CN114236275B - 一种基于调制光热辐射技术的复合绝缘子老化程度无损检测方法 - Google Patents

一种基于调制光热辐射技术的复合绝缘子老化程度无损检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于调制光热辐射技术的复合绝缘子老化程度无损检测方法，所述方法采用调制光热辐射技术测量老化的复合绝缘子的光热辐射信号幅值和相位与调制频率的关系曲线(幅频和相频曲线)，通过灵敏度分析确定复合绝缘子影响光热辐射信号的相关参数中灵敏度系数高的参数和灵敏度系数低的参数，将灵敏度系数低的参数设置为固定值(其他方法测量值或文献值或经验值)，将灵敏度系数高的参数设置为自由变量，利用多参数拟合将测量的幅频和相频曲线与二层光热辐射理论模型拟合，获得复合绝缘子老化层热扩散率与基底层未老化材料热扩散率的比值(即热扩散率比值)和老化层厚度，并根据获得的热扩散率比值和老化层厚度判断复合绝缘子的老化程度。本方法通过无损测量技术获得的热扩散率比值和老化层厚度准确值来定量评估复合绝缘子的老化程度，无损无接触，使采用调制光热辐射技术实现高压输电系统中使用的复合绝缘子老化程度的在线检测成为可能。

Description

一种基于调制光热辐射技术的复合绝缘子老化程度无损检测 方法
技术领域
本发明涉及一种检测复合绝缘子老化程度的方法，特别涉及一种基于调制光热辐射技术无损地测量复合绝缘子老化层和基底层的热扩散率比值及老化层厚度定量评估复合绝缘子老化程度的方法，属于高压电气检测领域。
背景技术
硅橡胶复合绝缘子由于憎水性能优异、重量轻、不易破裂以及耐污染等优点，广泛用于高压输电电力系统中，起着绝缘和支撑输电线路的重要作用。复合绝缘子会产生老化现象，随着挂网运行时间的增长，硅橡胶复合绝缘子表面逐渐老化，并且老化逐渐向深度方向发展，导致绝缘子表面憎水性丧失，耐污闪性能变差，这对高压输电线路带来严重的安全隐患。因此，需要及时有效地评估复合绝缘子的老化状态，监控其使用寿命，保障电力系统的安全运行。
目前存在多种复合绝缘子老化程度的检测方法。中国专利申请号201711210684.8的发明专利“一种优化的复合绝缘子喷水分级法”、中国专利申请号201310461244.5的发明专利“一种复合绝缘子老化状态分级及判别方法”分别利用喷水分级法和水滴接触角确定绝缘子表面的憎水性等级，从而检测绝缘子的老化状态；中国专利申请号201410835832.5的发明专利“绝缘子高压端泄漏电流测量装置”、中国专利申请号201510958923.2的发明专利“基于热刺激电流特性的复合绝缘子人工老化试验评估方法”分别通过检测绝缘子的泄漏电流和热刺激电流特性来检测绝缘子的老化状态；中国专利申请号201410786920.0的发明专利“一种复合绝缘子服役寿命的评价方法”、中国专利申请号201310461244.5的发明专利“高压绝缘子污秽成分测定方法”、中国专利申请号201610157134.3的发明专利“绝缘子表面污秽粒径分布的检测方法”、中国专利申请号201610907461.6的发明专利“一种用于复合绝缘子老化程度检测的核磁共振测量系统”利用傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)、X射线光电子能谱技术(XPS)、扫描电子显微镜技术(SEM)、核磁共振技术来通过分析绝缘子表面微观结构特征的变化检测其老化状态。然而，这些检测方法都有一些局限性。例如，直接通过人眼对外观的判断以及喷水分级法对水滴附着复合绝缘子表面状态进行人为分级，都受主观因素的影响较大，且不易量化；泄漏电流和热刺激电流的测量需要搭建繁杂的实验系统，其中热刺激电流的测量甚至需要置于真空环境中，操作不便。而现代材料微观表征技术(XPS、SEM等)通常无法满足对复合绝缘子老化程度的低成本、定量、快速测试评估的需求。
