天廣HVDC 換流閥阻尼電阻O 型圈加速老化試驗及使用壽命研究

羅遠(yuǎn)峰，雷朝煜，吳保義，郝菁菁，張 松，魏孟剛

（1 中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局，貴州興義510670；2 南瑞集團(tuán)中電普瑞電力工程有限公司，北京102200）

高壓直流輸電（High-Voltage Direct Current transmission，以下簡稱“HVDC”）在電網(wǎng)中應(yīng)用日益廣泛，滿足了電能遠(yuǎn)距離傳輸需求，提高了電網(wǎng)運(yùn)行效率。阻尼電阻是HVDC 換流閥裝置核心功能器件之一，能夠抑制回路振蕩，限制晶閘管開通、關(guān)斷時阻尼電容充放電電流幅值和變化率di/dt，保證阻尼電容和晶閘管等器件安全、可靠運(yùn)行［1-2］。換流閥阻尼電阻發(fā)熱量大，一般采用水冷散熱方式，水冷電阻具有體積小、重量輕、功率密度大等優(yōu)點［3］。O 型圈是水電阻接口密封器件，其性能優(yōu)劣直接決定了水冷電阻密封性能，進(jìn)而影響阻尼電阻器使用壽命。

O 型圈密封性能主要來源于其高彈性和體積不可壓縮性。受壓狀態(tài)下O 型圈會對其工作面產(chǎn)生強(qiáng)大的彈性應(yīng)力，從而使冷卻液體（循環(huán)水）不致泄漏［4］。但O 型圈這種密封能力不是恒定不變的，它會由于長時間受力而產(chǎn)生應(yīng)力松弛、在高溫和介質(zhì)中長期工作而產(chǎn)生材料老化、在低溫環(huán)境下變硬發(fā)脆而失去彈性等，導(dǎo)致密封性能下降，無法承受高壓去離子循環(huán)水，最終發(fā)生漏水事故［5］。因此，O 型圈性能直接決定了換流閥水冷電阻器使用壽命，如何在短期內(nèi)評估換流閥阻尼電阻O 型圈的老化性能，預(yù)測其使用壽命，對于阻尼電阻器密封設(shè)計及工程應(yīng)用產(chǎn)品密封性能控制具有重要意義。

本文通過研究換流閥阻尼電阻O 型圈老化機(jī)理，提出了換流閥阻尼電阻O 型圈加速老化試驗方案及試驗數(shù)據(jù)的處理流程，在不改變試品失效機(jī)理和不增加新失效因子前提下，提高試驗溫度應(yīng)力，加速試品失效進(jìn)程，再根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，確定壽命模型中的待定參數(shù)，進(jìn)而估算出試品在實際使用工況條件下的預(yù)期壽命［6］。

1 加速老化試驗方案

1.1 試品簡介

天廣±500kV 直流輸電工程換流閥阻尼電阻為水冷式，額定電阻45Ω，額定進(jìn)水流量2L/min，進(jìn)水溫度≤49℃。每只水電阻采用兩只O 型圈用于電極接口的密封，其材質(zhì)為三元乙丙橡膠（EPDM），外形尺寸及安裝方式如圖1 所示。

圖1 天廣HVDC 換流閥阻尼電阻O 型圈外形尺寸及安裝方式Fig. 1 Overall dimension and installation mode of damping resistor O-ring of Tianguang HVDC converter valve

1.2 加速老化試驗方案設(shè)計

換流閥阻尼電阻O 型圈在使用過程中處于受壓狀態(tài)，會受到機(jī)械應(yīng)力、溫度、濕度、介質(zhì)及去離子水共同作用，從而導(dǎo)致橡膠老化，產(chǎn)生永久變形，其中溫度和應(yīng)力對橡膠的化學(xué)反應(yīng)速度有顯著影響［7］。溫度和應(yīng)力會破壞橡膠的分子結(jié)構(gòu)，使大分子斷裂，生成自由基，引發(fā)橡膠大分子氧化降解反應(yīng)［8］。因此，在溫度和應(yīng)力作用下O 型圈老化速度決定了其使用壽命。

