征復(fù)合絕緣子老化程度的綜合特征量；最后根據(jù)綜合特征量的大小與老化程度等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系確定絕緣子的老化程度。

上述運(yùn)行中的復(fù)合絕緣子老化程度的多維參量評(píng)估方法，所述方法包括以下步驟：

a.確定特征量：

選擇六個(gè)特征參量作為評(píng)價(jià)復(fù)合絕緣子老化程度的特征量，分別為硬度、憎水性、表面缺陷面積、Si-O-Si基團(tuán)對(duì)應(yīng)的紅外吸收峰值、陷阱電荷量和閃絡(luò)電壓，其中，憎水性由靜態(tài)接觸角表示，表面缺陷面積為裂紋面積與析出物面積之和；

b.使用切片器從目標(biāo)復(fù)合絕緣子傘裙表面切下圓片型高溫硫化硅橡膠試樣；

c.利用邵氏硬度計(jì)、掃描電鏡、傅里葉紅外光譜分析儀、熱刺激電流測(cè)量?jī)x和指型電極分別測(cè)量高溫硫化硅橡膠試樣的硬度、表面缺陷面積、Si-O-Si基團(tuán)對(duì)應(yīng)的紅外吸收峰值、陷阱電荷量和閃絡(luò)電壓，并采用靜態(tài)接觸角法測(cè)量試樣的憎水性；

d.量化原始特征量：首先對(duì)各種方法所測(cè)得的特征參量進(jìn)行歸一化處理，其中，表面缺陷面積的歸一化處理公式為：其余特征參量的歸一化處理公式為：然后根據(jù)每個(gè)歸一化的特征參量值，對(duì)目標(biāo)復(fù)合絕緣子進(jìn)行老化程度的打分，得到與各個(gè)特征參量相對(duì)應(yīng)的老化程度分值；

e.評(píng)估試樣老化程度：設(shè)定各特征參量的權(quán)重，對(duì)試樣的六個(gè)特征參量所對(duì)應(yīng)的老化程度分值進(jìn)行加權(quán)求和，得到表征復(fù)合絕緣子老化程度的綜合特征量，最后根據(jù)綜合特征量的大小與老化程度等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系判定目標(biāo)絕緣子的老化程度。

上述運(yùn)行中的復(fù)合絕緣子老化程度的多維參量評(píng)估方法，評(píng)估試樣的老化程度時(shí)，也可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)估，具體方法為：

采集多個(gè)老化程度已知的高溫硫化硅橡膠樣本，獲取樣本的歸一化特征參量值，組成訓(xùn)練樣本集，利用訓(xùn)練樣本集對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，然后利用訓(xùn)練的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)高溫硫化硅橡膠試樣的老化程度進(jìn)行評(píng)估。

上述運(yùn)行中的復(fù)合絕緣子老化程度的多維參量評(píng)估方法，各特征參量的權(quán)重設(shè)定為：硬度：0.2，憎水性：0.4，表面缺陷面積：0.4，Si-O-Si基團(tuán)對(duì)應(yīng)的紅外吸收峰值：0.6，陷阱電荷量：1，閃絡(luò)電壓：0.4。

上述運(yùn)行中的復(fù)合絕緣子老化程度的多維參量評(píng)估方法，根據(jù)每個(gè)歸一化的特征參量值，對(duì)目標(biāo)復(fù)合絕緣子進(jìn)行老化程度打分的具體方法為：

將每種歸一化特征參量的取值范圍分為多個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間給定一個(gè)數(shù)值，絕緣子的老化程度越高，對(duì)應(yīng)的數(shù)值也越大；某歸一化特征參量值所在區(qū)間的給定數(shù)值即為該特征參量所對(duì)應(yīng)的老化程度分值。

上述運(yùn)行中的復(fù)合絕緣子老化程度的多維參量評(píng)估方法，所述圓片型高溫硫化硅橡膠試樣的規(guī)格有兩種，測(cè)量陷阱電荷量時(shí)所用試樣的直徑為20mm，厚1.3mm，測(cè)量其它特征參量時(shí)所用試樣的直徑為20mm，厚度為3mm。

上述運(yùn)行中的復(fù)合絕緣子老化程度的多維參量評(píng)估方法，利用邵氏硬度計(jì)測(cè)量高溫硫化硅橡膠試樣的硬度時(shí)，將兩片高溫硫化硅橡膠試樣疊放后測(cè)量5次，將5個(gè)測(cè)量值的中位數(shù)作為高溫硫化硅橡膠試樣的硬度值。

