基于红外光谱和泄漏电流的复合绝缘子表面状况研究.doc

硕士学位论文基于红外光谱和泄漏电流的复合绝缘子表面状况研究The Study of the Composite Insulator SurfaceCondition Based on the Infrared Spectroscopy andLeakage Current燕迎祥2014年 3月 国内图书分类号：TM85国际图书分类号：621. 3学校代码：10079密级：公开硕士学位论文基于红外光谱和泄漏电流的复合绝缘子表面状况研究硕士研究生：燕迎祥导师：王永强申请学位：工学硕士学专科：电气工程业：高电压与绝缘技术所在学院：电气与电子工程学院答辩日期：2014年 3月授予学位单位：华北电力大学 Classified Index: TM85U.D.C: 621.3Thesis for the Master DegreeThe Study of the Composite Insulator SurfaceCondition Based on the Infrared Spectroscopy andLeakage CurrentCandidate：YanYingxiangWangYongqiangSupervisor：School：School of Electrical and ElectronicsEngineeringDate of Defence：March, 2014Degree-Conferring-Institution： North China Electric Power University 华北电力大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于红外光谱和泄漏电流的复合绝缘子表面状况研究，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：日期：年 月 日华北电力大学硕士学位论文使用授权书基于红外光谱和泄漏电流的复合绝缘子表面状况研究系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版本，同意学校将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于（请在以下相应方框内打）：保密，在不保密年解密后适用本授权书作者签名：日期：日期：年 月 日年 月 日导师签名： 摘要摘 要绝缘子是在现代电力系统运行中非常常见的电气设备，在线长期运行的复合绝缘子其工作环境较为复杂，会受到自然条件和运行环境的影响，致使绝缘子伞群表面状况发生变化，绝缘性能下降。本文通过将6支新的复合绝缘子浸泡在不同的pH值的溶液中，利用红外光谱仪和泄漏电流法来研究经过浸泡后伞群的表面特性变化。并研究积污情况下，复合绝缘子表面的泄漏电流特性，本文还把介损角正切值引入到采集量中，并进行基于BP神经网络的复合绝缘子表面状况评估。本文开始根据课题内容和已有的实验硬件和软件，指定详细的浸泡和测量实验方案，熟悉红外光谱仪的图谱采集工作原理，组建泄漏电流实验平台，编写泄漏电流数据采集软件。根据傅里叶红外光谱实验，研究在不同pH值的H2SO4溶液和碱性NaOH溶液以及中性 NaCl溶液以及去离子水中浸泡的复合硅橡胶材料中 Si-O-Si主链、Si-CH3侧链、-OH的变化，以此来研究绝缘子憎水性的变化；在人工气候室内，由泄漏电流法，获得泄漏电流特征量，研究不同pH值溶液以及环境湿度对泄漏电流特征量的影响；在浸泡实验做完后，将浸泡过的复合绝缘子放置在无尘干燥环境中，进行自然恢复，以此来研究复合绝缘子在丧失憎水性后的恢复特性；通过测量绝缘子泄漏电流特征量来研究污秽对复合绝缘子表面憎水性的影响。研究结果表明，随着绝缘子浸泡时间的增加，硅橡胶主链和侧链甲基的吸收度都在逐渐的降低；在浸泡相同的时间下，中性溶液对硅橡胶的主链和侧链甲基影响差别很小；与中性浸泡液比，酸性溶液会加速破坏硅橡胶的主链和侧链甲基，且浸泡液的 pH 越小绝缘子表面憎水性丧失的越快；碱性溶液对硅橡胶主链和侧链甲基影响是最严重的，且随 pH增大破坏性越大。泄漏电流实验时，中性溶液中的绝缘子，它们泄漏电流特征量差异很小，而酸性和碱性溶液中浸泡的绝缘子憎水性丧失的较快，致使泄漏电流有效值和介损角正切值增大，NaOH溶液较 H2SO4破坏性更强；泄漏电流特征值跟盐密度、灰密度以及实验室试品周围的湿度都是成正相关的，随着它们的增加而增大。复合绝缘子因长期浸泡丧失憎水性后，经过一段时间放置，使其泄漏电流特征值下降，红外光谱仪测到的硅橡胶主链Si-O-Si和Si-CH3的吸光度和峰面积都有所增高，其憎水性是有所恢复。建立了基于BP神经网络的复合绝缘子表面状态评评估方法，利用红外光谱和泄漏电流试验的样本数据对评估模型进行验证。