CN102879689B - 一种复合绝缘子运行状态评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了输电线路复合绝缘子监测技术领域中的一种复合绝缘子运行状态评估方法。包括：获取复合绝缘子各微观参量数值；分别确定扫描电子显微镜SEM、傅氏转换红外线光谱分析仪FTIR和热刺激电流TSC的测试结果；利用BP神经网络算法优化所述测试结果对应的权值；计算复合绝缘子运行状态。本发明综合多微观性能变化作用的结果，实现了复合绝缘子运行状态综合评价，达到了准确评估并掌握绝缘子运行状态的目的。

Description

一种复合绝缘子运行状态评估方法

技术领域

本发明属于输电线路复合绝缘子监测技术领域，尤其涉及一种复合绝缘子运行状态评估方法。

背景技术

复合绝缘子以其重量轻、抗污闪性能强在电力系统输电线路中得到了广泛的应用。但是在长期户外运行过程中，由于强电场、太阳光紫外线、酸雨、污秽、水分等的共同作用，复合绝缘子硅橡胶伞群及护套将逐步出现粉化、硬化等老化现象，导致其电气、机械性能逐步发生下降，严重影响到输电线路安全可靠运行，为此针对复合绝缘子运行状态进行评估分析成为电力行业急需解决的问题。绝缘子的性能主要由其材料特性所决定，为此通过对运行复合绝缘子的材料特性开展分析评估将可以有效获得绝缘子的运行状态，这对于保障绝缘子安全可靠运行以及提高电力系统供电质量具有重要的意义。

为了获得复合绝缘子的运行性能，国内外学者进行了大量研究，包括测试运行复合绝缘子电气性能、机械性能、密封性能等，但实测结果表明简单的宏观性能测试并不能有效反应复合绝缘子运行状态，借助材料微观性能测试将可以进一步获知绝缘子的老化情况。基于此，相关学者借助SEM（Scanning ElectronMicroscope，扫描电子显微镜）、XPS（X-ray Photoelectron Spectroscopy，X射线光电子能谱）、FTIR（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，傅氏转换红外线光谱分析仪）、漏电流、绝缘电阻等手段从材料表面化学特性或电阻特性等方面分析了复合绝缘子的老化情况，结果表明各参量表征绝缘子老化状态具有一定的有效性，但并不足以区分绝缘子的所有运行状态。由于材料宏观性能的变化是多微观性能变化综合作用的结果，为此建立以多种微观性能测试结果为基础的复合绝缘子运行状态综合评价方法可更好的评估并掌握绝缘子的运行状态，这对于保障输电线路安全可靠运行具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种复合绝缘子运行状态评估方法，用以解决现有复合绝缘子运行状态评估方法存在的问题。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种复合绝缘子运行状态评估方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：获取复合绝缘子各微观参量数值，包括利用扫描电子显微镜SEM测试复合绝缘子表面分块、裂纹长度、裂纹宽度和孔洞直径，利用傅氏转换红外线光谱分析仪FTIR测试复合绝缘子Si-O-Si主链以及CH3侧链所对应的峰值，利用热刺激电流TSC测试复合绝缘子中的电荷量及陷阱能级；

步骤2：分别确定扫描电子显微镜SEM、傅氏转换红外线光谱分析仪FTIR和热刺激电流TSC的测试结果；

步骤3：利用BP神经网络算法优化所述测试结果对应的权值；

步骤4：根据公式Q＝w₁A₁+w₂A₂+w₃A₃计算复合绝缘子运行状态；其中，A₁、A₂和A₃分别为扫描电子显微镜SEM、傅氏转换红外线光谱分析仪FTIR和热刺激电流TSC的测试结果，w₁、w₂和w₃分别为扫描电子显微镜SEM、傅氏转换红外线光谱分析仪FTIR和热刺激电流TSC的测试结果对应的权值。

