论文部分内容阅读
摘要：本文主要介绍应用氧化动力学方程，對变压器绝缘油的剩余寿命进行研究，从而更有针对性的制定变压器油的检修周期。
关键词：变压器油；寿命研究；动力学方程
1 前言
随着中国铁路行业对机车检修工作的重视度不断提升，对机车主要部件的寿命研究工作就显得尤为重要。通过掌握主要部件的寿命，可以更有针对性的制定部件的检修周期，避免在部件没有达到运用时限之前对其进行更新，造成浪费。变压器油状态的好坏作为维持变压器安全运行的关键因素之一，决定着机车运行的可靠性，所以研究变压器油的寿命意义重大。
2 变压器油的作用及影响
变压器油是一种重要的绝缘介质，对油浸电力设备起到绝缘、灭弧、散热冷却等保护作用，其油质状态直接关系到变压器乃至整个电力系统的稳定运行。随着相关电气设备的运行，变压器油在使用过程中受温度、氧气、绝缘材料等的影响，在变压器金属构件、电磁场及日光等的催化作用下，油质不可避免地会发生老化，生成羧酸、环烷酸、醛、酮等氧化产物，使变压器油出现酸值升高、界面张力降低、析出油泥，介质损耗因数、击穿电压和体积电阻率等电气性能指标不合格，以及局部放电和色谱异常等现象，导致变压器故障时有发生。
3 动力学方程的应用
由于变压器油直接影响变压器的运用可靠性，所以采用科学的换油周期以保证变压器油的油品质量对于变压器的稳定运行及维护至关重要。目前机车变压器的大修周期为12年，而变压器油则需要继续维持运用，所以极为需要对变压器油的剩余使用寿命进行预估，以判断运用超过12年的变压器油是否可以维持运用到下一个大修周期。准确评估油品的剩余有效寿命（RUL）对科学预测设备故障及设备防护具有重要意义，近年来已成为研究的热点。
R. Criso?stomo Rabelo Neto等人在实验室加速老化条件下，应用氧化反应的动力学模型研究环烷基变压器油中酚类抗氧剂和金属钝化剂的联合作用，庞晋山等学者已将氧化动力学模型应用于烃基润滑油上以预测其剩余寿命，柴油和食用油等的氧化动力学也被许多学者研究。
目前我国及相关国际组织关于变压器油质量规定的标准较多，例如《GB/T 7595-2008运行中变压器油质量》、《GB/T 14542-2017变压器油维护管理导则》等，但都是对现有情况的界定规范，并未延伸到在未来一段时间内变压器油的劣化情况。而且目前对于变压器油的氧化研究，主要集中于其氧化机理、氧化安定性评价方法及抗氧剂使用等方面，关于氧化反应的动力学变化规律还涉及较少。基于前人理论经验，本文尝试将氧化动力学基本理论应用于变压器油的老化过程，通过不同温度下模拟老化实验得到的各性质数据，建立变压器油在加速热老化条件下的动力学方程，并得到反应速率常数K和活化能Ea，进而建立变压器油剩余有效寿命的预估模型。实验室模拟老化加快了变压器油的劣化速度，但两者的老化趋势是一致的。因此，根据实验室加速热老化情况，可以对实际运行条件下油品的各性能进行测试分析，找到对应关系成倍放大时间跨度，以此预测在用变压器油的剩余使用寿命，为确定变压器油的科学换油周期提供参考。这对变压器设备定时检修、及时采取再生及换油措施、排除安全隐患具有一定的指导意义。
变压器油的老化实质上是油中烃分子与氧气或含氧化合物发生反应的过程，其反应速率常数符合Arrhenius方程。因此通过实验测试分析油品特定性能参数如酸值、介质损耗因数及击穿电压等的变化，基于氧化动力学基本原理建立模型，可快速预测变压器油的剩余使用时间。
对于同一种变压器油来讲，油中烃分子与氧气的反应当量是固定的，因此可以用反应速率代替反应速率常数，即：
v=Δw/Δt=A0exp（-Ea’/RT） （1）
式（1）中：表征量w可以是变压器油的任一性能参数，本实验为酸值、介质损耗因数和击穿电压，Δw表示其在一定时间内（Δt）的变化值；A0表示固定反应当量条件下的频率因子；Ea’为固定反应当量条件下的活化能；R=8.314kJ/（mol·K）。
所以有：
Δw=A0exp（-Ea’/RT）·Δt （2）
式（1）两边求对数：
ln（Δw/Δt）=lnA0-Ea’/RT
根据（Δw/Δt）-T的实验数据，通过拟合可以建立1/T与ln（Δw/Δt）的线性回归方程，由回归直线的斜率和截距可求得反应活化能Ea’和指前因子A0，进而得到Δw-t的函数关系，由此可以计算出变压器油在一定温度下的剩余使用时间。
4 试验方法
使变压器油在接触空气的情况下，分别在70℃、90℃、100℃、110℃下对其进行恒温热老化，分别取老化时间10h、20h、30h、40h、50h、60h、70h、90h、120h、140h。之后对变压器油酸值、水溶性酸值、介质损耗因数、界面张力及击穿电压四个性能指标在不同温度下的变化情况进行测试分析。
同时从现有使用的部分机车上对在用变压器油进行取样，然后测定酸值、介质损耗因数、击穿电压、界面张力。
通过模型数据，求出反应活化能Ea’和指前因子A0，建立油品四个参数的预测模型，并利用现有的在用变压器油数据进行校对和验证。
参考文献
[1]张继军.基于状态条件概率的设备剩余寿命预测[J].北京航空航天大学学报，2014.
