CN109142204A - 一种换流变密封件多因素老化试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换流变密封件多因素老化试验方法，包括步骤1、密封件试样的制备；步骤2、试验工装的制备；步骤3、密封件试样的安装；步骤4、根据换流变密封件应用场合的温度、机械应力和电场作用情况，选取多个温度值、多个机械应力值、多个电场强度值，采用交叉试验方法，开展多次老化试验；步骤5、选取硬度、拉伸性能、压缩永久变形率、外观检查作为性能评价指标，根据试验前后的性能评价指标，评估密封件试样的老化情况。本发明的老化试验方法，综合考虑温度、变压器油介质、机械应力、电场多因素作用对密封材料的影响，更有效地模拟换流变密封件在服役过程中的实际环境，提高老化试验的准确度。

Description

一种换流变密封件多因素老化试验方法

技术领域

本发明涉及一种换流变密封件多因素老化试验方法。

背景技术

换流变压器是直流输电工程中的关键设备之一，其运行状况直接关系到系统的安全稳定运行。

橡胶类密封材料有着弹性好、寿命长、耐腐蚀性好、制造工艺简单、成本低等优势，所以是目前应用最广的一种密封材料。但橡胶密封材料作为一种高分子材料，在实际应用中也会存在许多弊端，其中以材料过快老化所引发的质量问题最为严重。这是由于橡胶密封材料在长期贮存以及服役过程中，可能会受到如氧、热、变压器油、电场、机械应力等多种环境因素的影响，其性能会随着时间的增加而逐渐衰减，主要表现在橡胶材料发生脆化、硬化、粉化、开裂、憎水性下降等老化现象，甚至丧失使用性能而失去密封效用。

直流输电工程中换流变的橡胶密封材料因使用环境相对比较恶劣，密封件老化、开裂以及密封不良等导致设备渗漏油、换流变含气量含水量超标，严重时甚至引起换流变故障。针对上述由于设备密封性能不良引起的换流故障问题，国内也缺乏规程指导运维人员确定密封件更换周期和材料选型，造成了设备运行后密封问题比较突出。

为评估换流变密封件的老化情况，往往采用老化试验的方法。但是，现阶段的技术往往采用单影响因子的加速老化试验方法，仅考虑热老化、变压器油老化、电场老化、机械应力老化等单一影响因素，无法模拟换流变密封件在长期贮存和服役过程中的实际环境，试验结果误差较大，试验的有效性有待进一步评估。

发明内容

针对上述问题，本发明综合考虑温度、变压器油、电场和机械应力等多种环境因素的影响，提供一种换流变密封件多因素老化试验方法，能更有效地模拟换流变密封材料在服役过程中的实际环境，提高老化试验的准确度。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种换流变密封件多因素老化试验方法，包括以下步骤：

步骤1、密封件试样的制备：选取丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、丙烯酸酯橡胶、氟橡胶或氟硅橡胶制成圆柱形或细长条的密封件试样；

步骤2、试验工装的制备：试验工装包括变压器油盛放器具、电极和机械应力预载荷夹具，电极和机械应力预载荷夹具通过瓷绝缘子固定在变压器油盛放器具的箱壁上，机械应力预载荷夹具位于电极的下极板和上极板之间，电极的上极板通过导线与试验电源连接，机械应力预载荷夹具用于对密封件试样施加机械应力，电极用于对密封件试样施加电场作用，变压器油盛放器具用于盛放变压器油；

步骤3、密封件试样的安装：先将密封件试样固定在机械应力预载荷夹具中，然后向变压器油盛放器具充满变压器油，最后将试验工装放置于热老化试验箱中；

步骤4、根据换流变密封件应用场合的温度、机械应力和电场作用情况，选取多个温度值、多个机械应力值、多个电场强度值，采用交叉试验方法，开展多次老化试验；

步骤5、选取硬度、拉伸性能、压缩永久变形率、外观检查作为性能评价指标，根据试验前后的性能评价指标，评估密封件试样的老化情况。

作为本发明的一种改进，还包括步骤6、选取压缩永久变形率作为评价指标，评估换流变密封件的剩余寿命，具体包括：

步骤61、根据热老化公式：

L_T＝A exp(F/kT) (1)

其中，L_T为单因素热老化试验时反应速率常数，A为指数因数，F为活化能，T为温度，k为摩尔气体常数；

电场老化公式：

L_E＝KE^-n (2)

其中，L_E为单因素电场老化试验时反应速率常数，K为指数因数，E为电场强度，n为指数常数；

机械老化公式：

L_s＝L₀exp((W-γδ)/kT)·S^-m (3)

其中，L_S为机械老化试验时反应速率常数，L₀为指数因数，W-γδ为温度作用因数，T为温度，k为摩尔气体常数，S为机械应力，m为指数常数；

构建热-机械-电场老化作用叠加公式：

L＝L_T·L_s·L_E＝B exp(U₀/kT)S^-mE^-n (4)

