輸電線路復(fù)合絕緣子傘裙與護套粘接界面強度預(yù)測

摘 要：研究基于輸電線路復(fù)荷絕緣子傘裙與護套粘接界面強度預(yù)測方法，明確復(fù)合絕緣子使用狀態(tài)，使輸電線路更好地進行電力傳輸。以FXBW-110/120-22型復(fù)合絕緣子為例，通過單邊核磁共振傳感器發(fā)射的CPMG脈沖序列，測量復(fù)合絕緣子傘裙與護套粘接界面橫向弛豫時間，并經(jīng)CPMG回波衰減數(shù)據(jù)雙指數(shù)函數(shù)擬合，得到復(fù)合絕緣子傘裙與護套粘接界面強度衰減曲線，從而完成對傘裙與護套粘接界面強度的預(yù)測。實驗結(jié)果表明，該方法利用橫向弛豫時間進行復(fù)合絕緣子傘裙與護套粘接界面強度預(yù)測的靈敏度更高；在低溫、高溫環(huán)境、紫外線照射強度以及灰塵與泥土附著物含量增加的情況下，會導(dǎo)致復(fù)合絕緣子復(fù)合絕緣子等效橫向弛豫時間降低，使傘裙與護套粘接界面強度衰減曲線衰減程度加大，降低傘裙護套粘接界面強度。

關(guān)鍵詞：輸電線路；復(fù)合絕緣子；絕緣子傘裙；絕緣子護套；粘接界面；強度預(yù)測

中圖分類號：TQ437+.6；TM216" " " " " " " " " " "文獻標(biāo)識碼：A" " " " " " " " " " 文章編號：1001-5922（2024）07-0021-04

Prediction of interface strength of composite insulator

umbrella skirt and sheath bonding of transmission lines

REN Yupu1， WANG Shaorong2

（1.University of Glasgow， Glasgow， Scotland， UK. G32；

2.puyang City Green City middle schooll， Puyang 457000，Henan China）

Abstract： Based on the method of predicting the interface strength of the composite insulator umbrella skirt and sheath bonding of the transmission line， the use state of the composite insulator is clarified， so that the transmission line can better carry out power transmission." Taking the FXBW-110/120-22 composite insulator as an example， the lateral relaxation time of the bonding interface between the umbrella skirt and the sheath of the composite insulator was measured using the CPMG pulse sequence emitted by a unilateral nuclear magnetic resonance sensor. The strength attenuation curve of the bonding interface between the umbrella skirt and the sheath of the composite insulator was obtained by fitting the CPMG echo attenuation data with a double exponential function， thus completing the prediction of the bonding interface strength between the umbrella skirt and the sheath. The experimental results showed that this method had higher sensitivity in predicting the bonding interface strength between composite insulator umbrella skirt and sheath using lateral relaxation time. Under the condition of low temperature and high temperature environment， increased UV radiation intensity and dust and soil adhesion contentthe equivalent lateral relaxation time of composite insulators will decrease， resulting in an increase in the attenuation degree of the strength attenuation curve of the umbrella skirt and sheath bonding interface， and a decrease in the strength of the umbrella skirt and sheath bonding interface.

Key words： transmission lines；composite insulators；insulator umbrella skirt；insulator sheath；adhesive interface；" " " " " "strength prediction

復(fù)合絕緣子由傘裙和護套2個主要部分組成［1］，而這2個部分之間的粘接界面強度直接影響到復(fù)合絕緣子的性能和使用壽命。國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對復(fù)合絕緣子傘裙和護套的粘接界面進行了廣泛的研究，如根據(jù)永磁同步電機對復(fù)合絕緣子傘裙與護套的界面強度進行預(yù)測，以此得到復(fù)合絕緣子傘裙與護套的界面強度的預(yù)測結(jié)果，但此方法對于過于復(fù)雜的環(huán)境無法對復(fù)合絕緣子傘裙與護套的界面強度進行準(zhǔn)確的預(yù)測［2］；通過周圍電場強度對復(fù)合絕緣子傘裙與護套的粘接界面強度進行預(yù)測，從而得到相關(guān)的預(yù)測結(jié)果。但是在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，這一方法不適用于在潮濕環(huán)境工作的復(fù)合絕緣子，對于雨水和潮濕的軟化腐蝕，此方法無法進行分析與預(yù)測［3］。

