電力機車用復合絕緣子運行性能及使用壽命預測方法概述

陳玉芬，張金成，李敬玉

(中車大同電力機車有限公司，山西 大同 037038)

硅橡膠復合絕緣子以其質量輕、機械強度高、憎水性和憎水遷移性強，耐污閃電壓高、安裝維護方便等優勢，廣泛應用于電網、電力機車、電動車組等。電力機車用復合絕緣子是受電弓、高壓母線、真空斷路器、高壓隔離開關等高壓網側設備的支撐裝置，復合絕緣子在運行過程中受電氣、機械和環境因素等各種因素的綜合作用，隨運行時間增長會出現憎水性下降、傘裙變色、變硬、變脆、粉化、開裂、漏電起痕或蝕損、不明原因閃絡放電等現象，其在運行環境等因素下的老化失效問題直接影響電力機車運行可靠性。本文以受電弓支撐絕緣子、高壓母線支撐絕緣子為研究對象，對運行中復合絕緣子的老化因素和作用機理進行分析、性能檢測。根據復合絕緣子運行環境、運行工況的不同，對復合絕緣子進行大規模抽樣，重點對復合絕緣子的外觀狀態、電氣性能、憎水性能、老化性能等運行性能及使用壽命預測方法進行研究。通過對試驗結果、試驗數據的分析，綜合提出電力機車用復合絕緣子老化性能判據，掌握絕緣子性能現狀，并提出一種電力機車用復合絕緣子使用壽命預測方法。

1 產品結構功能分析

1.1 復合絕緣子

電力機車車頂絕緣子是用來支撐受電弓及高壓母線并使其絕緣的部件，機車車頂上的受電弓支撐絕緣子和高壓母線支撐絕緣子全部采用復合絕緣子，絕緣子外形見圖1。

圖1 復合絕緣子外形

1.2 復合絕緣子結構分解

車頂復合絕緣子是由芯棒，上下連接法蘭以及硅橡膠傘裙外套組成(圖2)，芯棒采用高強度環氧玻璃纖維引拔棒作為產品的內絕緣及主要支撐部件，上下連接法蘭采用鑄鋁、鑄鋼或不銹鋼材料；芯棒及法蘭包覆具有良好電氣性能的高溫硫化硅橡膠傘裙外套來承擔產品的外絕緣。

圖2 復合絕緣子結構圖

2 產品可靠性影響因素分析

電力機車車頂復合絕緣子的主要功能為支撐受電弓及高壓母線，保證其電氣間隙及爬電距離。影響產品可靠性的部件主要為硅橡膠傘裙外套，傘裙外套在運行過程中受電氣、機械和環境因素等各種因素的綜合作用，隨運行時間增長會出現憎水性下降、傘裙變色、變硬、變脆、粉化、開裂、漏電起痕或蝕損、不明原因閃絡放電等現象。研究復合絕緣子產品可靠性，主要研究其硅橡膠傘裙外套的絕緣性能。

2.1 復合絕緣子老化類型

復合絕緣子外絕緣材料主要是高溫硫化硅橡膠，是一種以線性的鏈結數在5 000～10 000個硅氧烷鏈接的有機硅氧烷生膠，添加各種配合劑如補強填料、結構控制劑、阻燃劑、著色劑等，再通過硫化劑進行交聯反應后得到的一種三維立體網狀結構的彈性體[3]。

復合絕緣子老化類型根據老化因素來源的不同，一般可將老化分為物理老化、化學老化和電老化3種情況。

2.1.1 物理老化

引起物理老化的因素有紫外線輻照、局部高溫以及應力疲勞等。物理老化對硅橡膠的力學性能、憎水性和電化學性能都有一定程度的影響。

紫外線老化的特點為：

(1)紫外線是通過切斷硅橡膠的側鏈并發生交聯反應來加速老化，但對主鏈幾乎無影響；

(2)在紫外線老化的初期性能劣化較為顯著，但經一段時間后其性能劣化趨于平緩；

(3)隨著紫外線照射時間的增加，硅橡膠的拉伸強度、斷裂伸長率、殘余變形量均呈現波動式的降低，表面邵氏硬度先減小后增加，體積電阻率隨照射時間的延長而減小，擊穿場強、漏電起痕性能先下降后有小幅回升，憎水性能呈下降趨勢[1]。

局部高溫老化的特點為：

(1)局部高溫通常會引起高分子材料內部結構的變化，并加速高分子材料的老化；

(2)大部分情況下，熱老化發生的是側鏈氧化、側鏈的熱分解等反應，同時也能導致硅橡膠的主鏈斷裂；

(3)熱老化可使材料變硬、變脆、彈性變差，拉伸強度和撕裂強度降低。

應力疲勞老化的特點為：

機車運行時，絕緣子傘裙發生高頻大幅振動，該振動令傘裙根部發生嚴重的應力集中。在長時間的載荷作用下，傘裙根部處于應力集中疲勞狀態，進而產生微裂紋，并逐漸擴展為深度裂紋，最終導致傘裙撕裂。

