CN111999610A - 一种基于活化能的干式绝缘设备老化评估与寿命预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于活化能的干式绝缘设备老化评估与寿命预测方法，包括以下步骤：对待测量的干式绝缘设备的环氧树脂材料进行TGA和介电谱实验，分别获得其未老化状态下的化学反应活化能、起始松弛活化能、起始击穿场强；建立干式绝缘设备实验室温度下老化时间与现场运行温度下老化时间的等效转换机制；确立干式绝缘设备寿命终止的失效判据；计算不同老化程度下试样的活化能，获得试样活化能随老化时间的变化关系,进行干式绝缘设备老化评估与寿命预测。本发明设计合理，实现了运用材料本征属性对设备的老化评估与寿命预测，为工程应用提供了技术指导。
Description
技术领域
本发明属于高电压试验领域，涉及干式绝缘设备的电气试验,尤其是一种基于活化能的干式绝缘设备老化评估与寿命预测方法。
背景技术
干式绝缘设备是保证电网稳定运行必不可少的一类设备，一般包括干式变压器和干式电抗器等。干式绝缘设备绝缘结构复杂，绝缘缺陷多样化，现有的在线监测方法与各种绝缘故障之间无法建立明确的对应关系。
目前，最常用的绝缘状态监测方法是局部放电检测，国内外通常将各种标准放电模式数据作为干式绝缘设备的老化状态评估依据。然而由于干式绝缘设备运行环境复杂，设备的安装过程、绝缘的不均匀性以及放电的微弱性都会影响测试的灵敏度，并且在放电监测系统的实际应用环境中，受到设备本身运行的影响，要实现局部放电的准确测量难度很大，因此这种诊断方法测试的结果很大程度上不能保证绝缘老化状态评估的准确性。
另外，局部放电、电气与介电性能等传统测量手段，多为绝缘状态的间接反映，无法建立状态特征参量与环氧树脂劣化过程的直接联系，导致干式绝缘设备劣化过程与不明原因故障的诱发机制不清晰、无法有效预警不伴随明显局部放电的隐性缺陷、剩余寿命评估不准确等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于活化能的干式绝缘设备老化评估与寿命预测方法，解决了无法有效预警不伴随明显局部放电的隐性缺陷、剩余寿命评估不准确等问题。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于活化能的干式绝缘设备老化评估与寿命预测方法，包括以下步骤：
步骤1：对待测量的干式绝缘设备的环氧树脂材料进行TGA和介电谱实验，分别获得其未老化状态下的化学反应活化能、起始松弛活化能、起始击穿场强；
步骤2：建立干式绝缘设备实验室温度下老化时间与现场运行温度下老化时间的等效转换机制；
步骤3：通过交流击穿试验，确立干式绝缘设备寿命终止的失效判据；
步骤4：通过老化试验,计算不同老化程度下试样的活化能，获得试样活化能随老化时间的变化关系,进行干式绝缘设备老化评估与寿命预测。
而且，所述步骤2中的等效转换机制采用Arrhenius稳态温度加速模型建立，其公式为：
其中：M为失效敏s感参数；t为实验时间，单位为h；A为常数；Ea为化学反应活化能，单位为J/mol；k为Boltzmann常数，8.314J/(K·mol)；T为绝对温度，单位为K。
而且，所述步骤2的具体实现步骤为：对Arrhenius稳态温度加速模型公式进行积分，可得：
其中，T0为材料正常工作温度；T为实验室加速热老化温度；t0为材料正常工作温度下对应的某一状态点的时间；t为材料实验室加速热老化温度下对应同一状态点的时间；
由于在正常条件和加速条件下，材料的失效判据相同，即M＝M0，进一步得到：
令：
于是得到干式绝缘设备实验室温度下老化时间与现场运行温度下老化时间的等效转换公式：
式中：AF为老化加速因子，它的数值含义是材料在T温度下1单位的有效时间等效于T0温度下AF倍单位的有效时间。
而且，所述步骤3确立干式绝缘设备寿命终止的失效判据的方法为：先搭建交流击穿实验平台，采用环氧树脂材料模拟干式绝缘设备进行交流击穿实验，将击穿电压下降至起始值的50％作为环氧树脂材料寿命终止的界定标志，对不同老化状态的环氧树脂试样进行击穿场强测量试验，在设定老化温度下，测量环氧树脂在不同老化时间的击穿场强，进而获得其击穿场强随老化时间的变化关系曲线，根据曲线找到击穿场强下降至起始值50％对应的时间，即环氧树脂寿命终止的时间，再利用步骤2中等效转换机制计算出正常工作温度下的终止时间，所述终止时间即为环氧树脂的总寿命。
