摘要 复合绝缘子硅橡胶伞裙护套在长期的户外运行条件下会出现老化现象，给绝缘子运行带来隐患，运维单位需定期进行抽检分析来评估硅橡胶的老化状态，但目前尚无有效的评估方法。本文从电网系统对硅橡胶性能要求的重要指标入手，将憎水性以及耐漏电起痕和电蚀损性能两项指标分级，作为评估硅橡胶老化状态的根本凭据，然后测量材料其他的宏观微观参数，将硬度、明度、密度、热失重转折点和终点的剩余比例以及典型官能团红外光谱吸收峰等作为评估硅橡胶老化状态的备选特征量。最后利用统计分析的数学方法研究性能指标及老化状态与特征量之间的关系。结果表明，利用硬度Hshore、HC分级以及密度r 能判别硅橡胶的老化状态，方法简单可行，便于运维人员对硅橡胶状态的可靠的评估，保障了输电线路的安全运行。
关键词：复合绝缘子 硅橡胶 老化状态评估 性能指标 特征量
0 引言
复合绝缘子主要是由外绝缘保护的高温硫化硅橡胶伞裙护套和内部机械支撑的环氧树脂玻璃纤维芯棒构成。相比于传统的陶瓷玻璃绝缘子，由于硅橡胶材料独特的憎水性和憎水迁移性，复合绝缘子具有优异的防污闪性能，再加上重量轻、没有零值等的优点，已经广泛应用于各电压等级的架空输电线路上[1-2]。近年来的直流输电和特高压发展，也大大促进了复合绝缘子在国内输电线路上的大范围推 广[3]。截止到2018年2月28日，国家电网110kV及以上挂网运行的复合绝缘子数量达到7 030 761支，南方电网35kV以上挂网运行的复合绝缘子数量达到1 480 476支，其中广东电网达551 617支[4]。
硅橡胶本质上是一种有机高分子材料，在复杂的户外运行环境下，受到温湿度、污秽、紫外线、日照、放电、臭氧等影响[5-12]，硅橡胶伞裙护套表现出褪色、裂纹、撕裂、粉化等劣化现象，影响复合绝缘子的绝缘性能，给电网的安全稳定运行带来巨大的隐患，引起了越来越多研究人员的重视。
目前国内外对于硅橡胶材料的老化特性已经有了较为深入的研究，使用的分析手段包括傅里叶红外光谱（FTIR）、热失重（TGA）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱分析（XPS）、核磁共振分析 （MRI）[13-17]等，能够将一些老化特征与材料微观参数之间建立联系，但其与电网运维人员所关注的硅橡胶性能指标关系如何没有进一步说明。
根据现行的行业标准，复合绝缘子检测的指标主要从宏观性能出发，包括外观形貌、憎水性、伞裙耐漏电起痕和电蚀损、芯棒耐应力腐蚀、水煮干工频电压温升、芯棒带护套水扩散、机械破坏负荷、密封性能、陡波冲击耐受、芯棒-护套粘接强度等[2]，对硅橡胶伞裙护套、环氧玻纤芯棒以及两者之间的界面都提出了严苛的要求。其中涉及到高温硫化硅橡胶的性能指标，主要是外观形貌、憎水性以及耐漏电起痕和电蚀损性能几个方面[18-20]，保证其具备良好的防污闪性能和耐烧蚀能力。虽然这种评估方法有标准作为凭据，但是对于像耐漏电起痕和电蚀损性能这类的指标，不仅需要成套的仪器设备，还要耗费大量的时间和样品，给输电线路运维人员的决策带来不便。文献[21]通过硅橡胶材料的电导电流测试得到的电老化阈值，可以用来反映材料的缺陷情况及老化状态，提出了硅橡胶复合绝缘子老化状态评估的新判据，对复合绝缘子老化状态评估具有新的意义。
本文拟为运维人员提供更为便捷的硅橡胶老化状态评估方法，同时兼顾电网系统内对硅橡胶材料性能指标的要求。在本文中，硅橡胶老化状态评判最根本的凭据是依据行业标准检测的硅橡胶材料性能指标，包括憎水性以及耐漏电起痕和电蚀损性能。然后通过测量材料其他宏观微观的性能参数，作为评估的备选特征量，进而研究性能指标以及老化状态与特征量之间的关系，提取与研究对象关系最为紧密的若干特征量，最终建立一套简单、可行的复合绝缘子用高温硫化硅橡胶的老化状态评估方法。
1 试验样品
本文中所研究的高温硫化硅橡胶样品取自新疆地区已退运的复合绝缘子，共18批，涵盖不同的地区（吐鲁番，编号为t；伊犁，编号为y；库尔勒，编号为k；阿勒泰，编号为a）、不同的生产日期（1999～2013年）以及不同的电压等级（110kV、220kV）。本文从每批次里选取一支绝缘子，然后切取粉化褪色最严重的伞裙作为后续的研究对象。图1是部分样品的外观形貌，表1是具体研究的复合绝缘子信息。