2.1.2 化學老化

引起硅橡膠化學老化的因素有酸堿、臭氧以及氮化物等，空氣中的高濕度會加重硅橡膠的臭氧老化，化學老化會對硅橡膠的主鏈、側鏈產生不同程度的破壞，對材料的憎水性、電學性能、力學性能均影響較大。

2.1.3 電老化

在高壓輸變電線路中運用的絕緣子，由于其運行環境處于110 kV及以上的特高壓電場下，電老化是絕緣子主要老化形式，電老化過程最復雜，往往伴有物理老化及化學老化。但電力機車用復合絕緣子運行于25 kV電壓下，相對而言受電老化影響較小[2]。

目前電力行業輸電線路用絕緣子老化研究類論文較多，關于復合絕緣子安全服役壽命的預測模型，分別有通過硅橡膠加速熱老化試驗外推，以及基于聚合物電老化壽命和基于大量實例統計的經驗公式等，但與實際結果尚有一定程度的誤差[3]。目前無多老化因素的加速老化試驗，另外電力行業絕緣子處于靜止狀態，環境變化相對單一，電力機車絕緣子受行車速度、運行范圍影響，老化特性更加復雜，要基于以上試驗數據建立復合絕緣子的老化模型的難度較大[4]。

本文從基于運行數據的可靠性評估計算及基于試驗數據的模糊神經網絡模型預測兩方面進行電力機車用復合絕緣子壽命評估。

3 基于運行數據的可靠性評估

3.1 絕緣子運行數據統計原則

運行數據(即故障數據)是可靠性數據中的重要部分，它是對部件故障時狀況的描寫，例如故障發生時部件的工作時間，發生故障的現象及原因，故障后對部件及其上層系統造成的影響。

部件現場運行發生的故障可分為責任故障和非責任故障，根據合同(或協議)規定，在該研制或生產部門責任范圍內發生的故障稱為責任故障，不在該研制或生產部門責任范圍內發生的故障稱為非責任故障。

經統計，截至目前絕緣子未發生過責任故障，故機車走行公里即為絕緣子截尾數據。絕緣子無失效數據記錄，根據可靠性評估方法，采用無失效數據的可靠性評估方法對絕緣子進行可靠性評估。

3.2 無失效數據的可靠性評估

設T為產品的假設壽命，τ為給定的截尾試驗時間，定義觀測示性特征量δi為：

(1)

式中：Ti——第i個產品的假設壽命；

τi——第i個產品給定的截尾試驗時間。

則在截尾試驗下，能夠觀測到的試驗數據為：

Z=(t1，δ1，…，tn,δn)

(2)

式中：tn——第n個產品的壽命；

Z——觀測到的截尾試驗數據。

在產品無故障時，δi=0(i=1,…,n)，則

Z0=(t1,0,…,tn,0)

(3)

式中：Z0——產品無故障時的截尾試驗數據。

這種定時截尾試驗可看作逐次定時截尾試驗。利用T的累積故障函數F(t;θ)和可靠度函數R(t;θ)，可得到無故障數據情形下的似然函數，即：

(4)

則無故障情形下，g(θ)(θ的廣義實值函數)的置信度為1-α的最優置信下限y*(Z°)，可由下式計算：

(5)

式中：θ——平均壽命；

Θ——θ的取值空間；

ti——第i個產品的壽命，ti=min(Ti,τi)，i=1,2,…,n；

α——顯著性水平。

式(5)適用于常見的壽命分布，根據這一理論可以處理在已知壽命類型產品在定時截尾試驗無故障數據情形下的可靠性或可靠性壽命的置信下限。則當壽命服從指數分布時，平均壽命θ在1-α置信度下的最優置信下限θL為：

(6)

(7)

可靠度R(t)在1-α置信度下的最優置信下限RL(t)為：

(8)

當給定可靠度為R時，可靠壽命tR在1-α置信度下的單側置信下限tR.L為：

(9)

此次統計得到的絕緣子截尾數據共有1 284個，得出絕緣子在給定走行公里下的可靠度置信下限曲線如圖3所示，絕緣子在給定可靠度下的可靠壽命置信下限曲線如圖4所示。不同置信度下可靠壽命置信下限計算結果見表1。

圖3 給定走行公里下的可靠度置信下限曲線

圖4 給定可靠度下的可靠壽命置信下限曲線

由表1可知，采用無失效數據可靠性評估法得出的0.95置信度及0.95可靠度下的可靠壽命置信下限計算結果約為2 000萬km，與實際機車絕緣子運行至240萬km需進行全部更換的事實偏離很大。

