牽引變壓器油紙絕緣老化機(jī)理與壽命預(yù)測方法綜述

齊金平， 李鴻偉， 何鵬， 薛康， 張慧娟， 劉曉宇

（1.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電技術(shù)研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省物流及運(yùn)輸裝備信息化工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省物流與運(yùn)輸裝備行業(yè)技術(shù)中心，甘肅 蘭州 730070；4.中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730015）

0 引 言

近年來，隨著我國高速鐵路的迅速發(fā)展，動(dòng)車組列車運(yùn)行的安全性和可靠性日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，如何保證動(dòng)車組安全可靠的運(yùn)行已成為鐵路運(yùn)維部門面臨的巨大挑戰(zhàn)。牽引變壓器作為動(dòng)車組牽引供電系統(tǒng)的核心設(shè)備，承擔(dān)著列車運(yùn)行時(shí)電能的轉(zhuǎn)換和傳輸任務(wù)，是動(dòng)車組列車運(yùn)行的動(dòng)力來源[1-2]。一旦牽引變壓器發(fā)生故障，將會(huì)直接影響動(dòng)車組列車的正常運(yùn)行，嚴(yán)重威脅旅客的生命安全，造成極大的社會(huì)損失。

與電力變壓器相比，牽引變壓器面臨著更加復(fù)雜的運(yùn)行工況和多變的氣象環(huán)境，服役條件更加惡劣，因此其具有以下獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行特征：①牽引變壓器安裝于動(dòng)車組車底，長期在布滿灰塵的環(huán)境中運(yùn)行，散熱片被灰塵覆蓋會(huì)影響通風(fēng)散熱，且受安裝位置、外形尺寸和質(zhì)量的嚴(yán)格限制，其幾何結(jié)構(gòu)更加緊湊[3]，散熱效果不佳；②牽引變壓器一般采用單相多繞組變壓器[4]；③牽引變壓器隨列車長期處于動(dòng)態(tài)運(yùn)行中，除了受到本身的電磁作用力外還受到列車運(yùn)行時(shí)強(qiáng)烈的振動(dòng)與沖擊；④牽引變壓器負(fù)載頻繁波動(dòng)，負(fù)載情況與列車所負(fù)載質(zhì)量、運(yùn)行速度和道路狀況等因素有關(guān)；⑤動(dòng)車組內(nèi)部安裝有大功率變流裝置和電子設(shè)備等，使?fàn)恳儔浩鏖L期處于強(qiáng)電磁環(huán)境中運(yùn)行；⑥鐵路牽引電網(wǎng)的波動(dòng)范圍大，是一般電網(wǎng)電壓波動(dòng)的十幾倍，牽引變壓器需承受較大的網(wǎng)壓波動(dòng)和過電壓沖擊[5]；⑦車載變壓器的負(fù)載為牽引變流器或整流器，使得繞組中的電流含有較大的高次諧波[6]，容易出現(xiàn)發(fā)熱問題；⑧列車啟停、過分相區(qū)時(shí)，需經(jīng)常開斷，造成電壓突變，使?fàn)恳儔浩饕虼磐柡投霈F(xiàn)勵(lì)磁涌流現(xiàn)象[7]。

綜上所述，牽引變壓器在運(yùn)行中會(huì)遭受網(wǎng)壓波動(dòng)、高次諧波、負(fù)載沖擊、機(jī)械振動(dòng)等復(fù)雜運(yùn)行工況及惡劣運(yùn)行條件的影響，使高速鐵路的牽引負(fù)荷具有不平衡性、沖擊性以及非線性特性[8]，從而導(dǎo)致牽引變壓器的絕緣性能及壽命下降。油紙絕緣的化學(xué)壽命直接決定著牽引變壓器的使用壽命[9-10]，因此研究油紙絕緣的老化機(jī)理及其影響因素，準(zhǔn)確預(yù)測牽引變壓器油紙絕緣的剩余壽命，對(duì)制定合理的檢修計(jì)劃、以更可控的方式預(yù)防故障具有重要意義。

目前，關(guān)于電力變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)評(píng)估及剩余壽命預(yù)測的研究已相對(duì)成熟，而針對(duì)牽引變壓器的研究相對(duì)較少。由前文分析可知，牽引變壓器在安裝方式、服役環(huán)境、負(fù)載情況及絕緣材料等方面與電力變壓器均存在較大差異，如果采用電力變壓器的研究方法對(duì)牽引變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，不考慮網(wǎng)壓波動(dòng)、諧波、激磁涌流、機(jī)械振動(dòng)等牽引變壓器典型的運(yùn)行特征，會(huì)使得評(píng)估結(jié)果的針對(duì)性不強(qiáng)、不確定性較大，而且牽引變壓器長期處于動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)測獲取數(shù)據(jù)困難，且監(jiān)測數(shù)據(jù)與其他信息聯(lián)系緊密，使其剩余壽命預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性較低。