而且，所述步骤4的具体实现步骤为：
采用环氧树脂材料模拟干式绝缘设备，在实验室对环氧树脂试样开展老化试验，测量不同老化程度下环氧树脂的松弛活化能，获得环氧树脂的松弛活化能随老化时间的变化关系曲线，根据步骤3中得到的环氧树脂寿命终止的时间找出其寿命终止时对应的松弛活化能，作为基于活化能判断环氧树脂材料老化状态评估和剩余寿命预测的寿命终止标准值；
通过观察环氧树脂的松弛活化能随老化时间的变化关系曲线的变化规律将环氧树脂的老化状态分为老化前期和老化中、后期；
通过测量当前状态下环氧树脂的松弛活化能数值大小，在环氧树脂的松弛活化能随老化时间的变化关系曲线中找到当前数值所对应的老化时间，利用步骤3中计算出的总寿命减去此老化时间即可获得材料的剩余寿命时间；最后乘以加速老化因子AF即可获得环氧树脂在工作温度下实际的剩余寿命时间。
而且，所述老化前期和老化中、后期的界定标准为：当曲线处于上下波动状态时，将此状态认定为老化前期；当曲线处于单调上升或者波动后缓慢上升状态时，将此状态认定为老化中、后期。
本发明的优点和积极效果是：
1.本发明通过Arrhenius稳态温度加速模型建立了干式绝缘设备实验室温度下老化时间与现场运行温度下老化时间的等效转换机制，可将实验室较高温度下加速热老化的时间与现场正常工作温度下的运行时间等效转化，实现了运用材料本征属性对设备的老化评估与寿命预测功能，能够准确地对干式绝缘设备进行老化评估及寿命预测。
2.本发明利用交流击穿实验确立干式绝缘设备寿命终止的失效判据，能准确计算出其总寿命。
3.本发明通过环氧树脂的松弛活化能随老化时间的变化关系曲线确立了干式绝缘设备的两种老化状态，再根据测量到的每个老化状态下松弛活化能数值，找到其对应的老化时间，进而计算出环氧树脂的剩余寿命。
附图说明
图1为本发明的交流击穿实验平台示意图；
图2为130℃环氧树脂击穿场强与老化时间关系曲线图；
图3为130℃环氧树脂击穿场强与老化时间预测关系曲线图；
图4为130℃环氧树脂松弛活化能与老化时间的预测关系曲线图；
图5为130℃下环氧树脂活化能与老化时间的波折关联关系图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：
一种基于活化能的干式绝缘设备老化评估与寿命预测方法，包括以下步骤：
步骤1：对待测量的干式绝缘设备的环氧树脂材料进行TGA和介电谱实验，分别获得其未老化状态下的化学反应活化能、起始松弛活化能、起始击穿场强。
在步骤中，化学反应活化能用于加速老化因子AF的计算，击穿场强用于干式绝缘设备寿命的计算，松弛活化能用于老化状态的描述。
步骤2：建立干式绝缘设备实验室温度下老化时间与现场运行温度下老化时间的等效转换机制。
由于在实验室对干式绝缘设备用环氧树脂材料模拟的老化条件为高于长期工作温度的加速老化，因此，需要建立与现场运行温度下干式绝缘设备运行时间的等效转换机制。
在本步骤中，等效转换机制采用Arrhenius稳态温度加速模型建立，其公式为：
其中：M为失效敏感参数；t为实验时间，单位为h；A为常数；Ea为化学反应活化能，单位为J/mol；k为Boltzmann常数，8.314J/(K·mol)；T为绝对温度，单位为K。
对上式进行积分，可得：
其中，T0为材料正常工作温度；T为实验室加速热老化温度；t0为材料正常工作温度下对应的某一状态点的时间；t为材料实验室加速热老化温度下对应同一状态点的时间。
在正常条件和加速条件下，材料的失效判据相同，即M＝M0，进一步得到：
令：
于是得到干式绝缘设备实验室温度下老化时间与现场运行温度下老化时间的等效转换公式：
式中：AF为老化加速因子，它的数值含义是材料在T温度下1单位的有效时间等效于T0温度下AF倍单位的有效时间。
因为相同材料的同一失效标志点对应相同的失效活化能，所以可将实验室较高温度下加速热老化的时间与现场正常工作温度下的运行时间等效转化。
步骤3：通过交流击穿试验确立干式绝缘设备寿命终止的失效判据。
在本步骤中，确立失效判据的具体步骤为：
