基于时温水叠加方法的油纸绝缘热老化寿命评估方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于时温水叠加方法的油纸绝缘热老化寿命评估方法，属于变压器油纸绝缘热老化寿命评估【技术领域】。该方法在对高温加速老化数据进行外推时，充分考虑水分含量的影响以及水分与温度的协同加速作用，将高温高初始水分含量下的加速老化数据外推至低温度低水分含量的运行条件下的数据，克服了以往时温叠加模型中的不足，从而提供了一种针对变压器油纸绝缘热老化更加准确、全面的寿命评估方法。
【专利说明】基于时温水叠加方法的油纸绝缘热老化寿命评估方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于变压器油纸绝缘热老化寿命评估【技术领域】，涉及一种基于时温水叠加 方法的油纸绝缘热老化寿命评估方法。
【背景技术】
[0002] 由于运行负荷和环境温度等差异，我国运行超过20年的变压器剩余寿命差距较 大，有些变压器的绝缘情况仍然良好，具备继续服役的能力，而有些变压器的绝缘状况较 差，需要及时维修或更换。为了避免盲目检修给电力企业带来经济损失并为变压器状态检 修提供技术支持，有必要利用现代技术手段对现役变压器的剩余寿命进行评估，从而确保 在变压器安全运行的前提下最大限度地延长其绝缘使用寿命。
[0003] 变压器内部的油纸绝缘是电力变压器内绝缘的核心组成部分，其绝缘性能会随着 运行过程中的电、热、机械等老化因素的影响而下降。大量研究表明，纤维素老化的主要形 式是通过水解反应使葡萄糖基间1-4配糖键发生断裂，较高的温度会增加纤维素的反应活 性，而水分的存在又会作为催化剂促进水解反应的进行。因此由纤维素等高分子有机物构 成的纸绝缘会非常容易收到热应力的影响，在氧气、水分等因素下发生老化，从而导致绝缘 系统各项性能降低。
[0004] 关于变压器油纸绝缘热老化寿命评估诊断的研究已有40多年的历史，可以根据 特征量类型将变压器老化及剩余寿命预测技术分为化学特征量诊断技术和电特征量诊断 技术，其中以化学特征量的诊断技术最为成熟。在化学特征量诊断过程中，根据油纸绝缘 热老化后其机械性能会不可逆转地下降的特点，通常以聚合度作为绝缘纸机械性能的表征 参量，通过纤维素降解动力学方程研究聚合度在各温度下随老化时间的变化规律，再利用 Arrehenius方程将高温加速老化下的数据外推至运行温度下以预测其剩余寿命。
[0005] 基于时温叠加模型的油纸绝缘寿命评估方法是一种将高温加速老化数据外推的 方法，该模型已得到成熟地应用。但是国内外研究表明，水分对变压器老化速率及寿命有非 常大的影响，纸绝缘纤维素中的水分与氧气均会加速变压器纸绝缘的老化，且水分含量与 老化速率成正比。因此，在对高温加速老化数据进行外推时，需要考虑到水分含量的影响及 水分与温度的协同加速作用，这样才可以克服以往时温叠加模型中的不足，并提供了更加 准确、全面的寿命评估方法。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于时温水叠加方法的油纸绝缘热老化寿 命评估方法，该方法在对高温加速老化数据进行外推时，充分考虑水分含量的影响以及水 分与温度的协同加速作用，克服了以往时温叠加模型中的不足，并提供了更加准确、全面的 寿命评估方法。
[0007] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0008] -种基于时温水叠加方法的油纸绝缘热老化寿命评估方法，包括以下步骤：步骤 一：将绝缘纸预处理后，选择并控制不同初始水分含量的试品进行加速热老化试验，老化过 程中按照一定时间间隔取样后测得聚合度值；步骤二：遵循时温叠加方法（TTSP)假设前提 及纤维素聚合度累计损失的动力学方程，绘出不同温度下的性能参数变化曲线，获得主曲 线及时温平移因子a T，得到Arrhenius方程的活化能并建立任意热老化温度下的外推寿命 模型；步骤三：遵循时温叠加的方法，绘出不同初始水分含量下的性能参数变化曲线，获得 主曲线和水分平移因子a M，将传统的Arrhenius方程进行改进，并建立任意热老化温度及 任意初始水分含量下的外推寿命模型；步骤四：现场测量运行并收集变压器绕组的热点温 度、油中微水含量以及变压器实时油温数据，进行数据处理后代入外推的基于时温水叠加 方法的热老化寿命模型计算变压器的剩余寿命。