其中，L为温度、机械应力和电场共同作用下老化试验的反应速率常数，B为指数因数，U₀为温度作用因数，T为温度，k为摩尔气体常数；

步骤62、在不同的因素作用下，不同的反应速率以不同的反应时间t_i达到相同的临界值F_a，则：

F_a(t_i)＝L·t_i＝B exp(U₀/RT)S^-mE^-n·t_i (5)

对方程两边取对数，合并同类项后：

其中，t_i为反应时间，T为温度，S为机械应力，E为电场强度；

步骤63、将步骤4的试验数据代入公式(6)中，求取反应时间t_i与温度T、电场E以及机械应力S的关系参数k_T、k_E和k_S；

步骤64、根据公式(6)计算出在特定温度、电场和机械应力作用下换流变密封件的反映时间t_i，即为该换流变密封件的剩余寿命。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明的老化试验工装，集成机械应力预载荷夹具、电极和变压器油盛放器具，试验过程中，能同时对密封件试样施加温度、变压器油介质、机械应力和电场作用。

2、本发明的老化试验方法，综合考虑温度、变压器油介质、机械应力、电场多因素作用对密封材料的影响，更有效地模拟换流变密封件在服役过程中的实际环境，提高老化试验的准确度。

3、形成了换流变密封件多因素老化试验的具体流程，实现了换流变密封件剩余寿命的量化评估。

附图说明

图1为本发明的试验工装的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一种换流变密封件多因素老化试验方法，其包括：

步骤1、明确换流变密封件应用场合的温度、机械应力和电场作用情况。

以某±800kV换流站内换流变为例，换流变密封件的环境温度为年平均20℃，最高40℃，顶层油温升为55K，结构件的最高温升为75K。密封件在工作状态下承受的静态油压为79kPa；在出厂试验时承受的静态油压为109kPa，承受的真空负压为13.3Pa，承受的正压力为为100kPa。换流变密封件所处的电场场强在1.04～2.33kV/mm之间。

步骤2、梳理换流变应用场合的密封件材料类型，选取典型的五种密封件材料：丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、丙烯酸酯橡胶、氟橡胶、氟硅橡胶。

步骤3、密封件试样的制备：

整个制作工作在密炼车间进行，通过大型密炼机对橡胶和添加剂进行混炼后得到混炼胶，而后在实验室中使用开炼机压成1.0mm薄片，卷成16mm的小卷，剪断后填到模具中，再使用硫化平板在433K硫化20min，最终得到圆柱形和细长条橡胶试样，尺寸分别为Ф17.5×25mm和120×10×2mm。

步骤4、将密封件试样固定到专用的试验工装中：

如图1所示，密封件试样4放置在机械应力预载荷夹具3中，机械应力预载荷夹具3可商购获得，用于对密封件试样4施加机械应力，通过调节机械应力预载荷夹具3的高度调节机械应力值。密封件试样4连同机械应力预载荷夹具3一起放置在电极2中，电极2对密封件试样4施加电场作用，电极2的下极板保持地电位，电极2的上极板通过导线6与试验电源连接。密封件试样4连同机械应力预载荷夹具3、电极2均放置在变压器油盛放器具1中，变压器油盛放器具1充满变压器油，电极2、机械应力预载荷夹具3通过瓷绝缘子5固定在变压器油盛放器具1的箱壁上。

步骤5、将装有密封件试样的试验工装放置于热老化试验箱中，分别对密封件试样施加温度、变压器油、机械应力、电场作用：

根据换流变密封件应用场合，选取多个温度值、多个机械应力值、多个电场强度值，采用交叉试验方法，开展多次老化试验。

热老化试验箱分别设置80℃、90℃、100℃、110℃、120℃温度，调节机械应力预载荷夹具的紧固程度分别施加100kPa、200kPa、300kPa、400kPa、500kPa的机械压力，调节电极的电压分别施加1kV/mm、2kV/mm、3kV/mm、4kV/mm、5kV/mm的电场强度。

采用交叉试验方法，共计开展25次试验，每次试验的温度、机械应力和电场值如表1所示。

表1老化试验序号和施加因素值

步骤6、选取硬度、拉伸性能、压缩永久变形率、外观检查(是否龟裂)作为性能评价指标，分别在0、0.5、1、2、4、7、11、17、27、39、55、78、100天测取性能指标数据，对其老化前和老化后的性能进行比较。

步骤7、根据老化前后的性能评价指标的情况，评估密封材料的老化情况：

如在试验16中，试验对象为丙烯酸酯橡胶，试验温度110℃、机械应力100kPa、电场强度3kV/mm，在试验时间为100天时，压缩永久变形为0.4227，已经小于压缩永久变形的临界值0.5，老化严重。

步骤8、选取压缩永久变形率作为评价指标，评估密封材料的剩余寿命：

热老化公式，即阿累尼乌斯方程式：

L_T＝A exp(F/kT) (1)

其中，L_T为单因素热老化试验时反应速率常数，A为指数因数，F为活化能，T为温度，k为摩尔气体常数。

电场老化公式：

L_E＝KE^-n (2)

其中，L_E为单因素电场老化试验时反应速率常数，K为指数因数，E为电场强度，n为指数常数。

机械老化公式：

L_s＝L₀exp((W-γδ)/kT)·S^-m (3)