所述方法还包括根据复合绝缘子运行状态判定复合绝缘子是否退网运行的步骤，即当复合绝缘子运行状态小于第一设定值时，判定复合绝缘子运行状态劣化，复合绝缘子应退网运行；当复合绝缘子运行状态大于等于第一设定值并且小于等于第二设定值时，判定复合绝缘子运行状态开始发生劣化，应当缩短复合绝缘子运行状态检测周期；当复合绝缘子运行状态大于第二设定值时，判定复合绝缘子运行状态良好，复合绝缘子继续在网运行。

所述利用BP神经网络算法优化所述测试结果对应的权值，具体采用公式

$\left\{\begin{array}{c}F\left(W\right)=e^T\left(k\right)e\left(k\right)\\ s^m=\frac{\∂F}{\∂n^m}=(\frac{\∂F}{\∂n_1^m}\frac{\∂F}{\∂n_2^m}...\frac{\∂F}{{\∂n}_s^m})\\ s^M=-{2F}^M\left(n^M\right)(t-y)\\ s^m=F^m\left(n^m\right){\left(W^{m+1}\right)}^T{s}^{m+1},m=M-1,...,\mathrm{2,1}\\ W^m(k+1)=W^m\left(k\right)-{\mathrm{\αs}}^m{\left(y^{m-1}\right)}^T\\ b^m(k+1)=b^m\left(k\right)-{\mathrm{\αs}}^m\end{array}\right.,$

其中，W为BP神经网络中权值组成的矩阵，F(W)为均方误差，e(k)为神经元第k次计算的结果与其预期结果之差组成的误差向量，k为BP神经网络迭代的次数，s^m为表征第m层输出对F(W)均方误差的影响程度的敏感系数，M为神经网络的总层数，n^m为第m层神经元的输出向量，F^m()表示第m层的均方误差函数，M为神经网络的总层数，t为BP神经网络的目标输出，y为BP神经网络的实际输出，W^m(k+1)第m层BP神经网络的第k+1次迭代的权值矩阵，b^m(k+1)第m层BP神经网络的第k+1次迭代时使用的阈值，α为学习率。

本发明综合多微观性能变化作用的结果，实现了复合绝缘子运行状态综合评价，达到了准确评估并掌握绝缘子运行状态的目的。

附图说明

图1是复合绝缘子运行状态评估方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明基于材料微观性能分析的绝缘子运行状态分析方法，以运行绝缘子材料微观性能分析为基础，通过相关算法建立微观性能与绝缘子宏观整体性能之间的作用关系，进而推导待评估绝缘子的运行状态。图1是复合绝缘子运行状态评估方法流程图。如图1所示，本发明提供的一种复合绝缘子运行状态评估方法包括：

步骤1：获取复合绝缘子各微观参量数值，包括利用扫描电子显微镜SEM测试复合绝缘子表面分块、裂纹长度、裂纹宽度和孔洞直径，利用傅氏转换红外线光谱分析仪FTIR测试复合绝缘子Si-O-Si主链以及CH3侧链所对应的峰值，利用热刺激电流TSC测试复合绝缘子中的电荷量及陷阱能级。

复合绝缘子以其重量轻、抗污闪能力强在我国电网输电线路中得到了广泛的应用，在运行过程中组成复合绝缘子的硅橡胶材料表面微结构、表面化学成分、内部微观导电性能都将发生变化，而绝缘子宏观物理性能是其微观性能综合的结果。借助扫描电子显微镜（SEM）可以获得硅橡胶材料表面微裂纹长度、宽度信息；借助傅氏转换红外线光谱分析仪（FTIR）可以获得硅橡胶材料中Si-O-Si主链、-CH3基团等成分的含量；借助热刺激电流（TSC）可以获得硅橡胶材料中陷阱电荷量以及活化能（陷阱能级）等微观导电性能参数。

