關于復合絕緣子老化壽命預期的研究

郭祎珅 ，關煥新，劉 剛，朱義東，鄭維剛

(1.沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

20世紀50年代，部分發達國家開始研究和使用復合絕緣子，其傘裙和護套采用三元乙丙橡膠、聚四氟乙烯和混合橡膠等材料。70年代后，這些國家出現了以硅橡膠為外絕緣材料的絕緣子，復合絕緣子技術被認可并逐漸發展起來。中國在20世紀80年代初開始使用復合絕緣子，盡管起步比較晚，但發展十分迅速，目前已經在大部分污穢嚴重地區和許多新建輸電線路上廣泛使用。目前，國內外對復合絕緣子老化狀態評估還沒有統一標準，老化狀態評估方法多種多樣，各有其優缺點，難以形成統一的老化指標。遼寧省區域掛網運行絕緣子老化情況的系統性研究較少，沒有大量集中地區的運行中絕緣子的抽檢數據。特別是針對遼寧地區獨特的氣候、環境特點下，不同復合絕緣子老化狀態的研究則更少。2011年以來，國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院針對送檢的300多支復合絕緣子系統性進行憎水性試驗、機械性能試驗、電氣性能試驗和外觀檢查試驗，發現絕緣子存在傘裙破損、脆化現象，部分絕緣子護套出現孔隙或破損，甚至有的絕緣子的芯棒腐蝕嚴重[1]。因此，調查、總結遼寧省輸電線路復合絕緣子的使用情況及老化規律，對投運年代不同、使用地區不同、氣象條件不同的絕緣子，根據型號進行分類和評估，以多年數據為基礎，結合算法形成數學模型，評估遼寧省內線路復合絕緣子的壽命，對提高電網安全運行具有重要意義。

1 復合絕緣子試樣試驗

1.1 復合絕緣子試驗選型

分析復合絕緣子劣化問題時，也需考慮復合絕緣子劣化的外部影響因素，包括電場分布、運行外部環境、制造加工工藝、運行時間等，并盡量增加樣本數量，類型覆蓋全面，并依據DL/T 864—2004 《標稱電壓高于 1 000 V 交流架空線路用復合絕緣子使用導則 》標準進行試驗，共計選取308支復合絕緣子。

1.2 復合絕緣子選型情況

對所抽樣的復合絕緣子均進行外觀檢查、憎水性測量，按比例進行污穢度測量、陡波沖擊電壓試驗和機械破壞試驗。各試驗項目檢測的絕緣子數量見表1。

表1 試驗數量情況表

1.3 試驗結果分析

a.外觀檢查情況

抽樣絕緣子絕大部分表面良好，傘裙少量絕緣子存在傘裙破損、脆化情況[2]。傘群撕裂情況與污穢測試未發現明顯相關性，從破壞外觀看，8年以內的絕緣子傘裙破壞主要是機械力造成，如施工踩踏、運輸擠壓等，不屬于正常劣化缺陷，而15年以上的絕緣子從斷面和傘裙變脆變硬的情況看，屬于劣化造成[3]。

b.污穢度測量

復合絕緣子鹽密測量結果介于0.09～0.48 mg/cm2。部分絕緣子積污十分嚴重，大部分面積都被水泥結垢覆蓋。運行時間較長的絕緣子，明顯較運行時間短的絕緣子整體污穢度略高。平均污穢度測試結果見表2。

表2 平均污穢度測試結果 mg/cm2

c.憎水性分析

從檢測結果來看，位于重度水泥、電熔鎂粉塵污染嚴重的地區，傘裙憎水性下降更加明顯，較沿海等地的憎水性低1～2個級別。各電壓等級所抽檢絕緣表面憎水性分布在HC2—HC5級。平均憎水性測試結果見表3。

表3 平均憎水性測試結果

d.陡波沖擊試驗

共對18支絕緣子進行了陡波沖擊試驗，波形陡度約為1 200 kV/μS,試驗中未出現絕緣內部擊穿。66 kV絕緣子選取上下兩處分別進行正、負陡波沖擊，220 kV絕緣子和500 kV絕緣子分別選取3處進行正負陡波沖擊試驗。絕緣子試驗中未出現界面擊穿或絕緣內部擊穿。

e.機械破壞負荷試驗

對66 kV、220 kV和500 kV的21支絕緣子進行機械破壞負荷試驗，少量絕緣子進行滲透性試驗，機械破壞負荷能夠超過設計破壞值。

運行數據及試驗中發現，部分廠家的金具與芯棒利用楔形壓接結構的絕緣子，出現不足額定拉力斷裂的情況，反映出結構與機械載荷承載關系密切。

2 BP神經網絡分析

BP(back propagation)神經網絡，是一種按照誤差逆向傳播算法訓練的多層前饋神經網絡，因其具有非常強的非線性映射能力，因而得到廣泛應用[4]。在工程和技術領域經常遇到這樣問題：積累了大量的輸入輸出數據，卻無法知道各數據之間的相互關系和規律，無法用常規的數學方法描述，缺乏專家經驗，而BP神經網絡恰好能解決這一問題[5]。還因其具有很好的容錯能力和泛化能力，允許樣本中出現異常數據，同時不影響全局的規律；能對新的數據正確映射，得出正確的預測結果。

圖1 BP神經網絡的結果分析圖

從圖1可知，Input為憎水性、使用年限和外觀檢查3項的歸一化數據，通過樣本數據對神經網絡進行訓練，形成初始神經網絡模型。

對試驗數據進行分析，不斷對神經網絡進行修改和重置，來提高其準確性。訓練數據的梯度和均方誤差之間的關系如圖2所示。增加學習次數，能夠進一步提高其模型準確性，驗證數據的梯度與學習次數如圖3所示；各種樣本回歸系數如圖4所示。

圖2 訓練數據的梯度和均方誤差之間的關系圖

圖3 驗證數據的梯度與學習次數

圖4 各種樣本回歸系數

依次是訓練樣本、驗證樣本、測試樣本和全部樣本的回歸系數，越接近1越好，即2根線越接近越好，如表2所示。

通過預測數據來分析神經網絡模型的準確性，可以看到實際曲線和預測曲線基本重合，驗證了BP神經網絡模型的準確性。

表5 試驗與預測對比

3 結束語

本文利用試驗數據與多因素統計分析的方法，對絕緣子壽命因素進行逐一分析，結果表明，運行年限、運行環境和制造工藝是影響劣化的重要因素。通過建立復合絕緣子老化狀態與工藝、運行環境、年限等數學關系模型，利用BP神經網絡分析研究復合絕緣子壽命預期，預測復合絕緣子損壞風險，減少復合絕緣子故障的發生。通過統計和試驗驗證可以看出，國產絕緣子在正常設計、制造、使用和維護下，平均使用壽命約為20年，通過檢測外觀、憎水性、傘裙脆化程度是否存在孔洞缺陷等，經分析認為，應逐步淘汰使用15年以上的復合絕緣子。