為此，本文對(duì)牽引變壓器油紙絕緣的主要老化形式及主要影響因素進(jìn)行探討，進(jìn)而分析油紙絕緣的老化機(jī)理，總結(jié)當(dāng)前評(píng)估油紙絕緣老化狀態(tài)的特征參量及主要的剩余壽命預(yù)測方法，分析各特征參量及剩余壽命預(yù)測方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件，并在此基礎(chǔ)上，探討油紙絕緣老化狀態(tài)評(píng)估及剩余壽命預(yù)測方面存在的主要問題及未來的研究方向。

1 牽引變壓器油紙絕緣系統(tǒng)的老化機(jī)理及影響因素

牽引變壓器的絕緣系統(tǒng)采用油浸式固液兩相絕緣結(jié)構(gòu)。固體絕緣采用普通絕緣紙和耐高溫芳綸絕緣紙相結(jié)合的方式，在高溫部位使用耐高溫芳綸絕緣紙，其他部位則使用普通絕緣紙[11]，兩種絕緣紙復(fù)合使用可使絕緣系統(tǒng)具有較好的耐熱性及過負(fù)載能力，且成本較低[12]。絕緣油主要采用普通的45號(hào)礦物油和硅油兩類，礦物油用于大多數(shù)動(dòng)車組牽引變壓器，硅油則主要用于CRH2動(dòng)車組的牽引變壓器[13]。牽引變壓器在運(yùn)行過程中，油紙絕緣系統(tǒng)長期處于電磁、熱、機(jī)械、環(huán)境等多種應(yīng)力下，各因素相互影響、共同作用，導(dǎo)致其機(jī)械強(qiáng)度及電氣性能逐漸下降[14]。影響油紙絕緣老化的各因素之間的具體關(guān)系如圖1所示[15]。

圖1 油紙絕緣系統(tǒng)老化的主要影響因素Fig.1 Main influencing factors for the ageing of oil-paper insulation system

根據(jù)油紙絕緣老化影響因素的不同，牽引變壓器內(nèi)油紙絕緣的老化形式可分為熱老化、電老化、化學(xué)老化和機(jī)械應(yīng)力老化[16-17]，主要老化形式及其影響因素如圖2所示。

圖2 油紙絕緣老化形式及影響因素Fig.2 Ageing forms and influencing factors for the ageing of oil-paper insulation

1.1 熱應(yīng)力對(duì)油紙絕緣老化的影響

熱老化是牽引變壓器油紙絕緣最主要的老化形式，溫度則是油紙絕緣老化最主要的影響因素[18]。V M MONTSINGER[19]研究提出，溫度每升高10℃，絕緣材料的壽命縮短一半。事實(shí)上，不同固體絕緣材料的理化性質(zhì)各不相同，其老化機(jī)理和老化速率也必然存在一定差異，上述結(jié)論不可能適用于所有的絕緣材料。T W DAKIN[20]研究認(rèn)為絕緣材料熱老化的本質(zhì)是一系列化學(xué)反應(yīng)過程的疊加，其絕緣壽命遵循式（1）所示的化學(xué)反應(yīng)速率方程。

式（1）中：A、B為反應(yīng)速率常數(shù)；L為絕緣材料的壽命；T為絕對(duì)溫度。

針對(duì)芳綸絕緣紙，S VILLAR-RODIL等[21]在氬氣環(huán)境下對(duì)Nomex絕緣紙進(jìn)行熱重-差熱分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度超過300℃時(shí)，Nomex絕緣紙開始發(fā)生水解反應(yīng)，當(dāng)溫度達(dá)到450℃時(shí)，絕緣紙開始發(fā)生均裂反應(yīng)。李璐[22]研究發(fā)現(xiàn)，在相同的老化時(shí)間下，老化溫度越高，Nomex絕緣紙表面的顏色越深，說明高溫對(duì)絕緣紙微觀結(jié)構(gòu)破壞更加嚴(yán)重。曾奕凡[23]研究提出，老化溫度越高，油浸Nomex絕緣紙的聚合度下降越快。這是由于水解反應(yīng)是絕緣紙老化的主要降解形式[24]，溫度越高，水分子在絕緣紙內(nèi)部移動(dòng)的速度越快，絕緣紙發(fā)生水解反應(yīng)所需的活化能越小，水解反應(yīng)越容易發(fā)生，分子鏈斷裂進(jìn)一步加劇，使絕緣紙的聚合度降低，絕緣性能下降。

牽引變壓器安裝在動(dòng)車車底，長期在布滿灰塵的環(huán)境中運(yùn)行，散熱片被灰塵覆蓋會(huì)使?fàn)恳儔浩魃岵涣?，?dǎo)致絕緣繞組出現(xiàn)熱點(diǎn)溫度過高、溫升加快的情況[25]，此外牽引變壓器的負(fù)載為牽引變流器或整流器，繞組中的電流含有較大的高次諧波，使車載變壓器產(chǎn)生諧波損耗而發(fā)熱，累積的熱量使絕緣系統(tǒng)溫度升高。高溫會(huì)破壞芳綸絕緣紙的分子鏈結(jié)構(gòu)，使其機(jī)械強(qiáng)度和電氣強(qiáng)度降低，從而影響油紙絕緣系統(tǒng)的壽命。