步骤2：分别确定扫描电子显微镜SEM、傅氏转换红外线光谱分析仪FTIR和热刺激电流TSC的测试结果。

如果直接采用扫描电子显微镜SEM、傅氏转换红外线光谱分析仪FTIR和热刺激电流TSC的各微观参量数值进行评估，由于各参数的数值大小、单位等均不同，无法从各微观参量数值的差异来评估绝缘子的状态。因此，需要将各微观参量数值进行处理，即对获得的各微观参量数值进行等级区分，分别得到扫描电子显微镜SEM、傅氏转换红外线光谱分析仪FTIR和热刺激电流TSC的测试结果。这样在评估时就不用考虑各个微观参量单位、数值等方面的差异了。

可以依据对近200支现场运行绝缘子运行状态的统计结果得出测试结果。

步骤3：利用BP神经网络算法优化所述测试结果对应的权值。可以采用公式

$\left\{\begin{array}{c}F\left(W\right)=e^T\left(k\right)e\left(k\right)\\ s^m=\frac{\∂F}{\∂n^m}=(\frac{\∂F}{\∂n_1^m}\frac{\∂F}{\∂n_2^m}...\frac{\∂F}{{\∂n}_s^m})\\ s^M=-{2F}^M\left(n^M\right)(t-y)\\ s^m=F^m\left(n^m\right){\left(W^{m+1}\right)}^T{s}^{m+1},m=M-1,...,\mathrm{2,1}\\ W^m(k+1)=W^m\left(k\right)-{\mathrm{\αs}}^m{\left(y^{m-1}\right)}^T\\ b^m(k+1)=b^m\left(k\right)-{\mathrm{\αs}}^m\end{array}\right.---\left(1\right)$ 优化扫描电子显微镜SEM、傅氏转换红外线光谱分析仪FTIR和热刺激电流TSC的测试结果对应的权值。其中，W为BP神经网络中权值组成的矩阵，F(W)为均方误差，e(k)为神经元第k次计算的结果与其预期结果之差组成的误差向量，k为BP神经网络迭代的次数，s^m为表征第m层输出对F(W)均方误差的影响程度的敏感系数，M为神经网络的总层数，n^m为第m层神经元的输出向量，F^m()表示第m层的均方误差函数，M为神经网络的总层数，t为BP神经网络的目标输出，y为BP神经网络的实际输出，W^m(k+1)第m层BP神经网络的第k+1次迭代的权值矩阵，b^m(k+1)第m层BP神经网络的第k+1次迭代时使用的阈值，α为学习率。

步骤4：根据公式

Q＝w₁A₁+w₂A₂+w₃A₃       （2）

计算复合绝缘子运行状态；其中，A₁、A₂和A₃分别为扫描电子显微镜SEM、傅氏转换红外线光谱分析仪FTIR和热刺激电流TSC的测试结果，w₁、w₂和w₃分别为扫描电子显微镜SEM、傅氏转换红外线光谱分析仪FTIR和热刺激电流TSC的测试结果对应的权值。

根据输入的测试结果及绝缘子整体性能状态，当公式（1）计算的均方误差最小时则停止计算，此时的权值即为各项参数的输入权值。将待测绝缘子的SEM、FTIR、TSC测试结果输入权值调整好的式（2），即可得出复合绝缘子的整体运行性能，实现对复合绝缘子运行状态的评估。

经过上述计算得到的评估状态是一个数值，可以在此基础上，根据复合绝缘子运行状态判定复合绝缘子是否退网运行。即当复合绝缘子运行状态小于第一设定值时，判定复合绝缘子运行状态劣化，复合绝缘子应退网运行；当复合绝缘子运行状态大于等于第一设定值并且小于等于第二设定值时，判定复合绝缘子运行状态开始发生劣化，应当缩短复合绝缘子运行状态检测周期；当复合绝缘子运行状态大于第二设定值时，判定复合绝缘子运行状态良好，复合绝缘子继续在网运行。