如图1所示，首先搭建交流击穿实验平台，采用环氧树脂材料模拟干式绝缘设备进行交流击穿实验，将击穿电压下降至起始值的50％作为环氧树脂材料性能终点的界定标志，对不同老化状态的环氧树脂试样进行击穿场强测量试验。在设定老化温度下，对多组环氧树脂试样老化不同时间，并测量不同老化程度下环氧树脂试样的击穿场强，进而获得试样击穿场强随老化时间的变化关系。
如图2所示，以老化温度130℃为例，将环氧树脂试样分为11组，分别对应老化时间0h、96h、192h、288h、384h、480h、576h、672h、768h、864h、960h、1056h，每组5个试样。测量试样击穿场强，并将5个试样的击穿场强的平均值作为该老化程度对应的电场强度，从而获得环氧树脂试样在130℃下击穿场强随老化时间的变化关系，对曲线进行拟合，得到以下公式：
其中y1为试样击穿场强，x1为与之对应的老化时间。
在老化试验结束时材料的绝缘强度有较大的下降，但尚未达到起始值的50％，为得到绝缘强度下降至起始值50％时对应的老化时间，将击穿场强最后一段的拟合曲线进行延伸，如图3所示。根据延长曲线，找到击穿场强下降至起始值50％对应的时间，环氧树脂试样在130℃下的寿命1880h。若干式绝缘设备的实际工作温度为80℃，由于130℃的老化加速因子为314.583，可以算出此状态下干式绝缘设备在80℃下的寿命为67.529a。
步骤4：通过老化试验,计算不同老化程度下试样的活化能，获得试样活化能随老化时间的变化关系,进行干式绝缘设备老化评估与寿命预测。
在本步骤中，通过计测量环氧树脂的活化能来进行老化评估及寿命预测，其具体实现方法为：在实验室对环氧树脂试样开展老化试验，测量计算不同老化程度下试样的活化能，从而获得试样活化能随老化时间的变化关系。以老化温度130℃为例，对环氧树脂样品开展老化试验，测量不同老化程度下试样的活化能，获得了试样活化能与老化时间的关联关系曲线，如图4所示，对曲线进行拟合从而得到以下公式：
其中y2为130℃下样品的松弛活化能，x2是与之对应的老化时间。
为了得到环氧树脂在寿命终止时对应的松弛活化能，将松弛活化能变化曲线最后一段的拟合曲线进行延伸，如图4所示。130℃时环氧树脂材料到达寿命终止的时间为1880h，根据附图4可知，寿命终止时对应的松弛活化能为209.741kJ/mol，由此可以确定环氧树脂寿命终结时的活化能数值，作为基于活化能判断环氧树脂材料老化状态和寿命预测的寿命终止标准值。
在判断环氧树脂的剩余寿命之前，要先判断环氧树脂所处的老化状态。所述老化状态分为两种，一种是老化前期，另一种是老化中、后期或从老化前期向老化中、后期过度。
如图5所示，随着老化进程的继续，环氧树脂试样的松弛活化能并不是单调上升的，而是波折上升的，甚至在最初一个阶段会先有所下降，但均在起始的松弛活化能附近波动，波动范围是93.2％-109.5％，此阶段即为环氧树脂的老化前期。当环氧树脂的松弛活化能出现单调上升或波动之后逐渐上升的状态，则环氧树脂的状态为老化中、后期或从老化前期向老化中、后期过渡。
在评估干式绝缘设备的老化状态及剩余寿命时，需要在设备全新未使用的状态下先测量其起始松弛活化能。之后判断设备老化状态与绝缘寿命时，不能仅凭单次测量的环氧树脂材料松弛活化能，而应该在不同时间点对其进行多次测量，采集其在不同老化状态下的松弛活化能数值，并进行前后对比，观察被测环氧树脂样品是否处在老化前期。当干式绝缘设备的松弛活化能处于老化前期时(即在起始值的93.2％-109.5％附近波动)，可以以最坏情况预测其最少剩余寿命，即用老化前期向老化中、后期过渡的状态作为其老化状态，以此状态下的剩余寿命作为其最少剩余寿命。此状态对应的老化时间为864h，对应的松弛活化能为83.903kJ/mol，其在130℃下的等效剩余寿命为1016h，由于130℃的老化加速因子为314.583，可以算出此状态下干式绝缘设备在80℃下的预测剩余寿命为36.486a，即判定此干式绝缘设备在工作温度为80℃的环境下的剩余寿命大于36.486a。
若干式绝缘设备的松弛活化能处于老化中、后期时(即单调上升或波动之后逐渐上升的状态)，可以较准确预测其剩余寿命。测量干式绝缘设备的松弛活化能后，将其数值与130℃下松弛活化能与老化时间的关联规律模型比较，找出其对应的等效老化时间，即可获得其对应的等效剩余寿命。如干式绝缘设备某个状态的松弛活化能为140kJ/mol，根据此状态对应的老化时间为1557h，其在130℃下的等效剩余寿命为323h，由于130℃的老化加速因子为314.583，可以算出此状态下干式绝缘设备在80℃下的预测剩余寿命为11.6a，即判定此干式绝缘设备在工作温度为80℃的环境下的剩余寿命为11.6a。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