结果表明BP神经网络模型用于绝缘子表面状态评估是可行的。I 摘要关键词：复合绝缘子；pH值；泄漏电流特征量；红外光谱；憎水性；主链和侧链；BP神经网络II AbstractAbstractInsulator ,in modern power system operation, is very common electricalequipment .Composite insulators its long-running online work environment is morecomplex, affected by natural conditions and operating environment, resulting in anumbrella group of insulator surface conditions change, the insulation performance.Through the six new composite insulators immersed in a solution of different pH values,to simulate long-term wet rain environmental insulator environment, the use of infraredspectroscopy and leakage current method to study through the surface properties afterimmersion parachute group changes. Case study of the contamination and leakagecurrent characteristics of the composite insulator surface, whats more,the dielectric lossgent is introduced to the acquisition amount in this peper .This article has been started in accordance with the subject content and theexperimental hardware and software ,specify the details of soaking and measurementprotocol , familiar patterns of infrared spectrometer collected works, the formation ofleakage current experimental platform, written in leakage current data acquisitionsoftware. According to FTIR experiments on H2SO4 solution and the NaOH solution andthe alkaline and neutral NaCl solution in deionized water at different pH values of acomposite silicone rubber material immersion Si-O-Si in the main chain , Si-CH3 sidechain ,-OH change, in order to study changes in the hydrophobic insulator ; artificialclimate chamber , the leakage current law , to obtain the amount of leakage currentcharacteristics to study the effect of different pH values and humidity on the amount ofleakage current characteristics ; soaking after the experiment is done, the soakedcomposite insulators placed in a clean dry environment for natural recovery, in order tostudy the characteristics of composite insulators recovery after the loss of hydrophobic ;insulator leakage