西南交通大学科研人员提出复合绝缘子表面老化程度评估的新方法

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西南交通大学电气工程学院的研究人员张血琴、张玉翠、郭裕钧、刘凯、吴广宁，在2021年第2期《电工技术学报》上撰文，针对现有绝缘老化检测尚无一种便捷快速的方法，提出了一种基于高光谱技术的复合绝缘子表面老化程度的非接触、快速无损检测评估方法。

基于深度极限学习机建立绝缘子老化程度评估模型，他们对60组待测数据进行预测，实现对绝缘子老化程度精确分级，分类准确率达96.67%，与BP神经网络和支持向量机模型对比，表明本研究所用模型可兼备快速性和准确性，为实现外绝缘表面老化程度的在线检测提供了新思路。

硅橡胶复合绝缘子因其优良的憎水性和防污闪性能，近几十年来在电力系统中得到大规模的应用。然而硅橡胶复合绝缘子在实际运行中面临各种严酷环境，使得其极易在环境恶劣地区产生材料的老化劣化，导致绝缘子性能降低。尤其高海拔环境下，空气稀薄，紫外线强度远远高于其他地区，紫外辐射成为绝缘子老化的重要影响因素。

紫外线因其较短的波长和较大的光子能量，能够使硅橡胶材料高分子聚合物的部分化学键断裂，从而改变材料的理化特性，直接表现为绝缘子表面憎水性降低，发生龟裂、粉化、表面粗糙度增加等，使得闪络电压降低，容易引发电网故障，造成极大的经济损失。

目前对于高海拔强紫外线等严酷环境的外绝缘检测，主要分为直接法和间接法。直接法一般有绝缘电阻法、电场测量法、脉冲电流法等。绝缘电阻法是通过测量泄漏电流实现的，然而泄漏电流会受到天气、污秽程度等多种因素影响，测量准确性会受到一定影响；电场测量法通过测量绝缘子串简化电场模型的轴向电场分布，找出绝缘子的内绝缘通导性故障；脉冲电流法通过测量绝缘子电晕脉冲电流来判断其绝缘状况。

直接法表现出来的明显不足是测量效率较低，常需要工作人员登杆操作，十分不便，安全系数也不高。此时非接触式在线监测方法显示出明显优势。非接触式主要包括紫外成像法、红外成像法和X射线成像法等，这些方法仍存在一些缺陷，如紫外成像和红外热像是通过测量电、热这种间接信号的特性来反映绝缘子状态，且紫外成像必须在夜间进行，不利于检测的开展。因此，寻找一种更加便捷直接的非接触、快速无损伤检测硅橡胶材料老化的手段，对于维护电力系统安全稳定运行具有重要意义。

高光谱技术将成像技术和光谱技术有机结合，可以对紫外光、可见光、近红外光和中红外光区域的电磁波以多个连续细分波段进行成像，具有很高的波谱分辨率，且同时包含图像和光谱信息，对检测对象建立波谱库后，可对样本直接进行在线检测而无需制样，近年来不仅在遥感领域发挥了巨大作用，在工农业乃至更多行业领域也展现了出了巨大的应用潜力。

西南交通大学的研究人员运用高光谱技术对人工紫外老化的硅橡胶绝缘片进行检测，采集不同老化状态下原始图谱数据并进行处理，结合傅里叶红外光谱（FTIR）相关数据，分析不同老化程度对应于高光谱谱线的响应机制和特征变化，最后运用深度极限学习机（DELM）算法，建立复合绝缘子表面老化程度评估模型并对样本进行老化程度划分。研究结果给绝缘子表面老化状态的在线检测和评估提供了新方法和新依据。

图1 紫外老化平台示意图

图2 高光谱试验平台模型室

在使用人工紫外加速老化试验箱对HTV硅橡胶样品进行加速老化试验，并用高光谱技术对加速老化后样品的老化状态进行检测，用DELM分类模型对老化样品进行评估后，西南交通大学的研究人员得到以下结论：

图3  不同老化程度绝缘子预测结果

表1  算法效果比较

1）人工紫外加速老化试验箱可以较好地模拟高原环境长波紫外对样品的影响，老化后样品表面粗糙度增大、颜色逐渐加深以及变黑、硬度增大并出现裂纹。

2）样本老化程度的不同反映在高光谱谱线上有显著差异，最明显的波段是代表C－H基团三倍频特征吸收带的1150～1250nm和代表－OH二倍频特征吸收带的1400～1500nm，全波段反射率整体趋势为随老化时间增加而降低。

3）基于全波段数据的深度极限学习机分类模型可以实现对不同老化时长的复合绝缘子进行表面老化程度的分类，准确率可达96.67%，且训练速度快、泛化性好，为绝缘子老化状态在线检测提供了新思路。

以上研究成果发表在2021年第2期《电工技术学报》，论文标题为“基于高光谱技术的复合绝缘子表面老化程度评估”，作者为张血琴、张玉翠、郭裕钧、刘凯、吴广宁。