Claims (6)
1.一种基于活化能的干式绝缘设备老化评估与寿命预测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：对待测量的干式绝缘设备的环氧树脂材料进行TGA和介电谱实验，分别获得其未老化状态下的化学反应活化能、起始松弛活化能、起始击穿场强；
步骤2：建立干式绝缘设备实验室温度下老化时间与现场运行温度下老化时间的等效转换机制；
步骤3：通过交流击穿试验，确立干式绝缘设备寿命终止的失效判据；
步骤4：通过老化试验,计算不同老化程度下试样的活化能，获得试样活化能随老化时间的变化关系,进行干式绝缘设备老化评估与寿命预测。
2.根据权利要求1所述的一种基于活化能的干式绝缘设备老化评估与寿命预测方法其特征在于：所述步骤2中的等效转换机制采用Arrhenius稳态温度加速模型建立，其公式为：
其中：M为失效敏s感参数；t为实验时间，单位为h；A为常数；Ea为化学反应活化能，单位为J/mol；k为Boltzmann常数，8.314J/(K·mol)；T为绝对温度，单位为K。
3.根据权利要求2所述的一种基于活化能的干式绝缘设备老化评估与寿命预测方法其特征在于：所述步骤2的具体实现步骤为：对Arrhenius稳态温度加速模型公式进行积分，可得：
其中，T0为材料正常工作温度；T为实验室加速热老化温度；t0为材料正常工作温度下对应的某一状态点的时间；t为材料实验室加速热老化温度下对应同一状态点的时间；
由于在正常条件和加速条件下，材料的失效判据相同，即M＝M0，进一步得到：
令：
于是得到干式绝缘设备实验室温度下老化时间与现场运行温度下老化时间的等效转换公式:
式中：AF为老化加速因子，它的数值含义是材料在T温度下1单位的有效时间等效于T0温度下AF倍单位的有效时间。
4.根据权利要求1所述的一种基于活化能的干式绝缘设备老化评估与寿命预测方法，其特征在于：所述步骤3确立干式绝缘设备寿命终止的失效判据的方法为：先搭建交流击穿实验平台，采用环氧树脂材料模拟干式绝缘设备进行交流击穿实验，将击穿电压下降至起始值的50％作为环氧树脂材料寿命终止的界定标志，对不同老化状态的环氧树脂试样进行击穿场强测量试验，在设定老化温度下，测量环氧树脂在不同老化时间的击穿场强，进而获得其击穿场强随老化时间的变化关系曲线，根据曲线找到击穿场强下降至起始值50％对应的时间，即环氧树脂寿命终止的时间，再利用步骤2中等效转换机制计算出正常工作温度下的终止时间，所述终止时间即为环氧树脂的总寿命。
5.根据权利要求1所述的一种基于活化能的干式绝缘设备老化评估与寿命预测方法其特征在于：所述步骤4的具体实现步骤为：
采用环氧树脂材料模拟干式绝缘设备，在实验室对环氧树脂试样开展老化试验，测量不同老化程度下环氧树脂的松弛活化能，获得环氧树脂的松弛活化能随老化时间的变化关系曲线，根据步骤3中得到的环氧树脂寿命终止的时间找出其寿命终止时对应的松弛活化能，作为基于活化能判断环氧树脂材料老化状态评估和剩余寿命预测的寿命终止标准值；
通过观察环氧树脂的松弛活化能随老化时间的变化关系曲线的变化规律将环氧树脂的老化状态分为老化前期和老化中、后期；
通过测量当前状态下环氧树脂的松弛活化能数值大小，在环氧树脂的松弛活化能随老化时间的变化关系曲线中找到当前数值所对应的老化时间，利用步骤3中计算出的总寿命减去此老化时间即可获得材料的剩余寿命时间；最后乘以加速老化因子AF即可获得环氧树脂在工作温度下实际的剩余寿命时间。
6.根据权利要求5所述的一种基于活化能的干式绝缘设备老化评估与寿命预测方法其特征在于：所述老化前期和老化中、后期的界定标准为：当曲线处于上下波动状态时，将此状态认定为老化前期；当曲线处于单调上升或者波动后缓慢上升状态时，将此状态认定为老化中、后期。
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