1.2 電應(yīng)力對(duì)油紙絕緣老化的影響

電場對(duì)油紙絕緣老化的影響機(jī)理比較復(fù)雜，涉及油紙絕緣在電場作用下的一系列理化反應(yīng)，目前油紙絕緣在電場中的老化作用還沒有形成公認(rèn)的理論和可以量化計(jì)算的模型，通常認(rèn)為油紙絕緣在電場作用下常伴隨有局部放電、擊穿等現(xiàn)象[26]。電場也會(huì)促進(jìn)絕緣油劣化產(chǎn)生酸性物質(zhì)并沉積于絕緣紙表面，加速油紙絕緣老化[27]。動(dòng)車組頻繁啟停，使?fàn)恳儔浩鞑粩嗟爻惺苓^電壓沖擊，如此集中反復(fù)的沖擊作用會(huì)使絕緣紙結(jié)構(gòu)劣化，使?fàn)恳儔浩鞯挠图埥^緣系統(tǒng)產(chǎn)生損傷。另外，牽引變壓器高壓繞組上會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的電磁振蕩過程，使高壓繞組局部電場畸變，引入的空間電荷累積效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致其絕緣損傷，甚至失效[28]。

1.3 機(jī)械應(yīng)力對(duì)油紙絕緣老化的影響

牽引變壓器在運(yùn)行中產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)、電磁振動(dòng)、短路力或瞬時(shí)電動(dòng)力等均為機(jī)械應(yīng)力，高分子材料在機(jī)械應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生大分子鏈斷裂而降解[29]。機(jī)械應(yīng)力對(duì)牽引變壓器絕緣系統(tǒng)的影響很早就被提出[29]，但在牽引變壓器油紙絕緣老化及壽命研究中很少考慮機(jī)械應(yīng)力因素，在油紙絕緣加速熱老化試驗(yàn)的設(shè)置中，也幾乎沒有機(jī)械振動(dòng)這一老化因素，目前關(guān)于機(jī)械應(yīng)力對(duì)油紙絕緣老化的影響研究鮮有報(bào)道。

1.4 環(huán)境應(yīng)力對(duì)油紙絕緣老化的影響

1.4.1 水分對(duì)油紙絕緣老化的影響

水分是除溫度以外導(dǎo)致牽引變壓器內(nèi)絕緣性能下降的最主要因素[30]。曹金梅[31]研究發(fā)現(xiàn)，有水分存在時(shí)，溫度對(duì)Nomex絕緣紙老化的影響更顯著。倪遠(yuǎn)軍[30]研究發(fā)現(xiàn)，油浸Nomex絕緣紙?jiān)诶匣^程中抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢，初始水分含量越高，老化前期Nomex油浸絕緣紙的抗拉強(qiáng)度下降越快。溫敏敏等[32]研究發(fā)現(xiàn)，水分含量對(duì)Nomex絕緣紙的頻域介電譜（FDS）參數(shù)影響較大，主要體現(xiàn)在低頻段。李璐[22]研究了水分含量對(duì)Nomex絕緣紙聚合度的影響，發(fā)現(xiàn)初始水分含量越高，聚合度下降越快。因?yàn)樵跓釕?yīng)力作用下，分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，芳綸絕緣紙中聚間苯二甲酰間苯二胺（PMIA）分子鏈排列松散，當(dāng)絕緣紙中水分含量增加時(shí)，滲透到PMIA分子鏈間隙的水分子增加，水分子與PMIA分子鏈發(fā)生碰撞的概率變大，使水解反應(yīng)速率增大，宏觀表現(xiàn)為聚合度及抗拉強(qiáng)度下降速率增大。當(dāng)絕緣紙中水分含量增大到一定程度時(shí)，由于能有效水解的PMIA大分子鏈數(shù)量是一定的，水解反應(yīng)需要的水分子接近飽和，此時(shí)水分含量的增加不再使水解反應(yīng)速率明顯增大。此外，水分含量增大也會(huì)降低絕緣油的擊穿電壓和局部放電場強(qiáng)，提高絕緣擊穿和局部放電的概率，促進(jìn)絕緣油劣化。而絕緣紙和絕緣油劣化均會(huì)生成水分，生成的水分又會(huì)參與到油紙絕緣老化反應(yīng)中，形成惡性循環(huán)。

1.4.2 氣體和酸對(duì)油紙絕緣老化的影響

溫度和水分是影響油紙絕緣老化的主要因素，氧氣則起著加速老化的作用[33]。當(dāng)氧氣大量存在時(shí)，絕緣油可能被氧化，產(chǎn)生硬脂酸等高分子有機(jī)酸，絕緣紙則會(huì)產(chǎn)生甲酸、乙酸等低分子有機(jī)酸[34-35]，甲酸和硬脂酸均會(huì)促進(jìn)絕緣紙降解，其中甲酸的促進(jìn)作用更加明顯[36]。在酸的促進(jìn)作用下，油紙絕緣的老化速率進(jìn)一步加快。油紙絕緣老化的產(chǎn)物主要包括H2、CO、CO2及各種低分子氣態(tài)烴[33]。氣體對(duì)油紙絕緣系統(tǒng)的危害也是不容忽視的，因?yàn)闅怏w對(duì)于油紙絕緣的破環(huán)作用，除了氧氣會(huì)氧化絕緣油外，存在于絕緣油中的氣泡還可以在電場作用下引起局部放電，對(duì)變壓器油紙絕緣具有破壞性。