current characteristics by measuring the amount of contamination to thestudy of complex hydrophobic insulator surface effects .The results showed that with the increase of immersion time insulator , siliconrubber backbone and side-chain methyl absorption are gradually decreased ; soaking atthe same time , a neutral solution of the silicone rubber the main chain and the side chainA Effect of the difference is small group ; soaking liquor ratio and neutral , acidicsolution will accelerate destruction of the silicone rubber the main chain and a side chainmethyl group , the smaller the surface of the insulator and the soaking solution pH , thefaster the loss of hydrophobicity ; alkaline solution of silicon rubber backbone andside-chain methyl impact is most severe , and with increasing pH the greater destructive.Leakage current experiments , the neutral solution insulators , they are very smallIII Abstractdifferences in the amount of leakage current characteristics , and acidic and alkalinesolution soak hydrophobic insulator loss faster, resulting in leakage current and dielectricloss tangent root-mean-square value increases large , NaOH solution is destructivestronger than the H2SO4 ; leakage current density of eigenvalues with salt , ash densityand humidity around the laboratory test are positively correlated , with their increases.Composite insulators due to loss of water repellency after a long soak , place over aperiod of time , so that the leakage current characteristic values decline , infraredspectrometer measured silicone rubber backbone Si-O-Si and Si-CH3 peak absorbanceand the area has increased its hydrophobicity is somewhat restored.BP neural network to establish a composite insulator surface state assessmentevaluation method based on the use of infrared spectroscopy and leakage current testsample data to validate the evaluation model. The results show that BP neural networkmodel is used to assess the state of the insulator surface is feasible.Keywords：composite insulator; pH value; leakage current characteristics；infraredspectroscopy；hydrophobicity；main chains and side chain；BP neural networkIV 目录目 录摘要 .IAbstract. III目 录 . V第 1章绪论 .