最近，中国专利申请号201810630712.X的发明专利“一种基于连续激光照射的复合绝缘子老化程度检测方法”提出通过测量复合绝缘子的热学特性(热扩散率)评估复合绝缘子的老化程度，但基于热学特性变化测量的复合绝缘子老化程度检测方法受该复合绝缘子挂网使用前(初始)的热学特性参数值的影响，而通常该复合绝缘子挂网使用前的热学参数值并不准确确定(未知)，这样导致老化程度的评估产生较大误差，影响老化程度的确定精度。针对这一问题，中国专利申请号202011227738.3的发明专利“一种基于调制光热辐射技术的复合绝缘子老化程度改进检测方法”提出采用热扩散率比值定量评估复合绝缘子老化程度，利用老化现象仅影响复合绝缘子近表面一定厚度内硅橡胶材料的热学特性参数这一特点分别测量老化层的热扩散率和去除老化层后的基底层的热扩散率获得老化层热扩散率与基底层热扩散率的比值，即热扩散率比值。但测量基底层的热扩散率需要物理地去除表面老化层，这就必须先将待测的复合绝缘子从高压电网上摘下来，有损地去除表面老化层再进行测量。该方法是一种有损测量方法，无法实现复合绝缘子老化程度的在线无损检测或监测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服复合绝缘子老化层和基底层热扩散率比值的测量需要有损地去除表面老化层的缺点，通过灵敏度分析确定低灵敏度系数参数并将它们设置为已知量，仅通过从老化的复合绝缘子表面无损地测量光热辐射信号的幅频曲线和相频曲线以及多参数拟合同时确定高灵敏度系数参数，其中包括老化层和基底层的热扩散率，以及老化层厚度等参数，从而无损地确定老化的复合绝缘子的热扩散率比值，利用无损测量的热扩散率比值和老化层厚度定量评估复合绝缘子的老化程度。
本发明方法具体特征如下：
一种基于调制光热辐射技术的复合绝缘子老化程度无损检测方法，其特征在于：采用调制光热辐射技术测量老化的复合绝缘子的光热辐射信号幅频和相频曲线，通过灵敏度分析确定复合绝缘子影响光热辐射信号的相关参数中灵敏度系数高的参数和灵敏度系数低的参数，将灵敏度系数低的参数设置为固定值，其值通过其它测量方法获得或通过文献或经验获得，将灵敏度系数高的参数设置为自由变量，利用多参数拟合将测量的光热辐射信号幅频和相频曲线与二层光热辐射理论模型拟合，获得复合绝缘子老化层厚度和热扩散率比值，并根据获得的热扩散率比值和老化层厚度判断复合绝缘子的老化程度。具体实施步骤如下：
(1)确定复合绝缘子影响光热辐射信号的相关热学、光学和结构参数，包括老化层和基底层的热扩散率、激励波长处的光学吸收系数、有效红外吸收系数和老化层厚度等参数；
(2)采用调制光热辐射技术无损地从表面测量并记录老化的复合绝缘子样品的光热辐射信号的幅频曲线和相频曲线(频率特性)；
(3)通过灵敏度分析确定光热辐射信号的频率特性对之灵敏度系数高和灵敏度系数低的、步骤(1)中确定的参数，通常高灵敏度系数参数包括老化层和基底层的热扩散率、老化层厚度和老化层的有效红外吸收系数，低灵敏度系数参数包括老化层和基底层的光学吸收系数和基底层的有效红外吸收系数；
(4)将步骤(3)确定的低灵敏度系数参数设置为已知的固定值，该固定值可以是其他方法获得的测量值，也可以是文献值或经验值，同时将高灵敏度系数参数设置为自由变量，将步骤(2)测得的光热辐射信号幅频曲线和相频曲线与描述老化的复合绝缘子光热辐射信号的两层光热辐射理论模型进行多参数拟合，得到高灵敏度系数参数的拟合值，包括老化层和基底层的热扩散率、老化层厚度和老化层有效红外吸收系数；
(5)由步骤(4)获得的热扩散率值计算热扩散率比值，并结合步骤(4)获得的老化层厚度值，对复合绝缘子的老化程度进行评估：热扩散率比值越低，复合绝缘子老化越严重；老化层越厚，复合绝缘子老化越严重；并且当热扩散率比值低于一定阈值和/或老化层厚度高于一定阈值时，可认定复合绝缘子严重老化，需要进行更换。
所述的灵敏度分析中的灵敏度系数包括幅值灵敏度系数和相位灵敏度系数，对任一参数，其幅值灵敏度系数和相位灵敏度系数分别定义为光热辐射信号幅值和相位对该参数的一阶导数乘以该参数。
所述的两层调制光热理论模型中，老化的复合绝缘子沿深度方向假设为两层结构，第一层为老化层，其厚度为老化层厚度，热学和光学特性参数受老化效应的影响，老化程度越严重，影响越大；第二层为基底层，厚度为扣除老化层厚度后的绝缘子厚度，其热学和光学特性参数不受老化效应的影响，与老化程度无关。
所述的热扩散率比率和老化层厚度与复合绝缘子老化程度的定量关系和所述的热扩散率比率阈值和老化层厚度阈值通过测量分析不同老化程度复合绝缘子的热扩散率比值和老化层厚度，并与其他方法确定的老化程度对比确定。
