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

羅遠峰，雷朝煜，吳保義，郝菁菁，張 松，魏孟剛

（1 中國南方電網超高壓輸電公司天生橋局，貴州興義510670；2 南瑞集團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”）在電網中應用日益廣泛，滿足了電能遠距離傳輸需求，提高了電網運行效率。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、可靠運行［1-2］。換流閥阻尼電阻發熱量大，一般采用水冷散熱方式，水冷電阻具有體積小、重量輕、功率密度大等優點［3］。O 型圈是水電阻接口密封器件，其性能優劣直接決定了水冷電阻密封性能，進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。受壓狀態下O 型圈會對其工作面產生強大的彈性應力，從而使冷卻液體（循環水）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生應力松弛、在高溫和介質中長期工作而產生材料老化、在低溫環境下變硬發脆而失去彈性等，導致密封性能下降，無法承受高壓去離子循環水，最終發生漏水事故［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，如何在短期內評估換流閥阻尼電阻O 型圈的老化性能，預測其使用壽命，對于阻尼電阻器密封設計及工程應用產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據的處理流程，在不改變試品失效機理和不增加新失效因子前提下，提高試驗溫度應力，加速試品失效進程，再根據試驗數據，確定壽命模型中的待定參數，進而估算出試品在實際使用工況條件下的預期壽命［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，額定進水流量2L/min，進水溫度≤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計

換流閥阻尼電阻O 型圈在使用過程中處于受壓狀態，會受到機械應力、溫度、濕度、介質及去離子水共同作用，從而導致橡膠老化，產生永久變形，其中溫度和應力對橡膠的化學反應速度有顯著影響［7］。溫度和應力會破壞橡膠的分子結構，使大分子斷裂，生成自由基，引發橡膠大分子氧化降解反應［8］。因此，在溫度和應力作用下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，并在電阻內部充滿去離子水，使O 型圈機械應力、介質環境與工程現場保持一致，避免了試驗條件與現場不一致帶來的誤差。O 型圈為橡膠材質，在正常使用條件下的老化時間長達數年，為了縮短試驗時間，根據時溫等效原則，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箱內，通過提高工作溫度加快O 型圈老化速度，在較短時間內得到其老化特性和數據。

1.3 性能指標失效判據

O 型圈在壓縮狀態時，其內部會發生物理化學變化，當壓縮力消失后，這些變化阻止密封圈恢復到其原始狀態，于是就產生了壓縮永久變形ε。壓縮永久變形的大小取決于壓縮狀態的溫度、應力和持續時間，該性能參數與橡膠材料密封性能關系最為密切［9-10］。因此，本試驗失效判據指標選為壓縮永久變形保留率P（1-ε）。

不同材質、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，專門設計了水壓試驗。將性能參數P 不同的O型圈裝在冷卻水管測試系統內，按規定的參數（試驗溫度30℃，試驗壓力1.6MPa，試驗時間60min）進行靜水壓試驗。試驗過程中，壓縮永久變形保留率P 低于0.3的O 型圈出現密封處出現滲漏現象，因此失效判據定為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。

試驗設備： 電熱鼓風干燥箱、水壓試驗設備、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，所有O 型圈具有相同壓縮量，將電阻內部充滿去離子水并密封；步驟③：打開4個電熱鼓風干燥箱，當電熱鼓風干燥箱內空氣溫度分別達到預期溫度時，將已裝配O 型圈的阻尼電阻放進干燥箱，記錄開始試驗時間；步驟④：每當試驗進行到一個時間節點時，從4 個溫度電熱鼓風干燥箱中，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，記錄數據。

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Fig. 2 Photo of accelerated aging and water pressure test of O-ring of damping resistor of converter valve

3 加速老化試驗結果

不同溫度條件下O 型圈性能參數P（1-ε）的數據記錄見表1。

將表1 數據繪制成趨勢圖，如圖3 所示。

表1 不同溫度條件下O 型圈性能P（1-ε）數據記錄表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 不是簡單線性關系。

4 數據處理及壽命預測

4.1 試驗數據處理

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

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

處理試驗數據可確定常數A、G 和α 數值，進而得到適用于天廣HVDC 換流閥阻尼電阻O 型圈的加速壽命模型。

為了便于數值回歸分析，將式(1) 左右兩側同時取 自 然 對 數：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α=0.50，計算得到xi和yi數值見表2。

對于不同的老化溫度條件，按最小二乘法估算系數α 和b。

表2 當α=0.50 時xi 與yi 數值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的 xi=τα，τ單位為d，α 為預設值0.50，yi為每個老化時間節點對應的為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a 和α 代入式(1)，得到四種不同老化溫度下的性能參數動力學方程。

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

以0.01 為間隔，將α 更改為0.00～1.00 之間其他數值，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α=0.60 時，R 值取到最小值，因此，系數α 取0.60。

不同溫度下的反應速度G 和溫度T 的數值見表3。

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

反應速度常數G 與溫度1 /T 關系服從下式：

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

式(4) 取 自 然 對 數 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。

根據表3 數據，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 反應速度自然對數LnG 與熱力學溫度倒數1/T 的關系Fig. 5 Relationship between logarithm of reaction rate LnG and reciprocal of thermodynamic temperature 1/T

4.2 使用壽命預測

根據數據處理結果，系數 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P符合下式：

式(5) 中，n 為使用年限，T 為實際工作溫度對應的熱力學溫度值。

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P 下降速度越快。

為了準確推測器件使用壽命，將式(5) 進行變形得到下式用于壽命預測：

從式(6) 得出工作溫度與預期使用壽命關系，如圖7所示。

圖7 預期壽命隨使用溫度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 號投入運行，雙極于2001 年6 月26 號投入運行。2015 年之后換流閥阻尼電阻O 型圈老化滲漏問題頻繁出現，將O 型圈進行批量更換后，滲漏問題得到根本解決。樣品O 型圈使用壽命與預期分析基本一致，說明了本文模型的正確性。

5 結論

本文研究了HVDC 換流閥阻尼電阻O 型圈老化機理，根據反應速率公式和橡膠材料性能參數動力學方程建立了O 型圈壽命模型，設計了加速老化試驗，主要結論如下：

（1）在溫度和機械應力作用下O 型圈老化速度決定了其使用壽命，應力一定情況下，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P 是壓縮永久變形保留率，經耐水壓試驗確定性能指標P 低于0.3 時，阻尼電阻在使用過程中易出現滲漏問題。

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

（4）根據天廣±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 型圈壽命預測和狀態評估，研究成果可指導現場運維，項目采用的數學模型、試驗方案、試驗數據處理方法可為其他工程同類研究提供參考。