- 1 -1.1 选题的背景及其意义 .- 1 -1.2国内外研究现状 .- 2 -1.2.1 绝缘子老化表面状态研究现状.- 2 -1.2.2 绝缘子的在线监测方法.- 3 -1.2.3 绝缘子监测的难点.- 4 -1.2.4 复合绝缘子的憎水性测试.- 4 -1.2.5 复合绝缘子表面状况评估方法.- 5 -1.3本课题的主要工作 .- 5 -第 2章实验方法和原理 .- 7 -2.1 红外光谱仪的应用和原理 .- 7 -2.1.1傅立叶变换红外光谱仪.- 7 -2.1.2 红外光谱仪原理.- 7 -2.2泄漏电流实验原理和实验器材 .- 11 -2.2.1泄漏电流实验的原理图.- 11 -2.3实验方法 .- 14 -2.3.1 浸泡复合绝缘子傅里叶红外光谱的实验方法.- 14 -2.3.2红外光谱的采集测试.- 15 -2.3.3泄漏电流法测染污和浸泡的绝缘子实验方法.- 15 -2.3.4 浸泡过的复合绝缘子憎水性恢复实验.- 17 -2.4 本章小结 .- 17 -第 3章绝缘子图像和数据采集系统设计 .- 18 -3.1 傅里叶红外光谱仪图像采集设计 .- 18 -V 目录3.1.1 测试误差分析.- 20 -3.2泄漏电流采集系统设计 .- 21 -3.2.1 虚拟仪器构成及特点.- 21 -3.2.2系统硬件构成及其工作原理.- 21 -3.3系统软件部分设计 .- 24 -3.3.1设计思路.- 24 -3.3.2数据采集和数据存储.- 25 -3.4 本章小结 .- 28 -第 4章悬式复合绝缘子表面憎水性试验研究 .- 30 -4.1 不同浸泡液下绝缘子红外光谱特性 .- 30 -4.1.1 复合绝缘子浸泡实验.- 30 -4.2不同浸泡液对绝缘子泄漏电流特征量的影响 .- 36 -4.2.1 泄漏电流特征量.- 36 -4.3复合绝缘子的恢复特性 .- 39 -4.3.1 基于红外光谱研究绝缘子憎水性丧失的恢复特性.- 40 -4.3.2 泄漏电流法研究绝缘子憎水性丧失后的恢复特性.- 42 -4.4染污复合绝缘子的泄漏电流特性 .- 43 -4.4.1 盐密度对泄漏电流有效值和介损角正切值的影响.- 43 -4.4.2灰密度对泄漏电流有效值和介损角正切值的影响.- 44 -4.4本章小结 .- 45 -第 5章复合绝缘子表面状态评估 .- 46 -5.1 原始数据的量化 .- 46 -5.1.1红外光谱法的数据量化规则.- 46 -5.1.2泄漏电流法的数据量化规则.- 47 -5.2 评估模型 .- 47 -5.2.1BP 神经网络.- 47 -5.2.2 基于 BP 神经网络的复合绝缘子表面状况评估模型.- 48 -5.3本章小结 .- 50 -第 6章结论与展望 .- 51 -VI 目录6.1结论 .- 51 -6.2展望 .- 52 -参考文献 .- 53 -攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果 .- 56 -致谢 .- 57 -VII 华北电力大学硕士学位论文第 1 章绪论1.1选题的背景及其意义绝缘子是在现代电力系统运行中是非常常见的电气设备，它应用于电力系统的变电、输电等多个环节，在电力系统中起着不可或缺的作用，由于绝缘子的使用量也比较大，发生故障的可能性也较大，在线运行时当其中某支绝缘子发生故障都可能造成严重的后果，因此，对绝缘子的质量和性能要求较高，以保证线路及系统的正常运行，保证供电可靠性，给人民生活提供便利，为国家的经济发展提供强大动力支撑。如根据用途来份，绝缘子的种类有线路绝缘子、套管和变电站支持绝缘子 3个种类，根据材料划分种类3种，包括陶瓷绝缘子、复合绝缘子和玻璃绝缘子1。在绝缘子的应用过程中，最早被采用的是钢化玻璃绝缘子，随后瓷绝缘子也大量应用到电力系统中，而出现最晚的就是硅橡胶材料做的复合绝缘子，第一支复合绝缘子是由德国在1973年研制成功，在电网的实际运行中发现，其优良的绝缘性能以及较好耐湿闪，污闪2-3电压高，无需定期清扫，也不存在绝缘子零值检测问题，运行维护费用低，机械高强度大，重量小。这些优点使得其得以在各国的电力系统大规模应用4-9。我国开始进行开发研究复合绝缘子1988年，到目前，经过2012年的统计结果显示，全国线路上使用的复合绝缘子数量已经接近 600万支，通常使用的复合绝缘子的材料主要成分是聚二甲基硅氧烷（PDMS），它属于聚合材料，分子量较大。