對應(yīng)用氧化動(dòng)力學(xué)方程預(yù)測變壓器油剩余使用壽命的研究

宋爽 劉翔

摘要：本文主要介紹應(yīng)用氧化動(dòng)力學(xué)方程，對變壓器絕緣油的剩余壽命進(jìn)行研究，從而更有針對性的制定變壓器油的檢修周期。

關(guān)鍵詞：變壓器油；壽命研究；動(dòng)力學(xué)方程

1 前言

隨著中國鐵路行業(yè)對機(jī)車檢修工作的重視度不斷提升，對機(jī)車主要部件的壽命研究工作就顯得尤為重要。通過掌握主要部件的壽命，可以更有針對性的制定部件的檢修周期，避免在部件沒有達(dá)到運(yùn)用時(shí)限之前對其進(jìn)行更新，造成浪費(fèi)。變壓器油狀態(tài)的好壞作為維持變壓器安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一，決定著機(jī)車運(yùn)行的可靠性，所以研究變壓器油的壽命意義重大。

2 變壓器油的作用及影響

變壓器油是一種重要的絕緣介質(zhì)，對油浸電力設(shè)備起到絕緣、滅弧、散熱冷卻等保護(hù)作用，其油質(zhì)狀態(tài)直接關(guān)系到變壓器乃至整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。隨著相關(guān)電氣設(shè)備的運(yùn)行，變壓器油在使用過程中受溫度、氧氣、絕緣材料等的影響，在變壓器金屬構(gòu)件、電磁場及日光等的催化作用下，油質(zhì)不可避免地會(huì)發(fā)生老化，生成羧酸、環(huán)烷酸、醛、酮等氧化產(chǎn)物，使變壓器油出現(xiàn)酸值升高、界面張力降低、析出油泥，介質(zhì)損耗因數(shù)、擊穿電壓和體積電阻率等電氣性能指標(biāo)不合格，以及局部放電和色譜異常等現(xiàn)象，導(dǎo)致變壓器故障時(shí)有發(fā)生。

3 動(dòng)力學(xué)方程的應(yīng)用

由于變壓器油直接影響變壓器的運(yùn)用可靠性，所以采用科學(xué)的換油周期以保證變壓器油的油品質(zhì)量對于變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行及維護(hù)至關(guān)重要。目前機(jī)車變壓器的大修周期為12年，而變壓器油則需要繼續(xù)維持運(yùn)用，所以極為需要對變壓器油的剩余使用壽命進(jìn)行預(yù)估，以判斷運(yùn)用超過12年的變壓器油是否可以維持運(yùn)用到下一個(gè)大修周期。準(zhǔn)確評估油品的剩余有效壽命（RUL）對科學(xué)預(yù)測設(shè)備故障及設(shè)備防護(hù)具有重要意義，近年來已成為研究的熱點(diǎn)。

R. Criso?stomo Rabelo Neto等人在實(shí)驗(yàn)室加速老化條件下，應(yīng)用氧化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型研究環(huán)烷基變壓器油中酚類抗氧劑和金屬鈍化劑的聯(lián)合作用，龐晉山等學(xué)者已將氧化動(dòng)力學(xué)模型應(yīng)用于烴基潤滑油上以預(yù)測其剩余壽命，柴油和食用油等的氧化動(dòng)力學(xué)也被許多學(xué)者研究。

