2017, Vol. 40
2. 重庆大学 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室, 重庆 400044
2. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing 400044, P. R. China
复合绝缘子[1-2]由于其质量轻、防污闪性能好、机械强度高等优点已广泛应用于高压输电线路中。复合绝缘子由芯棒、伞裙护套构成。其中，伞裙护套由高温硫化硅橡胶制成，用来保护芯棒不受大气中水分的侵蚀，同时提供必要的爬电距离。复合绝缘子在挂网使用[3-4]过程中，由于受到强电场以及恶劣的气候环境等因素(污秽、酸雨、高温等)的影响，使得绝缘子伞裙表面出现硬化、粉化、脆化以及憎水性退化等现象。这些现象导致复合绝缘子伞裙的绝缘性能下降，沿面闪络事故频发，严重威胁电力系统的安全运行。因此，正确评估复合绝缘子伞裙的老化状态，及时发现并更换严重老化的绝缘子，对保障电力系统的安全稳定运行至关重要。
目前，国内外针对复合绝缘子伞裙老化状态[5]的检测方法主要有直接观察法[6-7]、HC喷水分级法[8-10]、泄漏电流法[10-12]、接触角法[13]、热刺激电流法[14-16]等。直接观察法和HC喷水分级法易受到检修人员主观影响, 稳定性差；泄漏电流法中影响电流大小的因素复杂，随机性大，结果也不可靠；接触角法和热刺激电流法对测试环境的要求都很高，一般用于实验室条件下的离线测量，操作复杂，为有损的检测方法。迄今为止，尚未有一种方便现场对复合绝缘子伞裙进行无损检测方法能够对复合绝缘子伞裙的老化状态进行准确的评估。
传统的核磁共振技术是实验室检测高分子材料的重要手段[17]，而低场核磁共振技术由于其便携性和无损性，已成功用于现场检测橡胶材料的老化状态[18]。在之前的研究中，提出用便携式的低场核磁共振技术在工程现场对复合绝缘子伞裙的老化状态进行无损检测[19]。测量结果表明，这种传感器能成功的区别出不同使用年限的复合绝缘子伞裙的老化状态。但是该文献中的NMR传感器为2块永磁体相对的U型结构，静态磁场B0位于2块磁体中间，需要根据被测绝缘子的厚度调节2块永磁体的间距，这改变了B0场的分布, 需要及时调整射频匹配电路，加大了现场操作难度。此外，由于该传感器的B0场不均匀，为了获得信噪比较高的核磁共振信号，需要增加扫描次数从而加长了测量时间，另外，B0场的不均匀使信噪比较低。
复合绝缘子伞裙的上表面比下表面的老化程度更加严重，因此，上表面更加适用于测量。为了弥补便携式低场核磁共振传感器的不足，提出使用单边核磁共振(unilateral nuclear magnetic resonance, UMR)传感器检测复合绝缘子的老化程度。这种UMR传感器的B0场平行于传感器上表面，而且在测量过程中不需要调节传感器的结构。为了提高信噪比，同时对射频线圈的结构进行了优化。
1 单边核磁共振传感器针对复合绝缘子伞裙的结构特点，设计如图 1所示的单边核磁共振传感器。该传感器主要包括长方形永磁体、铝壳、射频线圈及其调谐匹配电路。永磁体用来产生静态磁场B0，铝壳用来组装磁体，射频线圈用来发射激励脉冲和接收样品的核磁共振回波信号，调谐匹配电路可以使电路达到阻抗匹配，使电路在共振频率点达到谐振，传感器测量复合绝缘子伞裙示意如图 2所示。
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图 1 单边核磁共振传感器结构图 Figure 1 Structure of the UMR sensor |
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图 2 单边核磁共振传感器测量复合绝缘子伞裙示意图 Figure 2 The schematic diagram of composite insulator shed tested by the UMR sensor |
静态磁场B0越均匀，被激励的氢原子越多，可以获得更高的信噪比。为了产生1个相对均匀的磁场B0，实现工程现场检测，在优化设计磁体结构时，还需要考虑传感器的便携性。如图 1所示，设计的传感器磁体结构由尺寸相同的3个长方体永磁块(SmCo YXG-32L，上海磁建实业有限公司)组成，考虑到2片相邻绝缘子伞裙的间距以及伞裙的实际大小，将3个永磁块尺寸确定为10 mm(y)×10 mm(z)×30 mm(x)。
如图 1所示，3个磁块的磁化方向固定，通过调节中间磁块与2边磁块的相对位置来优化磁体上方目标区域内(距中间磁体上表面5 mm处，4 mm×4 mm×4 mm区域内)静态磁场的均匀度，从而确定最优磁体结构。文献[20]描述了具体的优化的过程。图 3为在Maxwell(Ansoft, Pittsburgh, PA, USA)中仿真所得的最优磁体结构在距离中间磁体表面不同高度处，分别在yoz面沿y轴方向(-2, 2) mm范围内直线上均匀的取11个点，将这些直线上的每一点的B0减去中心点的B0再除以中心点的B0的值代表磁场的均匀度, 即