綜上所述，熱應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力對(duì)油紙絕緣老化的影響研究相對(duì)成熟，影響機(jī)理比較明確，雖有研究表明，電應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力對(duì)油紙絕緣老化的影響顯著，但目前尚未形成可量化評(píng)估其影響程度的模型。油紙絕緣老化的影響因素眾多，且各因素間相互影響，例如電應(yīng)力不僅會(huì)引起電場，還會(huì)引起發(fā)熱或電磁振動(dòng)，老化機(jī)理復(fù)雜。因溫度、水分含量等其他影響因素不同也會(huì)發(fā)生不同的反應(yīng)，主要有水解和均裂兩種反應(yīng)[37]。在老化過程中，水解和均裂反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，在不同老化階段，占主導(dǎo)作用的反應(yīng)也不相同：老化初期，初始水分含量較少，PMIA分子主要進(jìn)行水解反應(yīng)，水解反應(yīng)會(huì)生成CO2和H2O等，水含量的增加又為均裂反應(yīng)創(chuàng)造了條件；老化中期，均裂反應(yīng)持續(xù)加劇而水解反應(yīng)逐漸減緩；老化后期，均裂反應(yīng)成為絕緣老化的主要反應(yīng)。在各老化反應(yīng)的協(xié)同作用下，固體絕緣材料的電氣性能及機(jī)械強(qiáng)度逐漸降低，此外，老化反應(yīng)生成的產(chǎn)物如水分和酸等又會(huì)促進(jìn)老化反應(yīng)，加快油紙絕緣整體老化，形成惡性循環(huán)。

2 表征油紙絕緣老化狀態(tài)的特征量

目前，關(guān)于評(píng)估變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)的特征參量，根據(jù)監(jiān)測方法不同主要分為在線監(jiān)測特征量和離線監(jiān)測特征量；根據(jù)原理不同主要分為理化特征量和電氣特征量，理化特征量是指油紙絕緣老化過程中系統(tǒng)本身的理化性能參數(shù)及特征產(chǎn)物含量；電氣特征量是指變壓器運(yùn)行時(shí)油紙絕緣系統(tǒng)的電氣性能參數(shù)，除了上述兩類主要的特征參量，還有其他的特征參量，具體總結(jié)如圖3所示。

圖3 油紙絕緣老化特征量Fig.3 Characteristic quantity of oil-paper insulation ageing

2.1 理化特征量

目前，用于表征牽引變壓器油紙絕緣老化程度的理化特征量主要有聚合度（DP）[38-39]、抗拉強(qiáng)度（TS）[40]、油中溶解氣體（DGA）[41]。H DJT等[42]提出將TS作為絕緣紙老化程度的衡量指標(biāo)，并將TS下降至初始值的一半作為絕緣紙失效的判據(jù)。但測量絕緣紙的TS時(shí)對(duì)樣品的處理、測量環(huán)境要求非?？量?，因此實(shí)際中很少使用TS來評(píng)估油紙絕緣的老化狀態(tài)。聚合度是目前公認(rèn)的表征絕緣紙老化程度最為可靠的特征參量[46]，但絕緣紙聚合度的測量需要對(duì)牽引變壓器進(jìn)行吊芯取樣，不適合服役中牽引變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)的評(píng)估。因此，上述特征參量常用于實(shí)驗(yàn)室加速熱老化試驗(yàn)中對(duì)油紙絕緣老化機(jī)理、老化狀態(tài)評(píng)估方法及剩余壽命預(yù)測方法進(jìn)行理論研究。

目前鐵路局主要使用油中溶解氣體數(shù)據(jù)來評(píng)估油紙絕緣的老化狀態(tài)，認(rèn)為CO和CO2源于固體絕緣老化，H2源于絕緣材料受潮，C2H2則反映絕緣的放電故障[43]，這幾種氣體含量變化對(duì)牽引變壓器絕緣系統(tǒng)整體的老化狀態(tài)評(píng)估有重要的參考價(jià)值。但由于牽引變壓器要進(jìn)行定期維修，需對(duì)牽引變壓器絕緣油進(jìn)行除雜、祛氣等操作，將在很大程度上改變各特征氣體的含量；同時(shí)，除油紙絕緣正常老化會(huì)產(chǎn)生CO和CO2外，繞組短時(shí)局部過熱也會(huì)產(chǎn)生CO和CO2，對(duì)油紙絕緣老化程度的判斷具有誤導(dǎo)作用，在使用油中溶解氣體數(shù)據(jù)對(duì)油紙絕緣的老化程度進(jìn)行判斷時(shí)，仍然存在很大的不準(zhǔn)確性和局限性。