上述運(yùn)行中的復(fù)合絕緣子老化程度的多維參量評(píng)估方法，所述指型電極的放電端為半圓形，其半徑為8mm，利用指型電極測(cè)量高溫硫化硅橡膠試樣的閃絡(luò)電壓時(shí)，兩指型電極間距離為10mm，將制備好的試樣放置在兩指型電極中央，在兩指型電極之間施加電壓，施加電壓的梯度為1kV，在施加電壓過(guò)程中對(duì)試樣的沿面閃絡(luò)電壓進(jìn)行測(cè)量，每片試樣進(jìn)行5次閃絡(luò)電壓的測(cè)量，相鄰兩次測(cè)量之間間隔10min，將5次測(cè)量值的平均值作為高溫硫化硅橡膠試樣的閃絡(luò)電壓。

本發(fā)明將復(fù)合絕緣子傘裙材料的微觀電特性及微觀物化特性與宏觀特性相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合絕緣子老化程度的綜合評(píng)估。該方法避免了傳統(tǒng)評(píng)估方法的片面性，從而保證了評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性。

附圖說(shuō)明

圖1是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

本方法是將多種老化評(píng)估方法按照不同權(quán)重綜合考慮來(lái)評(píng)估運(yùn)行復(fù)合絕緣子的老化程度，不僅能夠?qū)⒉牧衔⒂^性能和宏觀性能結(jié)合起來(lái)考慮材料的老化程度，而且可以給出定量的判別結(jié)果，保證了評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性。本專(zhuān)利的特點(diǎn)是將6種老化程度評(píng)級(jí)指標(biāo)根據(jù)其之間的內(nèi)在聯(lián)系，以及對(duì)老化的影響程度不同，分為不同權(quán)重綜合評(píng)估絕緣子老化程度，并給出了適用于評(píng)估各種運(yùn)行復(fù)合絕緣子的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。單一因素評(píng)估指標(biāo)評(píng)估復(fù)合絕緣子的局限性在于：

硬度指標(biāo)：硬度是硅橡膠材料的宏觀物理性能，硅橡膠運(yùn)行過(guò)程中，表面受到老化因素的影響，材料會(huì)先發(fā)生過(guò)度交聯(lián)，發(fā)生硬化現(xiàn)象，使得硬度上升，隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)，電暈老化使得材料化學(xué)鍵不斷被打斷，硝酸不斷腐蝕材料表面，使得材料表面出現(xiàn)裂紋、粉化等現(xiàn)象，造成硬度下降，因此，硬度隨著運(yùn)行年限的增加呈現(xiàn)先上升后減小的趨勢(shì)，導(dǎo)致很難區(qū)分材料的老化狀態(tài)。

憎水性：影響復(fù)合絕緣子性能的主要因素是憎水性的喪失與否，憎水性的破壞更是絕緣子老化的重要特征。材料表面的憎水性是由于硅橡膠側(cè)鏈的非極性基團(tuán)屏蔽了主鏈的強(qiáng)極性作用，使得材料表面憎水性增強(qiáng)，運(yùn)行復(fù)合絕緣子隨著運(yùn)行年限的增加，側(cè)鏈甲基基團(tuán)被打斷，憎水性會(huì)降低，但同時(shí)會(huì)生成LMW小分子，LMW遷移到材料表面，使得憎水性相對(duì)增加，因此，憎水性也不能準(zhǔn)確評(píng)估材料的老化狀態(tài)。

SEM：掃描電鏡適用于觀察材料的表面形貌變化，其測(cè)試結(jié)果能夠表征硅橡膠材料表面的物理缺陷，隨著運(yùn)行年限的增加，材料表面生成大量絮狀物、裂紋和孔洞，其測(cè)試結(jié)果僅能定性分析材料的老化狀況，并且受主觀判斷影響很大，很難給出準(zhǔn)確的定量的評(píng)估結(jié)果。

FTIR：傅里葉紅外光譜測(cè)試適用于分析材料表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化，其測(cè)試結(jié)果僅能夠表征硅橡膠材料表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)缺陷，復(fù)合絕緣子在運(yùn)行過(guò)程中，由于放電粒子的撞擊將導(dǎo)致材料化學(xué)鍵的斷裂和活性基團(tuán)的生成，表現(xiàn)在FTIR上為甲基基團(tuán)和Si-O-Si基團(tuán)等特征基團(tuán)的下降，-OH活性基團(tuán)的增加。但其不能夠表征材料受到物理撞擊等機(jī)械作用導(dǎo)致的物理缺陷。