將樣品O 型圈裝配到阻尼電阻器中，并在電阻內(nèi)部充滿去離子水，使O 型圈機(jī)械應(yīng)力、介質(zhì)環(huán)境與工程現(xiàn)場保持一致，避免了試驗條件與現(xiàn)場不一致帶來的誤差。O 型圈為橡膠材質(zhì)，在正常使用條件下的老化時間長達(dá)數(shù)年，為了縮短試驗時間，根據(jù)時溫等效原則，在不改變失效形式的前提下，將裝配好的電阻放在高溫鼓風(fēng)箱內(nèi)，通過提高工作溫度加快O 型圈老化速度，在較短時間內(nèi)得到其老化特性和數(shù)據(jù)。

1.3 性能指標(biāo)失效判據(jù)

O 型圈在壓縮狀態(tài)時，其內(nèi)部會發(fā)生物理化學(xué)變化，當(dāng)壓縮力消失后，這些變化阻止密封圈恢復(fù)到其原始狀態(tài)，于是就產(chǎn)生了壓縮永久變形ε。壓縮永久變形的大小取決于壓縮狀態(tài)的溫度、應(yīng)力和持續(xù)時間，該性能參數(shù)與橡膠材料密封性能關(guān)系最為密切［9-10］。因此，本試驗失效判據(jù)指標(biāo)選為壓縮永久變形保留率P（1-ε）。

不同材質(zhì)、不同安裝方式的O 型圈失效臨界值并不相同，為得到天廣HVDC 換流閥阻尼電阻O 型圈的失效臨界值，專門設(shè)計了水壓試驗。將性能參數(shù)P 不同的O型圈裝在冷卻水管測試系統(tǒng)內(nèi)，按規(guī)定的參數(shù)（試驗溫度30℃，試驗壓力1.6MPa，試驗時間60min）進(jìn)行靜水壓試驗。試驗過程中，壓縮永久變形保留率P 低于0.3的O 型圈出現(xiàn)密封處出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，因此失效判據(jù)定為0.3。

2 加速老化試驗方法及步驟

2.1 試驗方法

試品數(shù)量：換流閥阻尼電阻器40 只，每只電阻器安裝2 只O 型圈。

老化溫度：不同生膠、硫化體系的溫度上限不同，EPDM 最高為130℃，同時避免溫度過高引起水沸騰，選取4 個老化試驗溫度，分別為65、75、85、95 ℃。

老 化 時 間： 分 別 為2、5、8、11、15、19、23、28、33、40 d。

試驗設(shè)備： 電熱鼓風(fēng)干燥箱、水壓試驗設(shè)備、高精度測量儀表等。

2.2 試驗步驟

步驟①：測量O 型圈初始高度h0和壓縮后的高度h1，所有密封圈高度差不超過0.01mm；步驟②：將O型圈安裝至阻尼電阻器內(nèi)，所有O 型圈具有相同壓縮量，將電阻內(nèi)部充滿去離子水并密封；步驟③：打開4個電熱鼓風(fēng)干燥箱，當(dāng)電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)空氣溫度分別達(dá)到預(yù)期溫度時，將已裝配O 型圈的阻尼電阻放進(jìn)干燥箱，記錄開始試驗時間；步驟④：每當(dāng)試驗進(jìn)行到一個時間節(jié)點時，從4 個溫度電熱鼓風(fēng)干燥箱中，各取出1 只試樣電阻，取出EPDM 密封圈，在室溫下放置24h后測量O 型圈高度h2；步驟⑤：計算壓縮永久變形率ε（ε=［（ h0-h2）/(h0-h1)］×100%)及保留率1-ε，記錄數(shù)據(jù)。

換流閥阻尼電阻器O 型圈加速老化試驗和耐水壓試驗過程如圖2 所示。

圖2 換流閥阻尼電阻器O 型圈加速老化和耐水壓試驗照片F(xiàn)ig. 2 Photo of accelerated aging and water pressure test of O-ring of damping resistor of converter valve

3 加速老化試驗結(jié)果

不同溫度條件下O 型圈性能參數(shù)P（1-ε）的數(shù)據(jù)記錄見表1。

將表1 數(shù)據(jù)繪制成趨勢圖，如圖3 所示。

表1 不同溫度條件下O 型圈性能P（1-ε）數(shù)據(jù)記錄表Table 1 Performance P(1-ε) of O-ring with aging time under different temperature conditions

圖3 不同老化溫度下O 型圈性能P（1-ε）變化趨勢圖Fig. 3 Change trend of performance P(1-ε) of O-ring at different temperatures