图1 样品外观形貌
Fig.1 Appearance of composite insulators
表1 复合绝缘子信息
Tab.1 Details of returned composite insulators
2 评估指标
2.1 性能指标
2.1.1 憎水性
硅橡胶材料具有良好的憎水性和憎水迁移性，这是它被选作复合绝缘子伞裙护套材料的重要原因。目前在GB/T 24622—2009《绝缘子表面润湿性测量导则》中规定可使用三种憎水性测量方法评价复合绝缘子的憎水性和憎水迁移性：静态接触角法、喷水分级法和表面能法。其中电力行业标准DLT 1474—2015《标称电压高于1 000V交、直流系统用复合绝缘子憎水性测量方法》在现场工作推荐使用喷水分级法。
在电力设备运维部门，现场的实用化方法是采用喷水分级法，即HC法，其是利用大量水珠在材料表面的聚集形态来表征材料的憎水性，以此将憎水性分为7个等级HC1～HC7。其中HC1为强憎水性表面，HC7为完全亲水性表面。该方法最早是由瑞典输电研究所提出的，便捷易用，可操作性强，非常适用于运行现场对硅橡胶材料憎水性的快速判断。
为便于本文方法应用于现场工作，根据HC法分级标准，将憎水性等级划分为三个类别，分别对应良好Z=2、一般Z=1以及不佳Z=0，见表2。
表2 憎水性指标
Tab.2 Indicator of hydrophobicity
2.1.2 耐漏电起痕和电蚀损性能
耐漏电起痕和电蚀损性能是GB/T 6553—2014《严酷环境条件下使用的电气绝缘材料评定耐电痕化和蚀损的试验方法》中规定和标准化的指标。
对于高温硫化硅橡胶样品，如果其能在4.5kV试验电压下经受6h的烧蚀而不发生跳闸、起痕长度不到25mm，则认为样品达到TMA4.5级，对应状态为N=1；如果样品不能满足TMA4.5级，则相应指标状态N=0。
2.1.3 硅橡胶老化状态
上述两项指标对应硅橡胶材料的不同性能，为了综合评估硅橡胶的老化状态，本文对硅橡胶的老化状态Y作如下定义
（1）
式中，Y1为硅橡胶的憎水性指标状态；Y2为硅橡胶的耐漏电起痕和电蚀损性能指标状态。
将18批样品的两项性能指标进行统计并计算老化状态，硅橡胶老化性能指标见表3。
表3 硅橡胶老化性能指标
Tab.3 Indicator of aging of silicone rubber
2.2 其他参数
2.2.1 运行时间
一般来说，复合绝缘子硅橡胶伞裙护套的老化状态不仅与其运行环境相关，还与复合绝缘子的运行时间存在一定的关联。但在很多情况下由于受到复杂环境因素的影响，运行时间的影响并不会特别显著。
本文仍将其作为待考虑的特征量，但由于不知道复合绝缘子的具体投运时间，这里把抽检日期和生产日期之差作为运行时间的参考。本文对所研究18批次样品的运行时间进行统计，得到的结果见表4。
表4 样品运行时间
Tab.4 Existing time of samples
2.2.2 颜色分量
颜色空间是由国际照明委员会（Commission 
de 
, CIE）于1976年公布的一种色彩模式，其中L*表示明度，0表示黑色，100表示白色，而a*和b*表示颜色对立维度，因此这三个维度并不正交，与传统的RGB颜色空间有所差异。但通过三个参数的组合，仍可以获得人眼可见的所有颜色，并不依赖于环境条件的光线，具备颜色表征的可行性。本文中选用CIE L*a*b*这种颜色空间作为硅橡胶伞裙材料表面颜色分量的表征[22]。NR10QC型色差仪如图3所示。
图2 CIE L*a*b*颜色空间
Fig.2 CIE L*a*b*color space
图3 NR10QC型色差仪
Fig.3 NR10QC colorimeter
具体方法如下：测量前用无水乙醇清洁样品表面，然后将色差仪的测量口紧贴被测样品表面即可完成测量，获得L*值。
2.2.3 硬度
硬度是衡量固体材料性能的重要指标之一，反映了固体材料抗拒由于外界物体入侵造成的永久形变的能力。硬度测量试验依据GB/T 531.1—2008《硫化橡胶或热塑性橡胶 压入硬度试验方法 第1部分：邵氏硬度计法（邵尔硬度）》进行，获得硅橡胶样品的邵氏硬度Hshore。其中，邵氏硬度计具有测量简单、设备便携等优点，已经得到了广泛的采用。
