基于低场核磁共振原理的硅橡胶复合绝缘子伞裙老化无损测量方法

The number of the silicone rubber composite insulators in the power system of our country is increasing year by year. Accurate assessing and monitoring of the aging status of composite insulator are very important to the safe of power system, and attract increasing interests from the researchers.The existing methods are either not precise enough or not easy to be used in the site of power transmission lines. Therefore, a nondestructive, fast operating and precise method is in urgent need by the power company. This proposal presents a nondestructive method for measuring the aging status of the shed of silicone rubber insulator based on the low-field Nuclear Magnetic Resonance(NMR) principle.To fulfill this method,two key problems should be solved. One is to design a low-field NMR sensor to match the structure of the shed of the insulator.The other is to explain the relation between the NMR signal and the aging status of the insulator.To solve the first problem, an expansion method using Bessel series mixed with the Snell's law based equipotential surface approach will be employed to design a "clamping" magnet structure. To solve the second problem, an aging assessment method based on the 1D transverse relaxation spectrum is proposed,the location of the peak in the spectrum and its area integral will be employed to represent the aging status of the composite insulator. As a result,a nondestructive and precise aging assessment method for the composite insulator in site will be achieved.

硅橡胶复合绝缘子在我国电力系统中的用量逐年增加。对复合绝缘子老化状态的正确评估和监测关系到电力系统的安全运行，一直是研究者们关注的课题。现有的老化测量方法或不够精确，或不便于工程现场推广使用，电力系统急需一种快速准确的无损测量方法。本申请提出一种基于低场核磁共振原理的复合绝缘子伞裙老化无损评估方法，研究两个关键问题：一是以无损测量为目的设计出与绝缘子伞裙结构相匹配的低场核磁共振传感器；二是解释核磁共振信号与复合绝缘子材料老化之间的关系。针对第一个问题，拟根据贝塞尔级数展开法和以斯涅尔定理为基础的等位面法研究一种夹钳式传感器磁体结构；针对第二个问题，提出基于横向弛豫时间一维谱的老化分析方法，以谱线中的横向弛豫时间波峰位置和强度来表征复合绝缘子伞裙的老化成因和老化状态。最终形成一种便于现场操作的复合绝缘子老化状态精确无损分析方法。

硅橡胶复合绝缘子以其重量轻，机械强度高，不易破损，耐污性能好等特点，广泛应用于电力系统中。然而在使用过程中，随着时间的推移，由于强电场、高温日照、恶劣气候环境、以及污秽等诸多因素的共同作用，复合绝缘子的伞裙逐渐老化，呈现表面硬化、粉化、脆化，以及憎水性退化，乃至烧蚀、开裂的现象。这些老化现象严重影响复合绝缘子的绝缘性能。随着复合绝缘子在电力系统的用量逐年增加，对其老化状态的正确评估和监测对电力系统的安全运行有重要影响。现有的老化检测方法有直接观察法，喷水分级法，静态接触角法，动态接触法，热刺激电流法，泄漏电流法等，但是这些检测方法或是不够精准，或是不便于工程现场推广使用，因而急需一种快速准确的无损检测方法。本项目提出一种基于低场核磁共振原理的复合绝缘子伞裙老化无损评估方法。主要研究了以下内容：（1）以无损检测为目的设计了与绝缘子伞裙结构相匹配的迷你核磁共振传感器，该传感器包括产生静态磁场的磁体结构，射频线圈以及相应的便携式测量电路。重点研究了有限元算法，优化计算了核磁共振的磁体结构，研究了基于流函数的逆问题方法，优化设计了射频线圈结构。（2）建立了定量反映复合绝缘材料老化程度的核磁共振特征量，提出基于横向驰豫时间一维谱的老化分析方法：首先对核磁共振的回波信号进行快速傅里叶变换并进行带通滤波处理，提取出不同深度复合绝缘材料的时域回波信号，再对回波信号进行逆拉普拉斯变换，得到横向弛豫时间谱，最终以谱线中的横向弛豫时间波峰位置及强度来表征复合绝缘子伞裙的老化状态，实验证明使用年数越长的绝缘子，横向弛豫时间曲线衰减越快，即绝缘子老化程度加剧，其等效横向弛豫时间减少。（3）本项目最终形成了一种便于现场操作的复合绝缘子老化状态无损分析方法，并开发了便携式核磁共振测量系统，已经在重庆电力公司和云南电力公司完成了杆塔上的现场实验。