對應用氧化動力學方程預測變壓器油剩余使用壽命的研究

宋爽 劉翔

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

關鍵詞：變壓器油；壽命研究；動力學方程

1 前言

隨著中國鐵路行業(yè)對機車檢修工作的重視度不斷提升，對機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，避免在部件沒有達到運用時限之前對其進行更新，造成浪費。變壓器油狀態(tài)的好壞作為維持變壓器安全運行的關鍵因素之一，決定著機車運行的可靠性，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，對油浸電力設備起到絕緣、滅弧、散熱冷卻等保護作用，其油質狀態(tài)直接關系到變壓器乃至整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。隨著相關電氣設備的運行，變壓器油在使用過程中受溫度、氧氣、絕緣材料等的影響，在變壓器金屬構件、電磁場及日光等的催化作用下，油質不可避免地會發(fā)生老化，生成羧酸、環(huán)烷酸、醛、酮等氧化產物，使變壓器油出現(xiàn)酸值升高、界面張力降低、析出油泥，介質損耗因數(shù)、擊穿電壓和體積電阻率等電氣性能指標不合格，以及局部放電和色譜異常等現(xiàn)象，導致變壓器故障時有發(fā)生。

3 動力學方程的應用

由于變壓器油直接影響變壓器的運用可靠性，所以采用科學的換油周期以保證變壓器油的油品質量對于變壓器的穩(wěn)定運行及維護至關重要。目前機車變壓器的大修周期為12年，而變壓器油則需要繼續(xù)維持運用，所以極為需要對變壓器油的剩余使用壽命進行預估，以判斷運用超過12年的變壓器油是否可以維持運用到下一個大修周期。準確評估油品的剩余有效壽命（RUL）對科學預測設備故障及設備防護具有重要意義，近年來已成為研究的熱點。

R. Criso?stomo Rabelo Neto等人在實驗室加速老化條件下，應用氧化反應的動力學模型研究環(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，龐晉山等學者已將氧化動力學模型應用于烴基潤滑油上以預測其剩余壽命，柴油和食用油等的氧化動力學也被許多學者研究。

目前我國及相關國際組織關于變壓器油質量規(guī)定的標準較多，例如《GB/T 7595-2008運行中變壓器油質量》、《GB/T 14542-2017變壓器油維護管理導則》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間內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理、氧化安定性評價方法及抗氧劑使用等方面，關于氧化反應的動力學變化規(guī)律還涉及較少。基于前人理論經驗，本文嘗試將氧化動力學基本理論應用于變壓器油的老化過程，通過不同溫度下模擬老化實驗得到的各性質數(shù)據(jù)，建立變壓器油在加速熱老化條件下的動力學方程，并得到反應速率常數(shù)K和活化能Ea，進而建立變壓器油剩余有效壽命的預估模型。實驗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)實驗室加速熱老化情況，可以對實際運行條件下油品的各性能進行測試分析，找到對應關系成倍放大時間跨度，以此預測在用變壓器油的剩余使用壽命，為確定變壓器油的科學換油周期提供參考。這對變壓器設備定時檢修、及時采取再生及換油措施、排除安全隱患具有一定的指導意義。

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

對于同一種變壓器油來講，油中烴分子與氧氣的反應當量是固定的，因此可以用反應速率代替反應速率常數(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)，本實驗為酸值、介質損耗因數(shù)和擊穿電壓，Δw表示其在一定時間內（Δt）的變化值；A0表示固定反應當量條件下的頻率因子；Ea為固定反應當量條件下的活化能；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的實驗數(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活化能Ea和指前因子A0，進而得到Δw-t的函數(shù)關系，由此可以計算出變壓器油在一定溫度下的剩余使用時間。

4 試驗方法

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

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

通過模型數(shù)據(jù)，求出反應活化能Ea和指前因子A0，建立油品四個參數(shù)的預測模型，并利用現(xiàn)有的在用變壓器油數(shù)據(jù)進行校對和驗證。

參考文獻

[1]張繼軍.基于狀態(tài)條件概率的設備剩余壽命預測[J].北京航空航天大學學報，2014.

[2]唐立軍.變壓器油熱老化過程中特性變化研究[J]. 長沙理工大學物理與電子科學學院，2013.

（作者單位：中車大連機車車輛有限公司）