2.2.4 密度
硅橡胶密度测量方法示意图如图4所示，采用如下步骤进行[23]：
（1）使用手术刀在伞裙表面距离边沿约1/3处切取大小约25px×25px、厚度为伞裙厚度的样品，并在其中间切出“一”字刀口，深度约为样品的一半。
（2）先用精密天平测量样品的原始质量m1，然后在天平上放置盛有一定量蒸馏水的烧杯（水深应能没过样品）。将一根头发一端缠绕固定在玻璃棒上，然后横担在天平侧壁顶端，而另一端则固定在样品的“一”字切口内。
（3）将天平读数置零，然后将样品慢慢浸没在蒸馏水中，但不能触碰烧杯底部和侧壁。待天平读数稳定后，记录示数m2。硅橡胶的密度可表示为
（2）
2.2.5 热失重分析
热失重分析指在程序控制温度下测量待测样品的质量与温度变化关系的一种热分析技术，是研究材料热稳定性和组分含量的重要手段[24]。
图4 硅橡胶密度测量方法示意图
Fig.4 Schematic of the method for measuring density of silicone rubber
高温硫化硅橡胶中的主要成分是硅氧烷、氢氧化铝以及白炭黑三种成分。由于氢氧化铝的热分解温度在250～350℃的区间，硅氧烷的分解温度较高，约在350℃以上，而白炭黑则具有很好的热稳定性，高温下也几乎不会分解[14,23]，使得硅橡胶的热失重曲线呈现出如图5所示的特征。
图5 典型硅橡胶热失重曲线
Fig.5 Typical TG curve of silicone rubber
热失重曲线中有两个明显的失重速率变化点。第一个变化点约出现在温度为350℃处，表征大部分氢氧化铝完成了热分解，本文将该点的剩余比例定义为“TGA转折点剩余比例”，用符号
表示；而第二个变化点则是整个失重过程结束、曲线几乎不再下降的点，本文将其剩余比例定义为“TGA最终剩余比例”，用符号
表示。
本文样品采用Netzsch STA 449F3热分析仪器进行热失重分析。试验条件为氮气氛围，升温区间为室温匀速升温至800℃，升温速率为5℃/min，由此得到18批次样品的两个特征量。
2.2.6 傅里叶红外光谱分析
傅里叶红外光谱分析（FTIR）基本原理是：分子内的原子存在着振动和转动，当用波长连续的红外光谱照射分子时，与分子振动频率相同的特定波长红外光就会被吸收，产生共振，此时，分子中某种基团就吸收了这一波长的红外光能量，跃迁到较高的振动能级；而如果红外光的频率与分子振动频率不同，则红外光就不会被分子基团吸收，从而被仪器设备检测出来。
红外光谱分析有压片法、涂膜法、衰减全反射法等方式。本文中块状的硅橡胶样品选用了衰减全反射红外光谱分析（ATR-FTIR），该方法不需要特别制样，只需将清洁的硅橡胶试样紧贴在设备的晶片上就能采集信号得到红外光谱图谱，图中吸收峰的高度可以用来定量地分析其中所含特定官能团的多少。
本文根据硅橡胶典型官能团种类[25-26]，提取了波数的吸收峰高度，作为待考虑的特征量，见表5。
表5 硅橡胶典型官能团及特征量
Tab.5 Typical functional group and corresponding characteristic value of silicone rubber
这里的特征量包括伞裙样品内层（N）和外层（W），总共10个特征量。例如，IRN1010表示样品内层在波数1 250px-1处的吸收峰值。
3 性能指标与特征量的关联
在第2节中一共提取了9个性能指标和19个特征量，但具体哪些特征量与性能指标或老化状态相关还未知。因此需要借助数学统计分析的手段，对特征量进行筛选和剔除，从而建立可用的特征空间和评估方法。
3.1 憎水性指标
憎水性指标是一个三分类的状态变量，不能通过平时常见的线性回归来拟合，这里采用判别式法建立判别模型，并使用SPSS统计分析软件中的Bayes判别工具进行相关计算。其本质上是将多变量的数据映射到二维平面，降低数据的繁杂程度，从而精简相关参数。
硅橡胶运行状态Y=0, 1, 2分别对应G0、G1和G2三个类别。任一硅橡胶伞裙样品X，必有X∈G0或X∈G1或X∈G2。设X属于某个类别的概率为 p(X∈Gi)，此时只要根据Bayes判据计算p(X∈G0)、p(X∈G1)和p(X∈G2)的值，并比较大小，概率最大的那个类别即为X属于的类别。