從圖3 可以看出，老化時間τ 一定，老化溫度T 越高，O 型圈性能P 越低；老化溫度T 一定，老化時間τ 越長，O 型圈性能P 越低；性能P 和老化時間τ、溫度T 不是簡單線性關(guān)系。

4 數(shù)據(jù)處理及壽命預(yù)測

4.1 試驗數(shù)據(jù)處理

阻尼電阻O 型圈性能參數(shù)P 隨時間的變化符合動力學(xué)公式，采用坐標(biāo)變化方法，將圖3 中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為直線，計算出不同溫度下的反應(yīng)速度系數(shù)G，然后根據(jù)阿倫尼烏斯方程計算出工作溫度下的反應(yīng)速度系數(shù)G0，即可得到工作溫度下的動力學(xué)方程［7］。動力學(xué)方程形式和種類較多，式(1) 的精確性最好，因此本文用式（1）進(jìn)行回歸分析。

式(1)中，G 為老化速度系數(shù)；A 為反應(yīng)速度常數(shù)；τ 為老化時間；α 為經(jīng)驗常數(shù)，一般不隨溫度變化，0＜α≤1。

處理試驗數(shù)據(jù)可確定常數(shù)A、G 和α 數(shù)值，進(jìn)而得到適用于天廣HVDC 換流閥阻尼電阻O 型圈的加速壽命模型。

為了便于數(shù)值回歸分析，將式(1) 左右兩側(cè)同時取 自 然 對 數(shù)：LnP=LnA-Gτα， 令y=LnP，x=τα，α=LnA，b=-G，則式(1)可用y=α+bx 來表示。

α 值按逐次逼近法則求解，α 值范圍在0～1 之間，第一次設(shè)α=0.50，計算得到xi和yi數(shù)值見表2。

對于不同的老化溫度條件，按最小二乘法估算系數(shù)α 和b。

表2 當(dāng)α=0.50 時xi 與yi 數(shù)值Table 2 xi and yi values when α=0.50

式(2)中，xi為每個老化時間長度對應(yīng)的 xi=τα，τ單位為d，α 為預(yù)設(shè)值0.50，yi為每個老化時間節(jié)點對應(yīng)的為xi的平均值，為yi的平均值。

計算得到，95℃溫度下的a1=-0.1594，b1=-0.0956；85℃溫度下的a2=-0.1603，b2=-0.0666；75℃溫度下的a3=-0.1615，b3=-0.0456；65 ℃溫 度 下 的a4=-0.1584，b4=-0.0308。系數(shù)a 取不同溫度下回歸分析值的平均值，即a=(a1+a2+a3+a4)/4=-0.1599。

將常數(shù)a 和α 代入式(1)，得到四種不同老化溫度下的性能參數(shù)動力學(xué)方程。

將不同老化時間長度τ 分別代入式(3)，得到對應(yīng)老化溫度、不同時間節(jié)點性能參數(shù)計算值Pij，并計算式中為對應(yīng)老化溫度、不同時間節(jié)點性能參數(shù)實測值。

以0.01 為間隔，將α 更改為0.00～1.00 之間其他數(shù)值，得到不同的R 值，并繪制R 值變化曲線，如圖4 所示。

圖4 R 值隨α 值變化的趨勢圖Fig. 4 Trend diagram of R value changing with α value

從圖4 可以看出，當(dāng)α=0.60 時，R 值取到最小值，因此，系數(shù)α 取0.60。

不同溫度下的反應(yīng)速度G 和溫度T 的數(shù)值見表3。

表3 不同老化溫度下的反應(yīng)速度GTable 3 Reaction rate G at different aging temperatures

反應(yīng)速度常數(shù)G 與溫度1 /T 關(guān)系服從下式：

式（4）中：E 為表觀活化能，J/ mol；R 為氣體常數(shù)，J/(mol·K)；T 為熱力學(xué)溫度，K；B 為頻率因子，d-1。

式(4) 取 自 然 對 數(shù) 得 到： LnG=LnB-E/RT ，令y=LnG，x=1/T，m=LnB，n=-E/R， 則 式(4) 可 用y=m+nx 來表示。