由与绝缘子基本在户外运行，其运行条件比较复杂，本身在正常运行时，就会受到加在绝缘子上的高压电强作用，在发生闪络是由于电晕作用还会致使伞群老化，绝缘性能下降10-14；自然条件也会使绝缘子性能变差，例如风吹、高温、太阳光照射，在工业发达地区还会受到粉尘、酸雨的影响，在沿海地区还会应为盐碱的作用，使复合绝缘子表面的憎水性降低，使绝缘子表面泄漏电流增大，发生闪络。有线路发生电晕后对复合绝缘子憎水性的影响；在工业发达的高粉尘污染地区，复合绝缘子表面积污后对其憎水性的影响，闪络电压的变化，以及所积污物本身对绝缘硅橡胶材料的腐蚀作用，致使绝缘子的物理化学老化性能变差；有些自然环境会造成复合绝缘子的硅橡胶成分发生不可逆的劣化，如，太阳光中的紫外线8、电晕发生时产生的臭氧对材料的氧化。同时也很多关于加速人工绝缘子硅橡胶老化试验，研究其表面憎水性的变化。也有在人工加速绝缘子老化试验后，结合傅里叶- 1 - 华北电力大学硕士学位论文红外光谱仪来研究老化特性以及憎水性的变化。还有就是绝缘子在线运行时间太久或者外力作用是其机械性能减弱，发生绝缘子断裂，发生电力事故。由于特高压输电技术的传输容量能力强，电能质量高，形成大的电网结构后，使系统运行更加稳定等优点，我过已开始进行特高压直流和交流输电线路的建设，且多条交直流输电线路已进入运行阶段，在这些特高压输电线路上的绝缘子选用上多采用复合绝缘子串，同时传输能力强是特高压输电网的优点也是其缺点，就是一旦发生事故就会很多枢纽变电站停电，造成大面积用户的停电事故，造成巨大的直接和间接经济损失，也给民众的生活带来很多不便，而在这些特高压输电线路上的某支绝缘子因其长时间运行，发生性能下降，憎水性减弱，会导致绝缘子表面的泄漏电流增大，有可能引发闪络，引起事故，对电网运行的安全性带来潜在的威胁，所以对复合绝缘子的表面状况，包括憎水性的变化，和绝缘子性能劣化情况有必要进行研究，无论从经济效益还是社会效益对此展开研究都有重要的实际应用意义。1.2国内外研究现状有关复合绝缘子表面状况研究方面国内外的科研人员已经做了很多相关的研究，目前绝缘子表面状态研究方面主要有绝缘子材料本身的劣化，有老化研究或者人工加速老化研究，有关方面的研究有：交直流电晕、酸碱盐和紫外光对绝缘材料的影响，以及反映老化的表征量的研究；另一方面是污秽物附着于复合绝缘子表面，改变绝缘材料的物理特性并不改变绝缘材料的化学特性，有关方面的研究有：污秽物、温湿度和冰霜雨雾对绝缘子表面的变化，以及反映绝缘性能变化的表征量研究。1.2.1绝缘子老化表面状态研究现状致使绝缘子老化的因素主要包含：交流和直流电晕人工加速产生的老化、紫外光长期照射人工加速产生的老化、1000h 盐雾法人工加速产生的老化、酸碱盐使材料劣化产生的老化，还利用扫描电子显微镜15-16直接观察材料的劣化情况和红外光谱来研究分子集团的变化17-18。在文献19中，针对交流电晕对老化的影响做了一定研究，通过针电极产生尖端放电作用于硅橡胶材料，在不同的温度条件研究硅橡胶表面憎水性的丧失与恢复状况，又通过红外光谱研究其分子集团的变化。在文献20中，进行了紫外辐射对硅橡胶材料老化性能的影响做了一定研究，利用氙光灯照射材料，人工加速其老化，反映老化的表征量是测量接触角和扫描电子显微镜，研究氙光灯对绝缘材料憎水性的变化，并得出短时间影响小长时间会憎水性降低。- 2 - 华北电力大学硕士学位论文在文献21和22中，对交流和直流电晕下低硅橡胶材料憎水性的影响进行了实验研究，比较发现，交流电晕致使绝缘子表面发生化学反应的程度要比直流电晕严重，导致交流电晕下的憎水性下降程度的比直流的严重。在文献23中，对盐雾加速老化法进行了一定研究，根据 IEC61109盐雾试验，在放电较小时，老化现象不明显，在 CIGRE 盐雾试验24中，会因为蚀损原因加速绝缘子材料的老化。在文献25中，研究了酸碱盐对绝缘子表面憎水性的影响，所用的方法为喷水分级法，提出酸碱会加速硅橡胶材料的老化，使憎水性丧失加快。综上所述，目前国内外主要对电晕、紫外、盐雾以及酸碱盐对绝缘材料的影响，而并没有对绝缘子进行利用红外光谱对浸泡对硅橡胶材料特性的研究，有必要做相关的实验研究。1.2.2绝缘子的在线监测方法目前复合绝缘子的在线监测方法主要有两种方法，包括电量监测和非电量监测。电量监测法又包含电场测量法和泄漏电流法，在方法的选取上，要根据现实状况来选用不同的方式。1）电量监测电场测量法：该方法主要通过比较电场分布状况，即正常时和绝缘子 Y轴正向，通过比较达到监测零值绝缘子。在文献26中，研究了非接触测量方法，先测量出绝缘子周围的几个点的场强，在根据绝缘子的外形，建立模型，算出待测点的电场强度，再将其与正常工作值做比较，来判断绝缘子的工作状态是否正常，此办法误差不定，工作量大，成本高，且对外绝缘破损27,28监测效果不理想。