2.2 電氣特征量

油紙絕緣傳統(tǒng)的電氣特征量主要有介質(zhì)損耗因數(shù)、絕緣電阻、吸收比、介電常數(shù)等[44]。隨著測量水平的不斷提升，時(shí)、頻域介電響應(yīng)（DR）技術(shù)被廣泛應(yīng)用于變壓器絕緣的狀態(tài)評(píng)估，主要包括極化-去極化電流（PDC）法[45-46]、頻域介電譜（FDS）法[47-48]、回復(fù)電壓法（RVM）[49-50]。PDC法因設(shè)備便攜、操作簡單及無損檢測等特點(diǎn)，且攜帶了豐富的絕緣老化信息，被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室測試中[51]。文獻(xiàn)[52]對(duì)不同老化程度的油紙絕緣進(jìn)行PDC測試，結(jié)果表明，即使在干擾較強(qiáng)的情況下，PDC法也可以有效辨別油紙絕緣的老化狀態(tài)；文獻(xiàn)[53]基于PDC法測量了不同老化程度油浸絕緣紙的PDC曲線，建立了穩(wěn)態(tài)吸收電荷量與聚合度的關(guān)系。由于FDS測試曲線攜帶的絕緣信息量較為豐富，且抗噪音能力強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)所需電源電壓較低[52,54-55]，F(xiàn)DS法逐漸成為油紙絕緣老化程度、含水率等重要狀態(tài)指標(biāo)的主要評(píng)估方法。文獻(xiàn)[56]在時(shí)變溫度下測試了油隙、油浸絕緣紙的頻域介電響應(yīng)，得出了時(shí)變溫度對(duì)油紙絕緣頻域介電響應(yīng)測量結(jié)果的影響規(guī)律；文獻(xiàn)[57]研究了不同老化時(shí)間下絕緣紙的FDS特性與其抗拉強(qiáng)度的關(guān)系，結(jié)果表明，低頻段可以表征絕緣紙的老化程度，且介質(zhì)損耗因數(shù)與抗拉強(qiáng)度存在負(fù)指數(shù)關(guān)系。但上述文獻(xiàn)大多是針對(duì)電力變壓器油紙絕緣的研究，而針對(duì)牽引變壓器油紙絕緣的研究較少。

綜上所述，理化特征量如抗拉強(qiáng)度、聚合度對(duì)油紙絕緣老化狀態(tài)的評(píng)估結(jié)果比較準(zhǔn)確，但測量環(huán)境及條件要求比較嚴(yán)苛，而且測量時(shí)需要對(duì)牽引變壓器停電吊芯，不適合服役中的牽引變壓器使用，適用于實(shí)驗(yàn)室通過加速熱老化試驗(yàn)對(duì)油紙絕緣老化機(jī)理、老化狀態(tài)評(píng)估方法及剩余壽命預(yù)測方法的理論研究；電氣特征量具有在線無損測量的優(yōu)勢，但測量結(jié)果與油紙絕緣老化程度的量化關(guān)系不明確，評(píng)估結(jié)果的可靠程度相對(duì)較弱，還需進(jìn)一步研究PDC、FDS等與絕緣紙聚合度、抗拉強(qiáng)度、油中溶解氣體含量等指標(biāo)間的關(guān)系，研究如何利用PDC法、FDS法等方法的無損檢測結(jié)果與理化特征量綜合評(píng)估油紙絕緣的老化狀態(tài)，結(jié)合牽引變壓器獨(dú)特的運(yùn)行特點(diǎn)，研究針對(duì)牽引變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)的無損監(jiān)測方法，從而進(jìn)一步提高老化狀態(tài)評(píng)估的準(zhǔn)確性。

3 牽引變壓器油紙絕緣的剩余壽命評(píng)估方法

變壓器油紙絕緣的壽命評(píng)估方法主要包括基于失效機(jī)理模型的方法和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法[58]。基于失效機(jī)理模型的方法是指在掌握油紙絕緣系統(tǒng)退化機(jī)理的前提下，考慮油紙絕緣退化失效的主要影響因素，通過建立描述其絕緣性能退化趨勢的機(jī)理模型，預(yù)測其剩余使用壽命的方法；基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法主要是指對(duì)反映油紙絕緣系統(tǒng)健康狀態(tài)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，挖掘出與油紙絕緣性能退化相關(guān)的指標(biāo)量并結(jié)合數(shù)學(xué)模型評(píng)估油紙絕緣的老化狀態(tài)，預(yù)測其剩余使用壽命的方法。