根據(jù)表3 數(shù)據(jù)，利用最小二乘法，計算出m=10.44和n=-4704.95，即y=10.44-4704.95x，帶入式(4) 得到LnG=10.44-4704.95×1/T，如圖5 所示。

圖5 反應(yīng)速度自然對數(shù)LnG 與熱力學(xué)溫度倒數(shù)1/T 的關(guān)系Fig. 5 Relationship between logarithm of reaction rate LnG and reciprocal of thermodynamic temperature 1/T

4.2 使用壽命預(yù)測

根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，系數(shù) A= e-0.1599=0.8522，α=0.60，m=10.44 和n=-4704.95，分別帶入式(1)、式(4)得到天廣HVDC 換流閥阻尼電阻O 型圈樣品性能參數(shù)P符合下式：

式(5) 中，n 為使用年限，T 為實際工作溫度對應(yīng)的熱力學(xué)溫度值。

樣品O 型圈工作溫度為25℃、30℃和35℃時性能P 變化趨勢如圖6 所示。

圖6 樣品阻尼電阻O 型圈不同工作溫度下性能P 變化曲線Fig. 6 Performance P curve of O-ring of sample damping resistor under different working temperatures

從圖6 可以看出，隨著使用年限的增加，樣品O 型圈的性能P 不斷下降。使用溫度越高，性能參數(shù)P 下降速度越快。

為了準(zhǔn)確推測器件使用壽命，將式(5) 進(jìn)行變形得到下式用于壽命預(yù)測：

從式(6) 得出工作溫度與預(yù)期使用壽命關(guān)系，如圖7所示。

圖7 預(yù)期壽命隨使用溫度T 的變化趨勢Fig. 7 Variation trend of life expectancy with service temperature T

經(jīng)計算，工作溫度為25℃、30℃和35℃時使用壽命分別為22 年、14.3 年和10 年。

本次試驗樣品取自天廣±500kV 直流輸電工程，換流閥端交流電壓208.6kV，額定觸發(fā)角度15°，額定直流電流1800A，額定輸送容量1800MW，換流閥阻尼電阻平均水溫為30℃左右，將溫度值303K 帶入式(6) 可得到天廣±500kV 直流輸電工程換流閥阻尼電阻器O 型圈預(yù)計使用壽命為5213.78d，即14.28 年。

天廣±500kV 直流輸電工程直流極1 于2000 年12月26 號投入運(yùn)行，雙極于2001 年6 月26 號投入運(yùn)行。2015 年之后換流閥阻尼電阻O 型圈老化滲漏問題頻繁出現(xiàn)，將O 型圈進(jìn)行批量更換后，滲漏問題得到根本解決。樣品O 型圈使用壽命與預(yù)期分析基本一致，說明了本文模型的正確性。

5 結(jié)論

本文研究了HVDC 換流閥阻尼電阻O 型圈老化機(jī)理，根據(jù)反應(yīng)速率公式和橡膠材料性能參數(shù)動力學(xué)方程建立了O 型圈壽命模型，設(shè)計了加速老化試驗，主要結(jié)論如下：

（1）在溫度和機(jī)械應(yīng)力作用下O 型圈老化速度決定了其使用壽命，應(yīng)力一定情況下，工作溫度越高，O型圈老化速度越快。

（2）影響O 型圈密封性能的主要性能指標(biāo)P 是壓縮永久變形保留率，經(jīng)耐水壓試驗確定性能指標(biāo)P 低于0.3 時，阻尼電阻在使用過程中易出現(xiàn)滲漏問題。

（3）通過試驗數(shù)據(jù)處理和回歸分析確定了壽命模型中多項待定參數(shù)，模型可用于特定工作溫度下不同使用時間節(jié)點的性能分析，也可用于不同工作溫度條件下的壽命預(yù)測。

（4）根據(jù)天廣±500kV 直流輸電工程閥阻尼電阻器O 型圈壽命模型估算其使用壽命為14.3 年左右，與現(xiàn)場實際情況基本一致。

本文研究的壽命模型可用于天廣±500kV 直流輸電工程換流閥阻尼電阻O 型圈壽命預(yù)測和狀態(tài)評估，研究成果可指導(dǎo)現(xiàn)場運(yùn)維，項目采用的數(shù)學(xué)模型、試驗方案、試驗數(shù)據(jù)處理方法可為其他工程同類研究提供參考。