TSC:熱刺激電流測(cè)試是材料的微觀電性能。能夠體現(xiàn)由于材料物化缺陷而導(dǎo)致的陷阱特性，這些陷阱可以捕獲載流子使其積累，使得局部場(chǎng)強(qiáng)畸變，導(dǎo)致固體介質(zhì)表面可能發(fā)生閃絡(luò)，加劇材料老化性能。盡管TSC測(cè)試可以反映材料的物理和化學(xué)缺陷，但TSC測(cè)試的重復(fù)性很差，一方面由于電介質(zhì)試樣與電極接觸及其界面的影響，如果兩次試驗(yàn)載流子注入的電極與試樣接觸不同(接觸勢(shì)壘、電極面積、雜質(zhì)污染、界面態(tài))，那么在同樣條件下注入載流子的數(shù)量及其分布就可能不同，對(duì)陷阱的填充也就不同，導(dǎo)致陷阱電荷的分布和內(nèi)電場(chǎng)的不同，因而所引起的熱刺激過(guò)程也就不同。另一方面，材料所經(jīng)歷的熱歷史以及吸收的水分、雜質(zhì)等都會(huì)改變其物理或化學(xué)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變陷阱狀態(tài)。因此，不能僅利用TSC測(cè)試技術(shù)評(píng)估運(yùn)行復(fù)合絕緣子的老化狀態(tài)。

閃絡(luò)電壓：閃絡(luò)電壓作為衡量硅橡膠電氣性能的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，是絕緣材料宏觀電特性的體現(xiàn)，但其由于受環(huán)境影響及材料表面狀態(tài)的影響很大，試驗(yàn)結(jié)果分散性和誤差均較大，僅將其作為評(píng)估復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)的手段，失去了試驗(yàn)的真實(shí)準(zhǔn)確性。

因此，在判斷復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)時(shí)，若將上述6種方法按照一定權(quán)重綜合評(píng)估材料的老化程度，將是一種準(zhǔn)確度高行之有效的手段。

以下結(jié)合實(shí)例具體闡述運(yùn)行中的復(fù)合絕緣子老化程度的多維參量評(píng)估方法的具體內(nèi)容。

1.確定特征量：試樣硬度采用邵氏硬度，憎水性以靜態(tài)接觸角進(jìn)行表征，表面缺陷面積采用裂紋面積與析出物面積之和，根據(jù)FTIR光譜圖特征鍵的相對(duì)變化率，確定Si-O-Si基團(tuán)對(duì)應(yīng)的吸收峰，由于陷阱電荷量更能定量反應(yīng)材料的陷阱特性，確定熱刺激電流(TSC)以陷阱電荷量作為特征量。

2.采集試樣：使用切片器從掛網(wǎng)運(yùn)行過(guò)的待評(píng)估復(fù)合絕緣子傘裙表面切下圓片型高溫硫化硅橡膠試樣，直徑為20mm，厚度3mm。

3.硬度試驗(yàn)：硬度計(jì)為邵氏硬度計(jì)，將兩片硅橡膠疊加后厚度為6毫米，然后測(cè)試其硬度5次，取5次測(cè)量結(jié)果中位數(shù)。

4.表面缺陷面積和紅外吸收峰值的測(cè)試：利用掃描電鏡(SEM)和傅里葉紅外光譜(FTIR)儀進(jìn)行硅橡膠材料的物化結(jié)構(gòu)分析，觀察其表面形貌和Si-O-Si基團(tuán)峰值變化。

5.憎水性試驗(yàn)：采用靜態(tài)接觸角法測(cè)量憎水角，每個(gè)試樣測(cè)量5次，取其平均值。

6.熱刺激電流(TSC)試驗(yàn)：使用專(zhuān)門(mén)的切片機(jī)對(duì)圓形試樣進(jìn)行切片，得到用于TSC試驗(yàn)的直徑為20mm，厚1.3mm的圓形薄片試樣，通過(guò)熱刺激電流技術(shù)測(cè)試陷阱電荷量。

7.沿面閃絡(luò)試驗(yàn)：采用指型電極，電極半徑為8mm，電極間距離為10mm。將制備好的試樣放入指型電極中央，對(duì)其施加電壓，施加電壓的梯度為1kV。在施加電壓過(guò)程中對(duì)沿面閃絡(luò)電壓進(jìn)行測(cè)量。每片試樣進(jìn)行5次閃絡(luò)試驗(yàn)，每次試驗(yàn)間隔10min，閃絡(luò)電壓取5次的平均值。