3.1 基于失效機(jī)理模型的剩余壽命評(píng)估方法

針對(duì)變壓器絕緣紙聚合度與運(yùn)行時(shí)間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，A EKENSTAM[59]提出了一階動(dòng)力學(xué)方程并應(yīng)用于均勻纖維素體系的降解，但在之后非均勻纖維素體系的加速熱老化試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，聚合度的降解速率并不是一直不變的，測試結(jié)果與零階動(dòng)力學(xué)模型不符。在此基礎(chǔ)上，A M EMSLEY[60]提出了新的二階動(dòng)力學(xué)模型，與零階動(dòng)力學(xué)模型相比，二階動(dòng)力學(xué)模型描述的油紙絕緣老化時(shí)聚合度降解速率的變化更加符合實(shí)際，得到了較廣泛的應(yīng)用。針對(duì)電力變壓器油紙絕緣，文獻(xiàn)[61]基于時(shí)溫疊加理論，改進(jìn)傳統(tǒng)的二階動(dòng)力學(xué)模型，提出了溫度-含水率雙因子影響的油浸紙板壽命評(píng)估模型；文獻(xiàn)[62]考慮換油周期對(duì)油紙絕緣老化的影響，基于二階動(dòng)力學(xué)模型提出了不同溫度、不同換油周期下油紙絕緣的壽命評(píng)估模型。針對(duì)牽引變壓器油紙絕緣，文獻(xiàn)[63]研究了在牽引負(fù)荷影響下繞組熱點(diǎn)溫升引起的絕緣壽命損失，提出了繞組熱點(diǎn)溫升與絕緣壽命損失之間的關(guān)系式；文獻(xiàn)[64]研究了牽引沖擊負(fù)荷對(duì)牽引變壓器油紙絕緣老化的影響，發(fā)現(xiàn)牽引負(fù)荷的強(qiáng)度和頻率的提高均會(huì)加快油紙絕緣的壽命損失；文獻(xiàn)[65]考慮周期性沖擊對(duì)絕緣紙機(jī)械性能的影響，以二階動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，提出了一種以聚合度在其沖擊時(shí)間段內(nèi)的積分面積作為特征參量的絕緣紙壽命評(píng)估模型。但二階動(dòng)力學(xué)模型中有些參數(shù)需人為設(shè)定，缺乏明確的物理含義，在一定程度上限制了二階動(dòng)力學(xué)模型的發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，DING H Z等[66]提出了一種新的聚合度損失累積動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)電力變壓器油紙絕緣，文獻(xiàn)[67]將時(shí)溫平移因子引入累積動(dòng)力學(xué)方程，改進(jìn)后的累積動(dòng)力學(xué)模型可實(shí)現(xiàn)任意溫度、任意初始含水量下油紙絕緣的壽命預(yù)測；文獻(xiàn)[68]基于聚合度損失累積模型，提出了利用FDS的機(jī)械-熱雙因子聯(lián)合作用的絕緣紙剩余壽命預(yù)測模型，將以抗拉強(qiáng)度為壽命判據(jù)的模型可靠性高的特點(diǎn)與以介電特性為壽命判據(jù)的模型簡單易行的特點(diǎn)有機(jī)結(jié)合起來，但累積動(dòng)力學(xué)模型在牽引變壓器油紙絕緣的壽命評(píng)估方面鮮有應(yīng)用。由上述文獻(xiàn)分析可知，針對(duì)電力變壓器油紙絕緣的研究已經(jīng)比較成熟，壽命評(píng)估模型考慮的影響因素也比較全面，但針對(duì)牽引變壓器油紙絕緣的研究較少。牽引變壓器與電力變壓器所使用的絕緣材料不同，電力變壓器多使用以纖維素為主要成分的普通纖維素絕緣紙，動(dòng)車組牽引變壓器多使用以PMIA短切纖維為主要成分的芳綸絕緣紙，針對(duì)絕緣紙不同，只需在加速熱老化試驗(yàn)時(shí)使用相對(duì)應(yīng)的絕緣紙，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化機(jī)理模型參數(shù)即可。此外，電力變壓器與牽引變壓器最主要的區(qū)別之一是牽引變壓器在運(yùn)行中要承受強(qiáng)烈的振動(dòng)沖擊且負(fù)載頻繁波動(dòng)，而電力變壓器油紙絕緣的壽命評(píng)估或預(yù)測方法主要適用于負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定的情況，若直接用于牽引變壓器會(huì)出現(xiàn)實(shí)際情況與評(píng)估結(jié)果明顯不一致的現(xiàn)象，無法準(zhǔn)確評(píng)估牽引變壓器的壽命情況[69]，因?yàn)樵跔恳龥_擊負(fù)荷下，繞組會(huì)產(chǎn)生很大的電動(dòng)力，繞組溫度的周期性大幅變化也將引起變壓器繞組周期性的熱脹冷縮[63]，這些作用力將加速絕緣繞組的破壞；強(qiáng)烈的振動(dòng)沖擊也會(huì)使絕緣紙與繞組之間、絕緣紙與絕緣紙之間的摩擦加劇，使絕緣紙機(jī)械強(qiáng)度降低。因此，在建立牽引變壓器油紙絕緣的壽命評(píng)估模型時(shí)如何考慮牽引變壓器獨(dú)特的運(yùn)行特征及負(fù)載特性是牽引變壓器油紙絕緣壽命評(píng)估的難點(diǎn)。

基于失效機(jī)理模型的方法是在加速熱老化試驗(yàn)下獲得油浸絕緣紙的退化數(shù)據(jù)，建立油浸絕緣紙退化的機(jī)理模型來預(yù)測油紙絕緣的剩余壽命，對(duì)油紙絕緣老化機(jī)理、老化規(guī)律及剩余壽命預(yù)測方法的研究具有重要意義，但在剩余壽命預(yù)測時(shí)未能結(jié)合變壓器油紙絕緣在實(shí)際運(yùn)行中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，當(dāng)運(yùn)行環(huán)境與運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)，不能利用實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，預(yù)測結(jié)果難以準(zhǔn)確反映油紙絕緣當(dāng)前的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的剩余壽命評(píng)估方法