通过步进法的Bayes判别，得到回归方程为
（3）
憎水性指标判别见表6，通过HC等级划分的憎水性指标确实与HC等级关联性最高。通过该方程判别结果也完全正确，说明文中所述的憎水性指标分类方法是可行的。
表6 憎水性指标判别
Tab.6 Discrimination of hydrophobicity
3.2 耐漏电起痕和电蚀损性能指标
相比于憎水性指标，耐漏电起痕和电蚀损性能指标是一个二分类的状态变量，通常来说可以通过二项logistic回归的方法判别。
线性回归模型
是对因变量y均值的预测，因而当因变量是一个二分类变量（取值为0, 1）时，其结果就变成了对y=1概率的预测，即
。
一般来说，线性回归方程的取值范围理论上是(-∞, +∞)，而上述概率P取值范围为[0, 1]。为了使用一般线性回归的方法，需要对P进行变化，最常见的一种转换方法就是Logit变换，即
（4）
变换后的Logit P取值范围变为(-∞, +∞)，但和P之间仍保持一致单调性，这样获得的线性回归模型也叫二项logistic回归分析模型，方程为
（5）
在SPSS分析软件中采用向前-LR的二项logistic回归分析方法对18批次的硅橡胶伞裙样品进行分析，得到回归方程为
（6）
经过逐步筛选后，L*值与指标关联性最高，利用该方程对指标进行判定，见表7。判别准确率为88.9%，总体而言，准确性非常高。
表7 耐漏电起痕和电蚀损性能指标判别
Tab.7 Discrimination of tracking and erosion resistance
3.3 硅橡胶老化状态
参考憎水性指标的分析方法，硅橡胶老化状态同样采用Bayes判别法进行研究。先只考虑性能指标中获得的特征量HC等级和L*值，得到回归方程为
（7）
为了更清楚地看到两个特征量在评估硅橡胶老化状态时的显著性，下面绘制Fisher判别的组质心图。两变量判别组质心图如图6所示。
图6 两变量判别组质心图
Fig.6 Two-variable discriminant space
图6中，方形点表示硅橡胶三种老化状态对应的质心，圆形点表示依据Fisher判别法计算出的样品。圆形点距离哪个方形点更近，则该圆形点对应的样品就属于哪个状态类别。可以看到，倘若仅使用这两个特征量，样品点分布不佳，对于硅橡胶老化状态的判定误差较大。因而接下来将之前所有的特征量都考虑进去，采用步进的Bayes判别法再进行研究，得到回归方程为
（8）
可以看到，通过运算获得的硅橡胶老化状态，相关特征量包括Hshore、HC等级和密度r，与单纯考虑单项性能指标综合后的结果有所差异。
三变量判别组质心图如图7所示，根据图7可知，样品点均能找到最近的质心，得到0、1、2三个复合绝缘子的老化状态的分级值，可能会造成误判。Hshore和HC等级均能在不破坏样品的情况下获得，而样品密度r 需要对硅橡胶伞裙切块取样，与文献[21]提出通过硅橡胶材料的电导电流测试得到电老化阈值来反映材料缺陷情况及老化状态的方法相比，本文根据相关国家标准获得三个特征量，应用相关基本数学统计分析方法进行分析，试验方法简单，不需要专业的材料设备，因而通过这三个特征量评估硅橡胶老化状态的方法是可行的和可靠的，适用于现场评估，具有在电力设备运维部门推广的价值。
图7 三变量判别组质心图
Fig.7 Three- variable discriminant space
4 结论
1）参考行业标准，使用憎水性以及耐漏电起痕和电蚀损性能两项性能指标衡量复合绝缘子用高温硫化硅橡胶的老化状态。
2）综合现有的硅橡胶研究分析方法，提取了包括存在时间T、明度L*、密度r、憎水分级HC、TGA转折点剩余比例和终止点剩余比例
以及FTIR图谱中典型官能团吸收峰IR等的特征量。
3）通过Bayes判别法验证了憎水性指标分类的可行性；二项logistic回归分析方法的结果说明硅橡胶样品的明度L*在所有特征量中与耐漏电起痕和电蚀损性能指标相关性最高；通过Hshore、HC等级以及r 三个特征量，能够在很大程度上判别硅橡胶样品的老化状态，并且该方法简单、可行，具备在电网系统中推广使用的潜力。