8.量化原始特征量：各測(cè)試方法所測(cè)得結(jié)果參量的單位不一致，不同參量之間數(shù)值差別較大，為了便于建立復(fù)合絕緣子的微觀性能評(píng)估系統(tǒng)，因此對(duì)各種方法所測(cè)結(jié)果參量進(jìn)行歸一化處理。表面缺陷面積的歸一化處理公式為：其余特征參量的歸一化處理公式為：然后根據(jù)表1給出的老化程度打分信息對(duì)各特征量進(jìn)行打分。

表1老化程度打分信息

9.評(píng)估試樣老化程度：根據(jù)微觀電特性和宏觀特性的聯(lián)系，各老化特征量的重要程度不同，因而在老化評(píng)估中其所占權(quán)重不同。微觀物化特性決定了宏觀物理特性及電特性，鑒于此，將微觀物化特性所測(cè)結(jié)果，即掃描電鏡(SEM)和傅里葉紅外光譜(FTIR)測(cè)試結(jié)果的權(quán)重之和初定位1。SEM中可以觀察到顆粒物生成及裂紋等缺陷形成，F(xiàn)TIR中反映了材料化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化?？紤]到FTIR易于量化，且SEM圖像中觀察到的大顆粒，在FTIR測(cè)試結(jié)果中可以找到分子鍵斷鏈和新鍵的生成，故FTIR測(cè)試結(jié)果的權(quán)重大于SEM。初步將FTIR的測(cè)試結(jié)果和SEM的測(cè)試結(jié)果權(quán)重設(shè)置為0.6、0.4。硬度的變化主要原因在于其氫氧化鋁等的含量；憎水性的變化由微觀物理特性和微觀化學(xué)特性共同影響，即掃描電鏡(SEM)和傅里葉紅外光譜(FTIR)測(cè)試結(jié)果共同影響，由于FTIR中化學(xué)結(jié)構(gòu)以Si-O-Si基團(tuán)峰值為基準(zhǔn)，因此憎水性的權(quán)重設(shè)定比FTIR測(cè)試結(jié)果小。憎水性影響沿面閃絡(luò)電壓，考慮憎水性測(cè)試結(jié)果的權(quán)重為0.4，閃絡(luò)電壓為0.4，硬度的權(quán)重為0.2。TSC中陷阱能級(jí)的加深原因在于內(nèi)部缺陷的增多，即裂紋的形成及新的化學(xué)基團(tuán)的生成，而FTIR中化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化并非均能引起陷阱能級(jí)的加深，故將TSC測(cè)試結(jié)果權(quán)重設(shè)置為與SEM和FTIR之和大體相當(dāng)，考慮TSC測(cè)試結(jié)果的權(quán)重為1。

對(duì)試樣的六個(gè)特征參量所對(duì)應(yīng)的老化程度分值進(jìn)行加權(quán)求和，得到表征復(fù)合絕緣子老化程度的綜合特征量，根據(jù)綜合特征量的大小與老化程度等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系判定目標(biāo)絕緣子的老化程度。

試樣老化程度也可以利用圖1所示的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)估，具體步驟為：

a.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練：

1)在Matlab中創(chuàng)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),可以用newff函數(shù)創(chuàng)建也可以在Network/Data manager界面創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)。

2)將試樣特征量x1～x6和試樣輸出量y賦值input和output。

3)設(shè)置模型參數(shù)：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)三層網(wǎng)絡(luò)：輸入層-隱藏層-輸出層，隱藏層中神經(jīng)元數(shù)目的選定一般是通過(guò)不斷的改進(jìn)得到，通過(guò)比較誤差和輸入結(jié)果等綜合考慮而得，選用10個(gè)神經(jīng)元，因此選定其隱含層神經(jīng)元為10個(gè)，隱藏層的權(quán)值由系統(tǒng)隨機(jī)設(shè)定，初始權(quán)值是(-1,1)之間的隨機(jī)數(shù)，在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，神經(jīng)元所采用的激活函數(shù)必須是處處可導(dǎo)的，大多數(shù)設(shè)計(jì)者選擇使用S型函數(shù)，在這里可以采用tansig’和‘purline’函數(shù)。最大訓(xùn)練次數(shù)設(shè)定為5000次，誤差精度設(shè)定為10^-2。

將訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)起來(lái)，方便測(cè)試試樣時(shí)調(diào)用。

對(duì)某地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)十余串復(fù)合絕緣子的老化特性進(jìn)行測(cè)量，對(duì)TSC、FTIR、SEM、憎水性、硬度、閃絡(luò)電壓測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了量化和打分，結(jié)果分別為：2、3、2、1、1和1，將試樣特征參量x1～x6(2、3、2、1、1、1)輸入已訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得出對(duì)應(yīng)的輸出y＝10，因此可判斷該試樣為中度老化試樣，符合試樣主觀判斷結(jié)果。