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图 3 距离磁体不同高度处的磁场均匀度 Figure 3 Homogeneity of B0 of different distance above the magnet |
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图 4 不同表面的B0的分布 Figure 4 The distribution of B0 in the plane |
静态磁场的最优层面距离中间磁体的上表面为7.3 mm。由于射频磁场B1随着距离线圈表面距离的增加衰减的非常快，选定线圈上方0.5 mm处的平面为射频脉冲的最优平面，射频线圈被放置在离中间磁体表面6.8 mm处。文中使用平面矩形螺线线圈产生垂直于B0的B1场。
在单边核磁共振中，当样品被激励的体积、射频电流以及静态磁场相同时，线圈的信噪比可由式(1) 表示[21], 其中B1为射频磁场, R为射频线圈的交流电阻。因此，线圈的性能直接决定了核磁共振的信号质量。
| $ SNR \propto \frac{{{B_1}}}{{\sqrt R }}。 $ | (1) |
射频线圈使用双层线圈，双层线圈结构如图 5所示，相对于单层线圈的优点是上下层线圈产生的射频磁场叠加能够产生更强的射频磁场B1。
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图 5 双层线圈结构 Figure 5 The structure of the double-layer coil |
采用Maxwell仿真计算了不同结构的射频线圈。图 6给出了3种不同尺寸的射频线圈在测量平面上的射频磁场分布，三线圈均为相同匝数的双层线圈，1#的布线面积为11 mm×11 mm，2#的布线面积为12.5 mm×12.5 mm，3#的布线面积为14 mm×14 mm。因为B1是对称分布，图 7绘出了3个线圈沿x轴方向的相对信噪比曲线。结果显示：图 6(b)对应的线圈最优，不仅能保证有效选择主磁场最均匀的区域，而且具备相对较好的SNR。最优线圈的参数如下：布线面积为12.5 mm×12.5 mm，单层匝数为5匝，PCB厚度为2 mm的双层线圈。
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图 6 不同尺寸的3个线圈在最优层面的射频磁场的分布 Figure 6 Magnetic field distribution on the optimal plane of the three different RF coils |
其静态磁场B0和射频磁场B1在最优层面上的正交情况如图 8所示，B0与B1正交的部分较多表明B1得到了有效利用。
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图 8 B0和B1在最优层面的正交情况 Figure 8 Orthogonal condition of RF and static magnetic field in the optimal plane |
图 9给出了传感器的实际测量图。整个传感器折叠之后(包括夹钳)的尺寸为6 cm×9 cm×15 cm，质量为0.615 kg，结构小巧，方便携带。
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图 9 传感器(包含夹具)测量绝缘子伞裙样品示意图 Figure 9 The schematic diagram of composite insulator shed tested by NMR sensor(including the fixture) |
所有的实验测量均在室温下进行，传感器经射频功率放大器(TOMCO Technologies, Stepney, Australia)与核磁共振谱仪Kea2(Magritek, Wellington, New Zealand)相连。
测量的样品是某110 kV输电线路上分别使用2年、8年和11年的绝缘子伞裙样品, 实验前用清水将复合绝缘子表面清洗干净并自然风干。使用CPMG脉冲序列[22]测量样品的横向弛豫衰减波形，即图 10中所示的虚线。其中，d为脉冲宽度，TE为回波时间，A°180和A°90分别为180°脉冲幅值和90°脉冲幅值。
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图 10 测量所用的CPMG序列 Figure 10 CPMG pulse sequences used by tested |
在所有的测量中，CPMG序列的参数保持如下：d为6 μs，TE为140 μs，回波数为3 000，重复时间为1.5 s，A90o为-20 dB，A180o为-14 dB。在单边核磁共振实验中，由于B0的不均匀性，CPMG的峰值包络线随着等效横向弛豫时间T2eff按指数衰减而不是随着横向弛豫时间T2衰减。