[0009] 进一步，在步骤一中，所述预处理主要包括：形状处理、晾置处理、滴定校正并固定 放置在可控环境中；所述选择并控制不同初始水分含量的方法是将预处理后的试品放入真 空干燥箱，通过真空干燥法控制干燥时间、干燥温度和真空度来实现绝缘纸试品中不同初 始水分含量；所述加速热老化试验是将不同水分含量的绝缘纸试品同矿物油以一定比例置 入磨口碘量瓶中，真空浸油后充入干燥氮气并密封，然后将油浸后的试品放入不同温度下 的老化箱中进行加速热老化试验。
[0010] 进一步，在步骤一中，所述聚合度值的测量是按照ASTMD4243-99标准测量绝 缘纸聚合度，对同一试品的不同部位取样测量3次，使用其平均值作为聚合度值；所述 ASTMD4243-99标准是首先称取适量绝缘纸试品并烘干后撕碎，溶解于实现配置的铜乙二胺 溶液中，在（25±1)°C下测量水和纤维素通过标准毛细管粘度计的流出时间，并计算出纤维 素溶液的相对粘度，根据待测溶液的已知浓度和相对粘度求出特性粘度值，根据聚合度和 粘度特性的关系式求得聚合度值。
[0011] 进一步，在步骤二中，所述时温叠加方法假设前提是指假设在高温下加速老化过 程中，表征材料微结构的参数变化规律与较低温度下较长时间内的变化规律基本一致；所 述纤维素聚合度累积损失的动力学方程如下式所述：
【权利要求】
1. 一种基于时温水叠加方法的油纸绝缘热老化寿命评估方法，其特征在于：包括以下 步骤：步骤一：将绝缘纸预处理后，选择并控制不同初始水分含量的试品进行加速热老化 试验，老化过程中按照一定时间间隔取样后测得聚合度值； 步骤二：遵循时温叠加方法假设前提及纤维素聚合度累计损失的动力学方程，绘出不 同温度下的性能参数变化曲线，获得主曲线及时温平移因子aT，得到Arrhenius方程的活 化能并建立任意热老化温度下的外推寿命模型； 步骤三：遵循时温叠加的方法，绘出不同初始水分含量下的性能参数变化曲线，获得主 曲线和水分平移因子aM，将传统的Arrhenius方程进行改进，并建立任意热老化温度及任 意初始水分含量下的外推寿命模型； 步骤四：现场测量运行并收集变压器绕组的热点温度、油中微水含量以及变压器实时 油温数据，进行数据处理后代入外推的基于时温水叠加方法的热老化寿命模型计算变压器 的剩余寿命。
2. 根据权利要求1所述的基于时温水叠加方法的油纸绝缘热老化寿命评估方法，其特 征在于：在步骤一中，所述预处理主要包括：形状处理、晾置处理、滴定校正并固定放置在 可控环境中；所述选择并控制不同初始水分含量的方法是将预处理后的试品放入真空干燥 箱，通过真空干燥法控制干燥时间、干燥温度和真空度来实现绝缘纸试品中不同初始水分 含量；所述加速热老化试验是将不同水分含量的绝缘纸试品同矿物油以一定比例置入磨口 碘量瓶中，真空浸油后充入干燥氮气并密封，然后将油浸后的试品放入不同温度下的老化 箱中进行加速热老化试验。
3. 根据权利要求1所述的基于时温水叠加方法的油纸绝缘热老化寿命评估方法，其 特征在于：在步骤一中，所述聚合度值的测量是按照ASTMD4243-99标准测量绝缘纸聚合 度，对同一试品的不同部位取样测量3次，使用其平均值作为聚合度值；所述ASTMD4243-99 标准是首先称取适量绝缘纸试品并烘干后撕碎，溶解于实现配置的铜乙二胺溶液中，在 (25±1)°C下测量水和纤维素通过标准毛细管粘度计的流出时间，并计算出纤维素溶液的 相对粘度，根据待测溶液的已知浓度和相对粘度求出特性粘度值，根据聚合度和粘度特性 的关系式求得聚合度值。
4. 根据权利要求1所述的基于时温水叠加方法的油纸绝缘热老化寿命评估方法，其特 征在于：在步骤二中，所述时温叠加方法假设前提是指假设在高温下加速老化过程中，表征 材料微结构的参数变化规律与较低温度下较长时间内的变化规律基本一致；所述纤维素聚 合度累积损失的动力学方程如下式所述：