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的剩余壽命預(yù)測方法不需要明確系統(tǒng)內(nèi)部的失效機(jī)理，且數(shù)據(jù)本身就包含了實(shí)際運(yùn)行中的各種影響因素，近年來受到了廣大學(xué)者的關(guān)注，其主要分為統(tǒng)計(jì)學(xué)方法與機(jī)器學(xué)習(xí)方法兩類[70-71]。

統(tǒng)計(jì)學(xué)方法利用統(tǒng)計(jì)模型或隨機(jī)過程模型對(duì)設(shè)備性能的退化過程進(jìn)行描述，當(dāng)退化量超過部件或系統(tǒng)的失效閾值時(shí)表示部件或系統(tǒng)失效，常用的模型有維納模型、伽瑪模型、逆高斯模型、馬氏鏈模型等[73]。張明澤等[74]基于線性Wiener過程，將貝葉斯方法和最大期望算法相結(jié)合動(dòng)態(tài)更新模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了變壓器油紙絕緣的剩余壽命預(yù)測。該方法需要選取比較理想的退化模型作為假設(shè)條件，在量化剩余壽命預(yù)測結(jié)果的不確定性上具有天然優(yōu)勢，且所需數(shù)據(jù)的樣本量較小。但由于牽引變壓器油紙絕緣完整的退化數(shù)據(jù)獲取困難，此方法目前在牽引變壓器油紙絕緣的剩余壽命預(yù)測方面幾乎沒有應(yīng)用。

機(jī)器學(xué)習(xí)的方法無需建立油紙絕緣系統(tǒng)具體的退化模型，主要通過對(duì)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)潛在的信息進(jìn)行提取和訓(xùn)練，模擬出油紙絕緣退化過程的規(guī)律，進(jìn)而預(yù)測其剩余使用壽命，主要包含神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色模型、貝葉斯算法[72]等。文獻(xiàn)[75]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了油中CO、CO2、糠醛含量和運(yùn)行年限間的關(guān)系模型來預(yù)測絕緣紙的老化程度及剩余壽命范圍；文獻(xiàn)[76]構(gòu)建了廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，將表征絕緣紙老化的特征參量及相關(guān)時(shí)間參量作為輸入，實(shí)現(xiàn)了油紙絕緣的剩余壽命預(yù)測，但未考慮環(huán)境因素及負(fù)荷波動(dòng)對(duì)變壓器壽命的影響；文獻(xiàn)[77]考慮了變壓器運(yùn)行環(huán)境與負(fù)荷因素，通過混沌序列優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了多參數(shù)關(guān)聯(lián)的變壓器壽命預(yù)測模型；文獻(xiàn)[78]利用主成分分析法將表征絕緣紙老化的多特征量進(jìn)行融合，基于鯨魚優(yōu)化算法和長短期記憶網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)油紙絕緣的剩余壽命進(jìn)行了預(yù)測，該法結(jié)合了表征油紙絕緣老化狀態(tài)的多個(gè)特征量，提高了預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。上述文獻(xiàn)都是針對(duì)電力變壓器油紙絕緣剩余使用壽命的研究，針對(duì)牽引變壓器油紙絕緣剩余壽命的研究很少。這是由于牽引變壓器的運(yùn)行環(huán)境及運(yùn)行工況復(fù)雜，且長期處于動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，使得牽引變壓器油紙絕緣的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取困難，且監(jiān)測數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)緊密，提取能夠表征其老化狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息更加困難。機(jī)器學(xué)習(xí)的方法所需的數(shù)據(jù)樣本量很大，使其在牽引變壓器油紙絕緣的剩余使用壽命預(yù)測方面受到了一定的限制。由此可見，牽引變壓器油紙絕緣的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)難以監(jiān)測是導(dǎo)致基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的剩余壽命預(yù)測方法難以在牽引變壓器油紙絕緣剩余壽命預(yù)測方面無法推廣的關(guān)鍵原因。而基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的剩余壽命評(píng)估方法具有良好的通用性，若能解決牽引變壓器油紙絕緣運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)監(jiān)測問題，那么該方法具有很好的借鑒性。