表1 不同置信度下可靠壽命下限計算結果

4 基于試驗數據的模糊神經網絡模型預測

基于試驗數據的模糊神經網絡模型預測，即針對絕緣子產品老化影響因素，結合其物理特性作用機理的復雜性，采用基于數據的系統辨識方法進行建模。

首先需對絕緣子老化壽命關鍵因素進行篩選，通過對運行至C6修的絕緣子進行試驗數據統計分析，得出以下結論。

(1)絕緣子整體試驗：拉伸試驗、彎曲試驗、雷電沖擊試驗和干工頻耐壓試驗均能符合標準要求；干工頻閃絡電壓與新產品相比有少許下降；憎水性能下降明顯，與絕緣子外觀狀態大致一致，偶有產品憎水性能不符合標準要求。

(2)絕緣子傘套試驗：傘套硬度試驗和耐漏電起痕試驗偶有產品不能滿足標準。拉伸試驗、彎曲試驗、雷電沖擊試驗和干工頻耐壓試驗的試驗結果為“是”或“否”，不是具體數值，數據可比性差；傘套硬度試驗和耐漏電起痕試驗雖然試驗結果為具體數值，但需對絕緣子破壞后取標準樣件試驗，樣本可獲得性差。綜合考慮試驗對產品的破壞性、試驗樣本的可獲得性及試驗結果數據的可比性，選取外觀狀態、憎水性、干工頻閃絡3個特性作為模型輸入量，絕緣子的老化狀態作為輸出量進行運算建模。然后以電力機車運行至C6修的絕緣子作為試驗對象，剔除異常數據并對原始數據進行標準化預處理，得到100組數據，其中80組作為訓練樣本，20組作為測試樣本。

模糊神經網絡融合了模糊推理的知識表達能力和神經網絡的自學習能力，在系統辨識和模式識別領域有廣泛的引用。利用模糊神經網絡建立絕緣子老化壽命預測模型，可以有效地模擬預測絕緣子的老化狀態[5]。

由于用于絕緣子老化性能預測的模糊神經網絡其目的是尋找各種影響因素與老化狀態之間的相關規律，以實現預測，因此本文選取前向模糊神經網絡，通常一個前向模糊神經網絡由輸入層、模糊化層、模糊推理層、去模糊化層和輸出層5層組成，其拓撲結構如圖5所示。

圖5 前向模糊神經網絡拓撲結構圖

(1)輸入層。

輸入層的作用是將輸入值傳送給模糊化層中的模糊單元，將輸入值轉換為一定的模糊度，輸入層由多個節點組成，其在此模型中輸入節點對應影響絕緣子老化狀態的因數，如外觀狀態(x1)、干工頻閃絡(x2)、憎水性(x3)等。

(2)模糊化層。

模糊化層是對模糊信息進行預處理的網層，提供可供概括化的相互連接與處理，這里選用三角函數作為模糊化函數，其表征的輸入模糊關系為：y1=f(x1)，例如對絕緣子外觀狀態而言，指標劃分為3個等級，即：

(10)

同理，將其他指標進行劃分，結果如表2所示。

表2 絕緣子性能指標

(3)模糊推理層。

(4)去模糊化層。

去模糊化層接收經中間層處理的數據，并按照模糊度函數將數據進行非模糊化處理，將推理變量的分布型基本模糊狀態轉化為與網絡輸入值相應的確定狀態的量，即將以“分布值”表示的輸出結果以“確定值”的形式輸出。

(5)輸出層。

根據絕緣子老化狀態的分級標準，把絕緣子老化性能分為3級，分別為合格、一般、不合格。根據輸出層輸出狀態結果，表示絕緣子老化性能，然后由性能參數確定老化等級，從而實現絕緣子的壽命分析。

本文選取電力機車運行至C6修的車頂絕緣子進行相關分析，選取外觀狀態、干工頻閃絡、憎水性3個參數作為網絡的輸入神經元，使用仿真計算將測試樣本的評價指標輸入訓練好的模糊神經網絡，輸出結果如表3所示。

表3 性能預測結果

從表3輸出數值來看，選取的測試樣本老化狀態及性能等級與表2判斷標準一致，該種方法可用于電力機車用復合絕緣子老化性能的評估。

5 結論

運行至C6修的電力機車用復合絕緣子無失效數據記錄，用無失效數據可靠性評估法得出的結論與實際運行至240萬km需全部更換的事實偏離較大。運行至C6修的電力機車用復合絕緣子拉伸試驗、彎曲試驗、雷電沖擊試驗和干工頻耐壓試驗均能符合標準要求，說明在正常環境下仍能正常使用，但干工頻閃絡電壓試驗有少許下降，傘套硬度試驗和耐漏電起痕試驗偶有不符合，憎水性能下降明顯，說明絕緣子硅橡膠傘套發生老化，在雨雪、霧霾等惡劣天氣下的絕緣性能不能保證。用絕緣子外觀、干工頻閃絡電壓值和憎水性能等級作為輸入量，用基于試驗數據的模糊神經網絡模型預測，可用于電力機車用復合絕緣子老化性能的評估。