本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明完全无损、无接触地高精度确定老化复合绝缘子的热扩散率比值和老化层厚度，实现老化复合绝缘子老化程度的高精度定量评估，有望成为在线遥测高压输电系统中使用的复合绝缘子老化程度的有效方法。
附图说明
图1为本发明无损定量评估老化复合绝缘子老化程度的流程图；
图2为本发明灵敏度分析结果，即复合绝缘子影响光热辐射信号的不同参数的灵敏度系数与调制频率的关系曲线；
图3为采用调制光热辐射技术从老化复合绝缘子样品表面测量的光热辐射信号的幅频曲线和相频曲线及其分别采用有损和无损方法确定的参数对应的理论拟合曲线；
图4为分别采用有损和无损方法确定的不同老化程度复合绝缘子热扩散率比值和老化层厚度随挂网运行时间的关系曲线。
具体实施方式
下面结合图1-4具体描述本发明提出的一种基于调制光热辐射的复合绝缘子老化程度无损检测方法。
图1所示为本发明无损定量评估老化复合绝缘子老化程度的流程图。采用调制光热辐射技术无损地从表面测量老化的复合绝缘子的光热辐射信号的幅频曲线和相频曲线，通过灵敏度分析确定复合绝缘子影响光热辐射信号的相关参数中灵敏度系数高的参数和灵敏度系数低的参数，将灵敏度系数低的参数设置为固定值，其值通过其它测量方法获得或通过文献或经验获得，将灵敏度系数高的参数设置为自由变量，利用多参数拟合将测量的幅频曲线和相频曲线与二层光热辐射理论模型拟合，获得老化复合绝缘子的热扩散率比值和老化层厚度，并根据获得的热扩散率比值和老化层厚度判断复合绝缘子的老化程度。
在描述老化复合绝缘子光热辐射信号的二层光热辐射理论模型中，确定影响光热辐射信号的相关热学、光学和结构参数，包括老化层和基底层的热扩散率、激励波长处的光学吸收系数、有效红外吸收系数和老化层厚度等参数；然后对这些参数进行灵敏度分析，根据灵敏度系数大小将这些参数分为两类：高灵敏度系数参数和低灵敏度系数参数。图2为灵敏度系数分析结果，图中α1、B1、BIR(1)和l1分别表示老化层的热扩散率、激励波长处的光学吸收系数、有效红外吸收系数和厚度，α2、B2和BIR(2)分别表示基底层的热扩散率、激励波长处的光学吸收系数和有效红外吸收系数。从分析结果可以看出，高灵敏度系数参数包括老化层和基底层的热扩散率(α1和α2)、老化层厚度(l1)和老化层的有效红外吸收系数(BIR(1))，低灵敏度系数参数包括老化层和基底层的光学吸收系数(B1和B2)和基底层的有效红外吸收系数(BIR(2))。采用调制光热辐射技术无损地从表面测量老化复合绝缘子光热辐射信号的幅频曲线和相频曲线，并将测量的频率特性与二层光热辐射理论模型进行多参数拟合。在多参数拟合中，将低灵敏度系数参数设定为已知量，将高灵敏度系数参数设置为自由变量并最终由多参数拟合确定。低灵敏度系数参数值可以是其他方法的测量值，也可以是文献值或者经验值。由于光热辐射信号对这些参数的灵敏度低，即使这些参数的值存在较大的误差，对通过多参数拟合确定的高灵敏度系数参数的值的影响有限。通过灵敏度分析将影响光热辐射信号的参数按灵敏度系数高低分类，既降低了多参数拟合中待确定参数的数量确保了多参数拟合结果的唯一性和可靠性，又避免了有损地测量基底层热扩散率的需求，实现了老化复合绝缘子热扩散率比值和老化层厚度的无损、高精度确定。图3为某一老化的复合绝缘子样品无损地从表面测量的光热辐射信号的幅频曲线和相频曲线及其分别采用有损和无损方法确定的参数对应的理论拟合曲线。所述有损方法即通过先有损地去除老化层测量基底层的热学和光学特性参数然后确定老化复合绝缘子热扩散率比值和老化层厚度的方法，所述无损方法为低灵敏度系数参数均设定为经验值并由此无损地确定老化复合绝缘子热扩散率比值和老化层厚度的方法。图中结果显示采用该两种方法理论拟合结果与实验测量结果均很好地一致。图4为采用该两种方法得到的不同老化程度(服务年限)复合绝缘子热扩散率比值和老化层厚度的测量结果。样品1为500kV、未挂网运行的复合绝缘子样品，不存在老化现象。样品2-5分别为500kV、挂网运行时间6年、7年、9年和12年的老化复合绝缘子样品。从图4可以看出，复合绝缘子的热扩散率比值随挂网运行时间单调下降，老化层厚度随挂网运行时间单调上升，定量地表征了复合绝缘子的老化程度。并且对不同老化程度的复合绝缘子样品，两种方法确定的热扩散率比值和老化层厚度非常一致，验证了无损检测结果的准确性。