其中，L_S为机械老化试验时反应速率常数，L₀为指数因数，W-γδ为温度作用因数，T为温度，k为摩尔气体常数，S为机械应力，m为指数常数。

在温度、机械应力以及电场共同作用下的老化试验，多因素作用下老化试验的反应速率常数为单因素作用下各反应速率常数的乘积叠加。则热-机械-电场老化作用叠加公式为：

L＝L_T·L_s·L_E＝B exp(U₀/kT)S^-mE^-n (4)

其中，L为温度、机械应力以及电场共同作用下老化试验的反应速率常数，B为指数因数，U₀为温度作用因数，T为温度，k为摩尔气体常数。

在不同的因素作用下，不同的反应速率以不同的反应时间t_i达到相同的临界值F_a，则：

F_a(t_i)＝L·t_i＝B exp(U₀/RT)S^-mE^-n·t_i (5)

对方程两边取对数，合并同类项后：

其中，t_i为反映时间，T为温度，S为机械应力，E为电场强度。

可将试验数据代入公式中，求取反映时间t_i与温度T、电场E以及机械应力S的关系参数k_T、k_E和k_S。

最后，求取在特定温度、电场和机械应力作用下换流变密封材料的剩余寿命，剩余寿命即为反映时间t_i。

综上所述，本发明用于对换流变压器密封材料老化试验和剩余寿命评估，本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明提出新型老化试验工装，集成机械应力预载荷夹具、电极及变压器油盛放器具，同时对换流变密封材料施加温度、变压器油介质、机械应力、电场的作用；

2、本发明形成换流变密封件多因素老化试验方法，综合考虑温度、变压器油介质、机械应力、电场多因素作用对密封材料的影响，更有效地模拟换流变密封材料在服役过程中的实际环境，提高老化试验的准确度；

3、形成了换流变密封件多因素老化试验的具体流程，可实现换流变密封材料剩余寿命的量化评估。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种换流变密封件多因素老化试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、密封件试样的制备：选取丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、丙烯酸酯橡胶、氟橡胶或氟硅橡胶制成圆柱形或细长条的密封件试样；

步骤2、试验工装的制备：试验工装包括变压器油盛放器具、电极和机械应力预载荷夹具，电极和机械应力预载荷夹具通过瓷绝缘子固定在变压器油盛放器具的箱壁上，机械应力预载荷夹具位于电极的下极板和上极板之间，电极的上极板通过导线与试验电源连接，机械应力预载荷夹具用于对密封件试样施加机械应力，电极用于对密封件试样施加电场作用，变压器油盛放器具用于盛放变压器油；

步骤3、密封件试样的安装：先将密封件试样固定在机械应力预载荷夹具中，然后向变压器油盛放器具充满变压器油，最后将试验工装放置于热老化试验箱中；

步骤4、根据换流变密封件应用场合的温度、机械应力和电场作用情况，选取多个温度值、多个机械应力值、多个电场强度值，采用交叉试验方法，开展多次老化试验；

步骤5、选取硬度、拉伸性能、压缩永久变形率、外观检查作为性能评价指标，根据试验前后的性能评价指标，评估密封件试样的老化情况。

2.根据权利要求1所述的换流变密封件多因素老化试验方法，其特征在于：还包括步骤6、选取压缩永久变形率作为评价指标，评估换流变密封件的剩余寿命，具体包括：

步骤61、根据热老化公式：

L_T＝Aexp(F/kT) (1)

其中，L_T为单因素热老化试验时反应速率常数，A为指数因数，F为活化能，T为温度，k为摩尔气体常数；

电场老化公式：

L_E＝KE^-n (2)

其中，L_E为单因素电场老化试验时反应速率常数，K为指数因数，E为电场强度，n为指数常数；

机械老化公式：

L_s＝L₀exp((W-γδ)/kT)·S^-m (3)

其中，L_S为机械老化试验时反应速率常数，L₀为指数因数，W-γδ为温度作用因数，T为温度，k为摩尔气体常数，S为机械应力，m为指数常数；

构建热-机械-电场老化作用叠加公式：

L＝L_T·L_s·L_E＝Bexp(U₀/kT)S^-mE^-n (4)

其中，L为温度、机械应力和电场共同作用下老化试验的反应速率常数，B为指数因数，U₀为温度作用因数，T为温度，k为摩尔气体常数；

步骤62、在不同的因素作用下，不同的反应速率以不同的反应时间t_i达到相同的临界值F_a，则：

F_a(t_i)＝L·t_i＝Bexp(U₀/RT)S^-mE^-n·t_i (5)

对方程两边取对数，合并同类项后：

其中，t_i为反应时间，T为温度，S为机械应力，E为电场强度；

步骤63、将步骤4的试验数据代入公式(6)中，求取反应时间t_i与温度T、电场E以及机械应力S的关系参数k_T、k_E和k_S；

步骤64、根据公式(6)计算出在特定温度、电场和机械应力作用下换流变密封件的反映时间t_i，即为该换流变密封件的剩余寿命。