單邊核磁共振傳感器是一種高級的檢測設(shè)備，專門用于分析和解讀物質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和動態(tài)，這種傳感器主要利用核磁共振（NMR）的現(xiàn)象來達到樣本檢測目的［4］。這種傳感器具有高分辨率，可以清晰地呈現(xiàn)出樣本內(nèi)部的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，這對于理解和解析復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵。基于此，本文使用單邊磁共振傳感器對輸電線路負(fù)荷絕緣子傘裙與護套的粘接界面強度進行預(yù)測，以便更加清楚的了解輸電線路負(fù)荷絕緣子傘裙與護套的粘接界面強度參數(shù)，保證輸電線路復(fù)合絕緣子的安全穩(wěn)定運行。

1" "粘接界面強度預(yù)測方法設(shè)計

1.1" "輸電線路復(fù)合絕緣子

本文使用FXBW-110/120-22型復(fù)合絕緣子作為例子，對其傘裙與護套的粘接界面強度進行預(yù)測［5］。絕緣子串的傘裙共有25片，大傘與小傘的直徑分別為142、110 mm，絕緣子的主體除傘裙外，還擁有芯棒、護套與連接金具等部分，具體材料與零件如表1所示。

1.2" "基于單邊磁共振傳感器的粘接界面強

度預(yù)測

1.2.1" "單邊核磁共振傳感器結(jié)構(gòu)

將U型核磁共振傳感器安裝在復(fù)合絕緣子傘裙上，這一類型的傳感器主要由圓柱形永磁體、鐵磁底座、射頻線圈、阻抗匹配電路組成。

（1）永磁體結(jié)構(gòu)。本文使用的是NdFeB圓柱永磁體，利用其建立一個磁場，其強度為B0，并通過無源勻場方法進行優(yōu)化，也就是在將鐵磁材料放置在永磁體的周圍與下方，如圖1所示。

上文所說的目標(biāo)區(qū)域為圖1中的小長方體區(qū)域，其尺寸為，與永磁體表面的距離為2 mm。當(dāng)永磁體的高度與鐵磁底座的總高度分別為10 mm與20 mm時，對永磁體半徑進行調(diào)整并對磁場均勻度的變化進行觀察，從而得到目標(biāo)區(qū)域中的均勻磁場。磁場均勻度：

[U=B-B0B0][×100%]" " " " " " " " " " " " （1）

式中：[B]表示水平線上點的強度。

（2）射頻線圈是由導(dǎo)電材料制成的線圈，通常由銅線或銀線制成。它被設(shè)計成能夠產(chǎn)生強大的射頻磁場，從而能夠在核磁共振成像中激發(fā)復(fù)合絕緣子中的原子核發(fā)生共振。同時，射頻線圈可以接收來自復(fù)合絕緣子的核磁共振信號，并將其傳輸?shù)接嬎銠C進行處理和分析。射頻線圈還具有高分辨率和高靈敏度，可以短時間內(nèi)在核磁共振成像中獲得高質(zhì)量的結(jié)果。

（3）為了確保核磁共振信號的傳輸效率，需要實時調(diào)整射頻線圈的阻抗，使其與后續(xù)信號處理電路相匹配。這就是阻抗匹配電路所需要發(fā)揮的重要功能，即實現(xiàn)射頻線圈與后續(xù)信號處理電路之間的阻抗匹配。

阻抗匹配電路通常由一個或多個射頻變壓器、可調(diào)電阻器、電容器等元件組成［11］。它通過調(diào)節(jié)線圈的電感和電容，改變射頻線圈的阻抗值，使其能夠與信號處理電路相匹配。在單邊核磁共振傳感器中，阻抗匹配電路通常被集成在射頻線圈的設(shè)計中，以便實現(xiàn)更高效的信號傳輸。

1.2.2" "復(fù)合絕緣子傘裙與護套粘接界面強度預(yù)測方法

本文使用CPMG脈沖序列確定橫向弛豫時間［12］。

（1）45°脈沖與90°脈沖的脈沖寬度均設(shè)置為5μs；

（2）45°脈沖與90°脈沖的幅值分別設(shè)置為-17、-11dB；

（3）回波時間的數(shù)值設(shè)置為；

（4）設(shè)置4 000個回波個數(shù)；

（5）設(shè)置重復(fù)時間160[μs]和與其對應(yīng)的延遲時間分別為2.5、1.9 s，使復(fù)合絕緣子的傘裙護套材料的縱向弛豫時間值小于其的4.5倍，這樣可以對縱向磁化強度的恢復(fù)進行保證，從而可以有效避免測量誤差；