泄漏电流法：泄漏电流是当绝缘子湿润后，通过仪器测量流过绝缘子表面的电流29。当绝缘子表面的泄漏电流增大时，就可能引起绝缘子表面放电，甚至击穿，所以泄漏电流是发生电晕、闪络等现象的一个先导过程。而且在对绝缘子的监测过程中可以采集大量数据，可以对数据时域频域、谐波分量、泄漏电流值分析30-35，总结变化规律。2）非电量监测法红外成像测温和紫外成像法：在文献36中，介绍了红外成像测温在变电站上的应用，可以实时在线有效的监测变压器等其它电力设备过热，并及时给与警报。缺点是监测区域小，费用高，只能对重点大型设备进行监测。在文献37中，利用紫外成像仪对泄漏电流实验过程中绝缘子表面发生电晕的状况进行监测，可以清晰的发现实验过程中的电晕放电，得到一些起晕参数。该方- 3 - 华北电力大学硕士学位论文法比较方便、简洁，缺点是只能对一很小区域监测，无法全程监测。喷水级38和观察法39：在文献中利用喷水级法对大量现场的绝缘子进行喷水定级，建立模型，通过算法分析绝缘子的憎水性，此法较为简单，单主观性强，精确度不高。而观察法就是直接观察绝缘子，看是否有损坏，以便及时更换。缺点是对潜在故障难以及时排除。1.2.3绝缘子监测的难点对于老化研究对绝缘子的表面状态研究方面，在线电测法在实际应用还是比较少的，在准确性上，技术有待提高，更多的还是非电量监测法以及物理办法进行在非通电状态下对硅橡胶材料的物理特性和化学特性的测试，以及反映到绝缘子劣化后反映到绝缘子表面的憎水性状况的研究较多，这也是因为能够反映绝缘子性能的参考量，在在线运行的这一状态下很难实现对它的监测；绝缘子的电测法主要包括泄漏电流法和绝缘子电场测量法，这方面的研究大多也是进行定性的研究，定量研究较少，也不成熟；对于泄漏电流法，目前是没有统一的标准，而且绝缘子的生产厂家不同，生产加工的工艺不同，性能也不尽相同；另一方面所用的电流采集方式也不相同，有的数据采集用的采样率较低的示波器，也有的用数据采集卡，这会在采集中会有差异；对于使用数据采集卡来获取实验数据的，测量软件也不尽相同，这样也会使实验结果差异很大。简单来说，对于泄漏电流法由于绝缘子本身工艺、使用的采集数据工具不同以及测量数据软件的不同，这三点的差异很难形成统一参考标准，比如说某一型号绝缘子的泄漏电流达到大多时，其需要退出运行，同样，绝缘子电场测量法也存在类似的问题，这些因素造成了电测法很难在现场的实际应用。综上所述，目前国内外把介质损耗角正切值（tan）作为表示量多用于大型容性设备介损值的测量，还没有在绝缘子电量监测上关注介损角正切值这一特征量，对于本文电量检测的特征量选取泄漏电流有效值和介质损耗角正切值为特征量，来研究电测法有关量的变化关系研究，为电测法提供参考。1.2.4复合绝缘子的憎水性测试复合绝缘子现在得以在全世界应用得益于其有良好的憎水性，在用喷水分级法测试绝缘子的憎水性时，憎水性越好独立的小水珠愈多，绝缘在受潮后越不容易击穿，在实际运行中使闪络电压升高。憎水迁移性表示绝缘子伞群上有污秽物时，其硅橡胶分子中的甲基集团会逐渐朝向表面，使伞群的显示一定憎水性。绝缘子还有恢复特性，当其在某些恶劣条件下失去憎水性时，在这些恶劣条件消失后，其憎水- 4 - 华北电力大学硕士学位论文性又慢慢恢复的特性。本文主要进行绝缘子浸泡实验，在不同 pH的溶液浸泡 144 小时后，并在浸泡过程中用喷水级法观察绝缘子的表面憎水性的丧失状况。然后完成红外光谱实验和泄漏电流实验后，把绝缘子放置在干燥无尘环境中，研究其恢复特性。1.2.5复合绝缘子表面状况评估方法绝缘子表面状况评估是一项十分复杂的工作。国内外科研专家对绝缘子表面状况进行了大量的研究，根据所获得的数据采取了多种研究分析方法，进行了大量的研究工作。在利用红外光谱法进行绝缘子表面状况评估方面，X 射线光电子能谱(XPS)不仅能测定材料表面的组成元素，而且还能给出各元素的化学状态信息，在很多领域都有广泛用途，其中 XPS 的最大特色在于能获取丰富的化学信息，对样品表面的损伤最轻微40。文献41采用模糊逻辑的方法，模糊输入量选取泄漏电流有效值、温度、环境湿度、泄漏电流放电脉冲频度和电流峰值，输出变量为污秽等级，并用样本数据对该方法的有效性进行了验证。1.3本课题的主要工作本文主要是根据红外光谱和泄漏电流相结合的办法，研究绝缘子长期浸泡后其红外光谱分子集团吸光度和峰面积的变化，在人工气候室内被浸泡和染污绝缘子泄漏电流特征量的变化，以及憎水性的丧失与恢复，具体研究工作如下：1.根据本文设定的课题内容和已有的实验硬件和软件，指定详细的浸泡和测量实验方案。2.熟悉红外光谱仪的图谱采集工作原理，组建泄漏电流实验平台，编写泄漏电流数据采集软件。3.根据傅里叶红外光谱实验，研究在不同pH值的H2SO4溶液和碱性NaOH溶液以及中性NaCl溶液以及去离子水中浸泡的复合硅橡胶材料中