以下假设第一设定值为-0.5，第二设定值为0.5，说明复合绝缘子运行状态评估方法。

案例1：

选取一支新绝缘子试样进行SEM、FTIR和TSC测试，按SEM测试中表面是否有分块、裂纹的长度和宽度以及孔洞直径等对测试结果进行分级判定为1，按FTIR测试中其Si-O-Si主链以及CH3侧链所对应的峰值对其进行分级判定为1，按TSC测试中的电荷量及陷阱能级对其进行分级判定为1。将上述三种测试方法得到的测试结果输入通过BP算法进行权值调整后的式（2）进行加权求和，得到复合绝缘子的整体运行性能为1.00195，大于第二设定值，表明该绝缘子运行状态良好，可持续挂网运行。

案例2：

对一支运行多年的复合绝缘子进行SEM、FTIR和TSC测试，三种测试方法所对应的分级结果分别为-1、-1、-1，输入权值调整后的式（2）中进行加权求和，得到绝缘子的整体运行性能为值为-0.7144，小于第一设定值，表明该绝缘子运行性能极差，宜退网。

方案3

对一支运行多年的复合绝缘子进行SEM、FTIR和TSC测试，三种测试方法所对应的分级结果分别为0、-1、0，输入权值调整后的式（2）中进行加权求和，得到绝缘子的整体运行性能为值为0.62583，其大于等于第一设定值并且小于等于第二设定值，表明该绝缘子运行性能尚可，可继续挂网运行，但应加强对绝缘子的巡视工作及测试分析。

案例4：

对一支运行多年的复合绝缘子进行SEM、FTIR和TSC测试，三种测试方法所对应的分级结果分别为1、0、1，输入权值调整后的式（1）中进行加权求和，得到绝缘子的整体运行性能为值为1.05056，表明该绝缘子运行性能良好，可继续挂网运行。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种复合绝缘子运行状态评估方法，其特征是所述方法包括： 

步骤1：获取复合绝缘子各微观参量数值，包括利用扫描电子显微镜SEM测试复合绝缘子表面分块、裂纹长度、裂纹宽度和孔洞直径，利用傅氏转换红外线光谱分析仪FTIR测试复合绝缘子Si-O-Si主链以及CH3侧链所对应的峰值，利用热刺激电流TSC测试复合绝缘子中的电荷量及陷阱能级； 

步骤2：分别确定扫描电子显微镜SEM、傅氏转换红外线光谱分析仪FTIR和热刺激电流TSC的测试结果； 

步骤3：利用BP神经网络算法优化所述测试结果对应的权值，具体采用公式 

其中，W为BP神经网络中权值组成的矩阵，F(W)为均方误差，e(k)为神经元第k次计算的结果与其预期结果之差组成的误差向量，k为BP神经网络迭代的次数，s^m为表征第m层输出对F(W)均方误差的影响程度的敏感系数，M为神经网络的总层数，n^m为第m层神经元的输出向量，F^m()表示第m层的均方误差函数， t为BP神经网络的目标输出，y为BP神经网络的实际输出，W^m(k+1)为第m层BP神经网络的第k+1次迭代的权值矩阵，b^m(k+1)为第 m层BP神经网络的第k+1次迭代时使用的阈值，α为学习率； 

步骤4：根据公式Q＝w₁A₁+w₂A₂+w₃A₃计算复合绝缘子运行状态；其中，A₁、A₂和A₃分别为扫描电子显微镜SEM、傅氏转换红外线光谱分析仪FTIR和热刺激电流TSC的测试结果，w₁、w₂和w₃分别为扫描电子显微镜SEM、傅氏转换红外线光谱分析仪FTIR和热刺激电流TSC的测试结果对应的权值。 

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述方法还包括根据复合绝缘子运行状态判定复合绝缘子是否退网运行的步骤，即当复合绝缘子运行状态小于第一设定值时，判定复合绝缘子运行状态劣化，复合绝缘子应退网运行；当复合绝缘子运行状态大于等于第一设定值并且小于等于第二设定值时，判定复合绝缘子运行状态开始发生劣化，应当缩短复合绝缘子运行状态检测周期；当复合绝缘子运行状态大于第二设定值时，判定复合绝缘子运行状态良好，复合绝缘子继续在网运行。