綜上所述，基于失效機(jī)理模型的方法預(yù)測結(jié)果比較準(zhǔn)確，但由于牽引變壓器油紙絕緣老化的影響因素眾多，失效機(jī)理不明確等原因，建立準(zhǔn)確的機(jī)理模型比較困難，且未能結(jié)合變壓器油紙絕緣在實(shí)際運(yùn)行中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，預(yù)測結(jié)果難以反映油紙絕緣當(dāng)前的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法不需要明確部件及系統(tǒng)內(nèi)部的失效機(jī)理，其中統(tǒng)計(jì)學(xué)方法需要選取相對(duì)理想的退化模型作為假設(shè)條件，成功應(yīng)用的前提是獲得油紙絕緣完整的退化數(shù)據(jù)，與機(jī)器學(xué)習(xí)的方法相比，該方法對(duì)數(shù)據(jù)量的需求相對(duì)較小，且對(duì)于量化剩余壽命預(yù)測結(jié)果的不確定性具有天然優(yōu)勢；機(jī)器學(xué)習(xí)的方法雖不需要建立具體的退化模型，但只能得到確定的剩余壽命預(yù)測值，無法得到可以量化剩余壽命預(yù)測結(jié)果的概率分布，對(duì)數(shù)據(jù)樣本量的需求很大，且牽引變壓器油紙絕緣的監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取較為困難。因此，如何解決牽引變壓器油紙絕緣運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)監(jiān)測問題是面臨的關(guān)鍵問題。

4 結(jié)束語

牽引變壓器油紙絕緣長期處于散熱不良、振動(dòng)沖擊、過負(fù)載及各種化學(xué)雜質(zhì)存在的特殊環(huán)境中，運(yùn)行工況復(fù)雜多變，服役條件更加惡劣，使得油紙絕緣老化的影響因素眾多，老化機(jī)理復(fù)雜，表征其老化程度的特征參量也不統(tǒng)一。本文分析了牽引變壓器油紙絕緣老化的影響因素及評(píng)估油紙絕緣老化狀態(tài)的各種特征參量，總結(jié)了油紙絕緣各種剩余壽命預(yù)測方法的特點(diǎn)及適用條件。然而，在牽引變壓器油紙絕緣老化機(jī)理與壽命預(yù)測方法方面仍存在很多需要深入探索的問題：

（1）表征油紙絕緣老化程度的特征參量較多，每種老化指標(biāo)表征老化程度的側(cè)重點(diǎn)不同且各有利弊。如何挖掘各指標(biāo)間的內(nèi)在聯(lián)系，將具有無損測量優(yōu)勢的電氣特征量（如FDS和PDC）與表征老化程度可靠但測量困難的理化特征量（如TS和DP）有機(jī)結(jié)合起來，得到電氣特征量與理化特征量之間的量化關(guān)系，通過無損測量電氣特征量從而間接測量理化特征量，更加準(zhǔn)確地評(píng)估油紙絕緣的老化狀態(tài)，是值得深入研究的問題。

（2）網(wǎng)壓波動(dòng)、激磁涌流、高次諧波等是牽引變壓器獨(dú)特的運(yùn)行特征，不僅會(huì)引起熱應(yīng)力，使?fàn)恳儔浩饔图埥^緣溫度升高，也會(huì)引起電應(yīng)力加速油紙絕緣老化，因其協(xié)同作用，單獨(dú)量化其對(duì)油紙絕緣老化的影響程度不現(xiàn)實(shí)，因此，有必要揭示網(wǎng)壓波動(dòng)、激磁涌流等協(xié)同作用下油紙絕緣的失效機(jī)理，研究如何將其轉(zhuǎn)化為同等程度下熱應(yīng)力或電應(yīng)力的影響來考慮其對(duì)油紙絕緣老化的影響程度。

（3）基于老化機(jī)理的牽引變壓器油紙絕緣壽命預(yù)測大多是基于加速熱老化試驗(yàn)，考慮電-熱或電-熱-牽引負(fù)荷對(duì)油紙絕緣老化的影響建立的壽命預(yù)測模型，未能結(jié)合變壓器油紙絕緣在實(shí)際運(yùn)行中的監(jiān)測數(shù)據(jù)。當(dāng)運(yùn)行環(huán)境與運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)，不能利用監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行更新，預(yù)測結(jié)果難以反映油紙絕緣當(dāng)前的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。因此，研究如何將實(shí)際運(yùn)行中牽引變壓器油紙絕緣的監(jiān)測數(shù)據(jù)和機(jī)理模型結(jié)合起來，建立數(shù)模聯(lián)動(dòng)的牽引變壓器油紙絕緣的壽命預(yù)測模型，對(duì)提升壽命預(yù)測結(jié)果反映油紙絕緣實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的能力至關(guān)重要。

（4）基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的壽命預(yù)測采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)大多是基于油中溶解氣體數(shù)據(jù)，壽命預(yù)測所依據(jù)的數(shù)據(jù)信息單一，導(dǎo)致數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法在牽引變壓器油紙絕緣剩余壽命評(píng)估方面難以推廣應(yīng)用。實(shí)際運(yùn)行工況下的監(jiān)測數(shù)據(jù)本身就包含了實(shí)際運(yùn)行中的各種影響因素，如何提高數(shù)據(jù)的獲取能力，提高數(shù)據(jù)信息的關(guān)聯(lián)性及完整性是當(dāng)前面臨的主要問題。此外，研究表征油紙絕緣老化程度各指標(biāo)之間的內(nèi)在聯(lián)系，基于Coupla函數(shù)建立基于多指標(biāo)的隨機(jī)退化模型，為進(jìn)一步提高油紙絕緣剩余使用壽命預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性提供了新的思路。