（6）將測量掃描的次數(shù)設(shè)置為500次，一次保證信號數(shù)據(jù)的穩(wěn)定與信噪比的提高［13?14］；

（7）每次測量掃描的時間設(shè)置為20 min。

結(jié)合上述分析，結(jié)合以下公式對于CPMG回波衰減數(shù)據(jù)進行擬合處理，得到復(fù)合絕緣子傘裙與護套粘接界面的強度衰減曲線［15］，從而得到相關(guān)的復(fù)合絕緣子傘裙與護套粘接界面的強度預(yù)測結(jié)果：

[yt=Ashorte-tt2，short+Alonge-tt2，long]" " " " " " （2）

式中： [t]為復(fù)合絕緣子傘裙與護套粘接界面的橫向弛豫時間參數(shù)； [t2，short]、[t2，long]分別為復(fù)合絕緣子傘裙與護套的有效橫向弛豫時間； [Ashort]、[Along]分別為復(fù)合絕緣子傘裙與護套的屬性參數(shù)波動幅值。

界面的橫向弛豫時間減小越快，復(fù)合絕緣子傘裙與護套粘接界面的強度衰減越快，表明復(fù)合絕緣子傘裙與護套粘接界面的強度越低，從而得到復(fù)合絕緣子傘裙與護套粘接界面的強度預(yù)測。

2" "實驗結(jié)果與分析

2.1" "單邊磁共振傳感器性能分析

本文采用單邊磁共振傳感器通過對復(fù)合絕緣子傘裙與護套粘接界面使用CPMG脈沖序列進行激勵，從而獲得CPMG脈沖序列與回波信號。CPMG脈沖序列與產(chǎn)生回波信號結(jié)果見圖2。

選取測量復(fù)合絕緣子傘裙與護套粘接界面的靜態(tài)接觸角為對比分析本文方法的優(yōu)勢。使用Attension靜態(tài)接觸角測量儀，該儀器能夠在設(shè)定的測量時間（5～500 s）內(nèi)自動滴下3 μL的水滴，并對水滴與復(fù)合絕緣子表面的接觸角自動進行計算。將測試時的溫度設(shè)置為25 ℃。不同時間下的復(fù)合絕緣子傘裙與護套粘接界面等效橫向弛豫時間與靜態(tài)接觸角變化情況見圖3。

由圖3可知，隨測試時間的增加，等效橫向弛豫時間與靜態(tài)接觸角均呈下降趨勢，其中等效橫向弛豫時間的下降程度更為明顯；說明本文方法對于復(fù)合絕緣子的傘裙與護套的粘接強度的預(yù)測更為準(zhǔn)確與靈敏。

2.2" "耐低溫試驗

將粘接好的復(fù)合絕緣子放入-40 ℃的環(huán)境中，持續(xù)3周，分別對低溫條件下第1周、第2周及第3周的回波數(shù)據(jù)踐行雙指數(shù)擬合，獲得擬合曲線如圖4所示。

由圖4可知，在低溫環(huán)境下，隨著時間的增加，所有擬合參數(shù)均有著不同程度的下降，這表明在低溫環(huán)境下隨著時間的增加，擬合曲線的形狀變得更加陡峭，表明傘裙與護套的粘接強度逐漸降低，長時間的低溫會使復(fù)合絕緣子的性能下降得更快。綜上所述，通過對使用本文方法可以更好地理解復(fù)合絕緣子在低溫環(huán)境下的性能表現(xiàn)和粘接界面強度變化趨勢。

2.3" "紫外線照射實驗

圖5為分別對輕度、中度及重度紫外線照射的絕緣子的回波數(shù)據(jù)踐行雙指數(shù)擬合，并獲得相應(yīng)的擬合曲線。

由圖5可知，在紫外線照射下，復(fù)合絕緣子的材料性能逐漸退化，這表明紫外線強度對復(fù)合絕緣子傘裙與護套粘接界面的強度有所影響，其中重度紫外線照射的復(fù)合絕緣子傘裙與護套粘接界面的強度衰減程度最大，其次為中度，輕度最小。通過本實驗的驗證，同等紫外照射時間下，紫外線照射強度越大，對于復(fù)合絕緣子傘裙與護套粘接界面強度的負(fù)面影響越強。