其中：D&表示绝缘纸初始聚合度，《DP表示聚合度累积损失率，表征绝缘纸的降解状 态，当所述《DP = 〇时为未降解状态，《DP = 1时为完全降解状态，DPt表示经历老化时间t 后的聚合度值，表征聚合度降解储蓄的能力，所述的聚合度降解储蓄值根据《DP(t= tf) = 1确定，其中&表示达到失效的时间；kDP表示纤维素聚合度降解的速率； 所述的主曲线是通过选取任意一个温度作为参考温度TMf，将非参考温度下的曲线图 沿时间轴水平移动，使之与参考温度下的曲线图连成一光滑连接的整体，从而得到主曲线 图；所述的平移因子aT是指对某个温度T下的性能参数随时间变化曲线在形成主曲线前 后的时间之比的倒数，按照以下公式计算： aT =tref/tT 其中，、表示温度T下曲线上某点平移前的时间，tMf表示曲线平移并构成主曲线的一 部分后该点对应的的时间值；同一绝缘材料的曲线平移因子是试验绝对温度T的函数，并 满足Arrehenius方程：
其中：Ea为Arrhenius活化能，R为气体常数；当所述TTSP假设前提下的老化机理不 发生改变，不同温度下得到的平移因子都不应该发生改变； 所述Arrhenius方程的活化能是指分子从常态转变为容易发生化学反应 的活跃状态所需要的能量；当所述的平移因子aT在相同热老化机理遵循式：
,111〇1与l/TMf-l/T组成的坐标平面上表现为一条直线，直线 斜率为Ea/R;所述Arrhenius活化能Ea通过用斜率乘以气体常数得到后，用以计算相同老 化机理下任意温度的平移因子； 所述建立任意热老化温度下的外推寿命模型为：
5.根据权利要求1所述的基于时温水叠加方法的油纸绝缘热老化寿命评估方法，其特 征在于：在步骤三中，所述不同初始水分含量下的性能参数变化曲线是按照步骤二所述分 别对不同初始水分含量下的试验数据进行了时温叠加主曲线构造和拟合；所述主曲线是通 过任意选取一个水分含量作为参考水分含量Mref，将非参考水分含量下的曲线图沿时间轴 水平移动，使之与参考水分含量下的曲线图连成一光滑连接的整体，而得到主曲线图； 所述水分平移因子aM指对某个水分含量M与参考水分含量Mref之比的指数关系，按照 以下公式计算： aM = (M/Mref)b 式中参数b表征aM和M/MMf关系，根据平移后的数据进行拟合得到； 所述将传统的Arrhenius方程进行改进是指在传统的Arrhenius方程中加入了水分的 影响，将水分含量的影响考虑到指前因子中，使高温加速老化的试验数据能够外推至不同 温度和水分含量，改进的Arrhenius方程按照以下公式计算：
所述任意热老化温度及任意初始水分含量下的外推寿命模型如下： 根据变压器油纸绝缘聚合度下降与运行的时间存在的一阶动力学模型，计及温度、水 分的运行环境下变压器的剩余寿命按照以下公式计算：
其中：DPend表示变压器寿命终止时聚合度值，DPt为变压器当前聚合度值；T为变压器 运行时间内的平均热点温度值；M为由绝缘纸水分含量决定的加速因子；参数A和Ea与材 料性能相关，根据变压器所用绝缘油和绝缘纸在实验室中通过加速老化试验获得；在TTSP 寿命模型的方法上对上述公式进行扩展，借助时-温-水分平移因子为aT，M将剩余寿命 模型流程化；所述时_温-水分平移因子为aT，M是由温度平移因子a:和水分平移因子 的乘积组成，等效于在TTSP的主曲线基础上进行二次平移，故记为时-温-水分平移 因子为aT，M，按照以下公式计算：
在此基础上可得初始聚合度为D&，任意温度T及水分含量M下聚合度下降至ADPt所 需时间tT，M的一般外推公式即寿命模型为：
6.根据权利要求1所述的基于时温水叠加方法的油纸绝缘热老化寿命评估方法，其特 征在于：在步骤四中，所述测得的油中微水含量以及变压器实时油温数据是用来导出绝缘 纸中水分含量，根据拟合的油中水分和纸中水分的关系，绝缘纸中水分含量按照以下公式 计算：
其中WpapCT是纸中水分含量，单位是％是油中水分含量，单位是mgH20/kg0il;t是 温度，单位是°〇。
【文档编号】G01R31/00GK104407238SQ201410213375
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年5月20日 优先权日:2014年5月20日
【发明者】杨丽君, 廖瑞金, 李金忠, 王季宇, 张镱议, 汪可, 黄加佳, 程焕超, 赵学童 申请人:国家电网公司, 重庆大学, 中国电力科学研究院, 国网山东省电力公司电力科学研究院