由于单边核磁共振的磁场强度B0通常比较小，能够被激励的氢原子很少，为了获得理想的信噪比，扫描次数要比传统的核磁共振更多。理论上重复扫描次数越多，信噪比越好，但是实验的时间就越长, 这不适用于工程现场测量。为了尽量缩短测量的时间，同时得到具有较好信噪比的信号，需要合理设定重复扫描次数。图 11是以使用11年的绝缘子伞裙为样品绘出的扫描次数与信噪比的关系图。从图 11可知当重复扫描次数达到128次时，信噪比增加的幅度变小，因此，可以将扫描次数设定为128次, 使信噪比较好，不至于使测量时间过长。
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图 11 信噪比与扫描次数的关系 Figure 11 The relationship of SNR and the number of scans |
每个复合绝缘子样品分别被测量了3次，图 12是对使用了11年的复合绝缘子样品测量后作出的CPMG回波峰值包络线。
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图 12 CPMG回波信号的峰值和峰值进行单指数拟合的结果 Figure 12 The CPMG echo signal peaks and the result of single exponential fitting of the peaks |
将所有的测量数据按式(2) 进行单指数拟合，其中y是拟合曲线的幅值，t是n×TE, n是回波数。拟合结果如表 1所示。
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表 1 3个样品测量数据的单指数拟合结果 Table 1 The results of single exponential fitting of the three samples tested data ms |
| $ y = A{{\rm{e}}^{ - t/{T_{2{\rm{eff}}}}}}。 $ | (2) |
由单指数拟合的结果可见，随着使用时间的增加其等效横向弛豫时间T2eff逐渐减小。
多种导致复合绝缘子老化的含H基团的存在，对使用了11年的复合绝缘子样品的测量数据进行反拉普拉斯变换处理，可以得到由3个波峰组成的横向弛豫时间谱曲线如图 13所示，其中长T2(T2long)成分所占的比例最大，比短T2成分更加能够体现复合绝缘子的老化程度。因此，只截取长T2成分作为判断复合绝缘子伞裙老化程度的指标。
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图 13 使用11年的复合绝缘子伞裙样品的T2分布 Figure 13 Distributions of T2 for composite insulator sheds sample used for 11 years |
为了得到绝缘子伞裙样品的T2一维谱分布，对得到的CPMG回波数据进行反拉普拉斯变换处理[23-25]，3个样品的T2long分布如图 14所示。实验结果通过单指数拟合和反拉普拉斯变换处理的结果均有这个趋势：随着使用年限的增加，对应的等效横向弛豫时间T2逐渐减小。
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图 14 3个样品测量结果进行反拉普拉斯变换的T2long分布 Figure 14 Distributions of T2long of inverse Laplace transform of the three samples tested data |
对应于表 1的测量数据用反拉普拉斯变换处理的结果如表 2所示。
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表 2 3个样品测量数据的反拉普拉斯变换的结果 Table 2 The results of inverse Laplace transform of the three samples tested data |
通过对比两种处理结果可知，不同样品之间通过T2一维谱分布得到的T2long参数之间的差别比通过单指数拟合处理得到的T2参数之间的差别要明显，误差更小，基于此，选择由反拉普拉斯变换处理的T2一维谱分布得到的T2long参数来表征复合绝缘子伞裙的老化程度。
3 结语便携式单边核磁共振传感器体积小质量轻，能够产生可靠的可重复的实验结果。由于其便携性，实验在几分钟以内可以实现现场测量。结果表明，复合绝缘子使用年限越长对应的T2long越小。下一步工作将专注于检测不同地区不同电压下的复合绝缘子伞裙的老化状态从而建立一个数据库。实验结果易受环境温度影响, 为确保实验温度变化时实验结果的稳定性，有必要提高传感器的温度稳定性。由于对复合绝缘子老化程度的检测研究还处于初级阶段, 有很多需要改进的地方，譬如磁场的均匀度以及传感器的抗噪声干扰的能力等。
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