总之，本发明提出了一种通过无损地确定老化复合绝缘子样品的热扩散率比值和老化层厚度来检测复合绝缘子老化程度的方法。本方法克服了其他类似基于光热辐射技术检测复合绝缘子老化程度方法要么受复合绝缘子初始热学特性未知的影响而导致定量检测精度受限的缺点，要么需要有损地测量基底层热学特性而导致无法实现在线无损检测的缺点，使采用热扩散率比值和老化层厚度参数在线高精度定量评估在高压输电系统中挂网运行的复合绝缘子老化程度具备技术可行性。

Claims (4)

1.一种基于调制光热辐射技术的复合绝缘子老化程度无损检测方法，其特征在于：采用调制光热辐射技术从表面测量老化的复合绝缘子的光热辐射信号幅值和相位与调制频率的关系曲线，即幅频和相频曲线，通过灵敏度分析确定影响光热辐射信号的复合绝缘子相关参数中灵敏度系数高的参数和灵敏度系数低的参数，将灵敏度系数低的参数设置为固定值，其值通过其它测量方法获得或通过文献或经验获得，将灵敏度系数高的参数设置为自由变量，利用多参数拟合将测量的幅频和相频曲线与二层光热辐射理论模型拟合，获得复合绝缘子老化层厚度和老化层热扩散率与基底层未老化材料热扩散率的比值，即热扩散率比值，并根据获得的热扩散率比值和老化层厚度判断复合绝缘子的老化程度。具体实施步骤如下：
(1)确定复合绝缘子影响光热辐射信号的相关热学、光学和结构参数，包括老化层和基底层的热扩散率、激励波长处的光学吸收系数、有效红外吸收系数和老化层厚度等参数；
(2)采用调制光热辐射技术无损地从表面测量并记录老化的复合绝缘子样品的光热辐射信号的频率特性，即光热辐射信号的幅值和相位与调制频率的关系曲线，简称幅频曲线和相频曲线；
(3)通过灵敏度分析确定光热辐射信号的频率特性对之灵敏度系数高和灵敏度系数低的、步骤(1)中确定的参数，通常高灵敏度系数参数包括老化层和基底层的热扩散率、老化层厚度和老化层的有效红外吸收系数，低灵敏度系数参数包括老化层和基底层的光学吸收系数和基底层的有效红外吸收系数；
(4)将步骤(3)确定的低灵敏度系数参数设置为已知的固定值，该固定值可以是其他方法获得的测量值，也可以是文献值或经验值，同时将高灵敏度系数参数设置为自由变量，将步骤(2)测得的光热辐射信号幅频曲线和相频曲线与描述老化的复合绝缘子光热辐射信号的两层光热辐射理论模型进行多参数拟合，得到高灵敏度系数参数的拟合值，包括老化层和基底层的热扩散率、老化层厚度和老化层有效红外吸收系数；
(5)由步骤(4)获得的热扩散率值计算复合绝缘子样品的老化层热扩散率与基底层热扩散率的比值，即热扩散率比值，并结合步骤(4)获得的老化层厚度值，对复合绝缘子的老化程度进行评估：热扩散率比值越低，复合绝缘子老化越严重；老化层越厚，复合绝缘子老化越严重；并且当热扩散率比值低于一定阈值和/或老化层厚度高于一定阈值时，可认定复合绝缘子严重老化，需要进行更换。
2.根据权利要求1所述的一种基于调制光热辐射技术的复合绝缘子老化程度无损检测方法，其特征在于：所述的灵敏度分析中的灵敏度系数包括幅值灵敏度系数和相位灵敏度系数，对任一参数，其幅值灵敏度系数和相位灵敏度系数分别定义为光热辐射信号幅值和相位对该参数的一阶导数乘以该参数。
3.根据权利要求1所述的一种基于调制光热辐射技术的复合绝缘子老化程度无损检测方法，其特征在于：在所述的两层调制光热理论模型中，老化的复合绝缘子沿深度方向假设为两层结构，第一层为老化层，其厚度为老化层厚度，热学和光学特性参数受老化效应的影响，老化程度越严重，影响越大；第二层为基底层，其厚度为扣除老化层厚度后的绝缘子厚度，其热学和光学特性参数不受老化效应的影响，与老化程度无关。
4.根据权利要求1所述的一种基于调制光热辐射技术的复合绝缘子老化程度无损检测方法，其特征在于：所述的热扩散率比率和老化层厚度与复合绝缘子老化程度的定量关系和所述的热扩散率比率阈值和老化层厚度阈值通过测量分析不同老化程度复合绝缘子的热扩散率比值和老化层厚度，并与其他方法确定的老化程度对比确定。
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