2.4" "耐高溫實驗

將粘接好的復(fù)合絕緣子加熱至100 ℃，模擬高溫條件，實驗時間為3周，并對其使用CPMG脈沖序列，分別對第1周、第2周及第3周的回波數(shù)據(jù)踐行雙指數(shù)擬合，獲得不同高溫時間下界面CPMG回波數(shù)據(jù)擬合曲線，結(jié)果見圖6。

由圖6可知，隨高溫時間的增加，傘裙與護套粘接界面的強度逐漸下降。在高溫環(huán)境下，復(fù)合絕緣子所使用的材料會逐漸退化，導(dǎo)致其性能下降。當(dāng)溫度升高時，復(fù)合絕緣子材料的分子結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生變化，導(dǎo)致其物理和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。這種變化可能會導(dǎo)致復(fù)合絕緣子的電氣性能下降，影響其絕緣效果。此外，高溫還會加速復(fù)合絕緣子傘裙與護套粘接界面的氧化和老化過程，使其強度逐漸下降。在高溫時間逐漸增加的情況下，擬合曲線的形狀更加陡峭，意味著復(fù)合絕緣子傘裙與護套粘接界面的強度下降得較快，這表明在高溫環(huán)境對復(fù)合絕緣子傘裙與護套粘接界面的強度有著巨大的負(fù)面影響，高溫時間越長，復(fù)合絕緣子傘裙與護套粘接界面的強度降低效果越顯著。

2.5" "耐污實驗

在復(fù)合絕緣子現(xiàn)實使用條件下，長時間在室外進行工作，會有大量污濁附著在其表面，將不同含量灰塵與泥土（1、3和5 g）附著在粘接好的復(fù)合絕緣子上，并對其使用CPMG脈沖序列，分別對不同灰塵與泥土附著含量絕緣子界面的回波數(shù)據(jù)踐行雙指數(shù)擬合，獲得擬合曲線，結(jié)果見圖7。

由圖7可知，隨附著灰塵和泥土的增加，復(fù)合絕緣子傘裙與護套粘接界面強度逐漸下降。這表明，在灰塵和泥土附著物量不斷增強的情況下，復(fù)合絕緣子傘裙與護套粘接界面的強度會下降的更為明顯。界面強度的降低可能意味著復(fù)合絕緣子的性能下降，因此需要對其進行維護或更換。復(fù)合絕緣子的材料主要為聚二甲基硅氧烷（PDSM），當(dāng)復(fù)合絕緣子發(fā)生故障使得復(fù)合絕緣子分子式當(dāng)中的化學(xué)鍵斷裂。

在斷鏈的情況下，材料會在主鏈現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)中添加側(cè)鏈結(jié)構(gòu)，使交聯(lián)密度增加。隨著交聯(lián)密度的增加，復(fù)合絕緣子傘裙與護套粘接界面硬度隨之增大，因此長時間工作的復(fù)合絕緣子會出現(xiàn)粉化的現(xiàn)象。

3" "結(jié)語

輸電線路的運行環(huán)境較為復(fù)雜，包括溫度、濕度、機械載荷等多種因素，這些因素會對復(fù)合絕緣子的傘裙和護套的粘接界面強度產(chǎn)生不利影響。例如在高溫環(huán)境下，復(fù)合絕緣子所使用的材料會逐漸退化，導(dǎo)致其性能下降，其傘裙與護套的粘接界面強度降低；隨著附著灰塵和泥土的增加，復(fù)合絕緣子傘裙與護套粘接界面強度的回波數(shù)據(jù)呈現(xiàn)一定的下降變化趨勢。綜上所述，為了提高粘接界面強度，需要從材料性質(zhì)、粘接工藝、環(huán)境條件等多個方面進行考慮。同時，在設(shè)計和生產(chǎn)過程中需要進行嚴(yán)格的控制和檢測，以保證復(fù)合絕緣子的質(zhì)量和性能。

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