目前我國及相關(guān)國際組織關(guān)于變壓器油質(zhì)量規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)較多，例如《GB/T 7595-2008運(yùn)行中變壓器油質(zhì)量》、《GB/T 14542-2017變壓器油維護(hù)管理導(dǎo)則》等，但都是對現(xiàn)有情況的界定規(guī)范，并未延伸到在未來一段時(shí)間內(nèi)變壓器油的劣化情況。而且目前對于變壓器油的氧化研究，主要集中于其氧化機(jī)理、氧化安定性評價(jià)方法及抗氧劑使用等方面，關(guān)于氧化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)變化規(guī)律還涉及較少?；谇叭死碚摻?jīng)驗(yàn)，本文嘗試將氧化動(dòng)力學(xué)基本理論應(yīng)用于變壓器油的老化過程，通過不同溫度下模擬老化實(shí)驗(yàn)得到的各性質(zhì)數(shù)據(jù)，建立變壓器油在加速熱老化條件下的動(dòng)力學(xué)方程，并得到反應(yīng)速率常數(shù)K和活化能Ea，進(jìn)而建立變壓器油剩余有效壽命的預(yù)估模型。實(shí)驗(yàn)室模擬老化加快了變壓器油的劣化速度，但兩者的老化趨勢是一致的。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室加速熱老化情況，可以對實(shí)際運(yùn)行條件下油品的各性能進(jìn)行測試分析，找到對應(yīng)關(guān)系成倍放大時(shí)間跨度，以此預(yù)測在用變壓器油的剩余使用壽命，為確定變壓器油的科學(xué)換油周期提供參考。這對變壓器設(shè)備定時(shí)檢修、及時(shí)采取再生及換油措施、排除安全隱患具有一定的指導(dǎo)意義。

變壓器油的老化實(shí)質(zhì)上是油中烴分子與氧氣或含氧化合物發(fā)生反應(yīng)的過程，其反應(yīng)速率常數(shù)符合Arrhenius方程。因此通過實(shí)驗(yàn)測試分析油品特定性能參數(shù)如酸值、介質(zhì)損耗因數(shù)及擊穿電壓等的變化，基于氧化動(dòng)力學(xué)基本原理建立模型，可快速預(yù)測變壓器油的剩余使用時(shí)間。

對于同一種變壓器油來講，油中烴分子與氧氣的反應(yīng)當(dāng)量是固定的，因此可以用反應(yīng)速率代替反應(yīng)速率常數(shù)，即：

v=Δw/Δt=A0exp（-Ea/RT） （1）

式（1）中：表征量w可以是變壓器油的任一性能參數(shù)，本實(shí)驗(yàn)為酸值、介質(zhì)損耗因數(shù)和擊穿電壓，Δw表示其在一定時(shí)間內(nèi)（Δt）的變化值；A0表示固定反應(yīng)當(dāng)量條件下的頻率因子；Ea為固定反應(yīng)當(dāng)量條件下的活化能；R=8.314kJ/（mol·K）。

所以有：

Δw=A0exp（-Ea/RT）·Δt （2）

式（1）兩邊求對數(shù)：

ln（Δw/Δt）=lnA0-Ea/RT

根據(jù)（Δw/Δt）-T的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過擬合可以建立1/T與ln（Δw/Δt）的線性回歸方程，由回歸直線的斜率和截距可求得反應(yīng)活化能Ea和指前因子A0，進(jìn)而得到Δw-t的函數(shù)關(guān)系，由此可以計(jì)算出變壓器油在一定溫度下的剩余使用時(shí)間。

4 試驗(yàn)方法

使變壓器油在接觸空氣的情況下，分別在70℃、90℃、100℃、110℃下對其進(jìn)行恒溫?zé)崂匣?，分別取老化時(shí)間10h、20h、30h、40h、50h、60h、70h、90h、120h、140h。之后對變壓器油酸值、水溶性酸值、介質(zhì)損耗因數(shù)、界面張力及擊穿電壓四個(gè)性能指標(biāo)在不同溫度下的變化情況進(jìn)行測試分析。

同時(shí)從現(xiàn)有使用的部分機(jī)車上對在用變壓器油進(jìn)行取樣，然后測定酸值、介質(zhì)損耗因數(shù)、擊穿電壓、界面張力。

通過模型數(shù)據(jù)，求出反應(yīng)活化能Ea和指前因子A0，建立油品四個(gè)參數(shù)的預(yù)測模型，并利用現(xiàn)有的在用變壓器油數(shù)據(jù)進(jìn)行校對和驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：中車大連機(jī)車車輛有限公司）