[2]唐立军.变压器油热老化过程中特性变化研究[J]. 长沙理工大学物理与电子科学学院，2013.
（作者单位：中车大连机车车辆有限公司）
关键词：变压器油；寿命研究；动力学方程
1 前言
随着中国铁路行业对机车检修工作的重视度不断提升，对机车主要部件的寿命研究工作就显得尤为重要。通过掌握主要部件的寿命，可以更有针对性的制定部件的检修周期，避免在部件没有达到运用时限之前对其进行更新，造成浪费。变压器油状态的好坏作为维持变压器安全运行的关键因素之一，决定着机车运行的可靠性，所以研究变压器油的寿命意义重大。
2 变压器油的作用及影响
变压器油是一种重要的绝缘介质，对油浸电力设备起到绝缘、灭弧、散热冷却等保护作用，其油质状态直接关系到变压器乃至整个电力系统的稳定运行。随着相关电气设备的运行，变压器油在使用过程中受温度、氧气、绝缘材料等的影响，在变压器金属构件、电磁场及日光等的催化作用下，油质不可避免地会发生老化，生成羧酸、环烷酸、醛、酮等氧化产物，使变压器油出现酸值升高、界面张力降低、析出油泥，介质损耗因数、击穿电压和体积电阻率等电气性能指标不合格，以及局部放电和色谱异常等现象，导致变压器故障时有发生。
3 动力学方程的应用
由于变压器油直接影响变压器的运用可靠性，所以采用科学的换油周期以保证变压器油的油品质量对于变压器的稳定运行及维护至关重要。目前机车变压器的大修周期为12年，而变压器油则需要继续维持运用，所以极为需要对变压器油的剩余使用寿命进行预估，以判断运用超过12年的变压器油是否可以维持运用到下一个大修周期。准确评估油品的剩余有效寿命（RUL）对科学预测设备故障及设备防护具有重要意义，近年来已成为研究的热点。
R. Criso?stomo Rabelo Neto等人在实验室加速老化条件下，应用氧化反应的动力学模型研究环烷基变压器油中酚类抗氧剂和金属钝化剂的联合作用，庞晋山等学者已将氧化动力学模型应用于烃基润滑油上以预测其剩余寿命，柴油和食用油等的氧化动力学也被许多学者研究。
目前我国及相关国际组织关于变压器油质量规定的标准较多，例如《GB/T 7595-2008运行中变压器油质量》、《GB/T 14542-2017变压器油维护管理导则》等，但都是对现有情况的界定规范，并未延伸到在未来一段时间内变压器油的劣化情况。而且目前对于变压器油的氧化研究，主要集中于其氧化机理、氧化安定性评价方法及抗氧剂使用等方面，关于氧化反应的动力学变化规律还涉及较少。基于前人理论经验，本文尝试将氧化动力学基本理论应用于变压器油的老化过程，通过不同温度下模拟老化实验得到的各性质数据，建立变压器油在加速热老化条件下的动力学方程，并得到反应速率常数K和活化能Ea，进而建立变压器油剩余有效寿命的预估模型。实验室模拟老化加快了变压器油的劣化速度，但两者的老化趋势是一致的。因此，根据实验室加速热老化情况，可以对实际运行条件下油品的各性能进行测试分析，找到对应关系成倍放大时间跨度，以此预测在用变压器油的剩余使用寿命，为确定变压器油的科学换油周期提供参考。这对变压器设备定时检修、及时采取再生及换油措施、排除安全隐患具有一定的指导意义。
变压器油的老化实质上是油中烃分子与氧气或含氧化合物发生反应的过程，其反应速率常数符合Arrhenius方程。因此通过实验测试分析油品特定性能参数如酸值、介质损耗因数及击穿电压等的变化，基于氧化动力学基本原理建立模型，可快速预测变压器油的剩余使用时间。
对于同一种变压器油来讲，油中烃分子与氧气的反应当量是固定的，因此可以用反应速率代替反应速率常数，即：
v=Δw/Δt=A0exp（-Ea’/RT） （1）
式（1）中：表征量w可以是变压器油的任一性能参数，本实验为酸值、介质损耗因数和击穿电压，Δw表示其在一定时间内（Δt）的变化值；A0表示固定反应当量条件下的频率因子；Ea’为固定反应当量条件下的活化能；R=8.314kJ/（mol·K）。
所以有：
Δw=A0exp（-Ea’/RT）·Δt （2）
式（1）两边求对数：
ln（Δw/Δt）=lnA0-Ea’/RT
根据（Δw/Δt）-T的实验数据，通过拟合可以建立1/T与ln（Δw/Δt）的线性回归方程，由回归直线的斜率和截距可求得反应活化能Ea’和指前因子A0，进而得到Δw-t的函数关系，由此可以计算出变压器油在一定温度下的剩余使用时间。
4 试验方法
使变压器油在接触空气的情况下，分别在70℃、90℃、100℃、110℃下对其进行恒温热老化，分别取老化时间10h、20h、30h、40h、50h、60h、70h、90h、120h、140h。之后对变压器油酸值、水溶性酸值、介质损耗因数、界面张力及击穿电压四个性能指标在不同温度下的变化情况进行测试分析。
同时从现有使用的部分机车上对在用变压器油进行取样，然后测定酸值、介质损耗因数、击穿电压、界面张力。
通过模型数据，求出反应活化能Ea’和指前因子A0，建立油品四个参数的预测模型，并利用现有的在用变压器油数据进行校对和验证。
参考文献
[1]张继军.基于状态条件概率的设备剩余寿命预测[J].北京航空航天大学学报，2014.
[2]唐立军.变压器油热老化过程中特性变化研究[J]. 长沙理工大学物理与电子科学学院，2013.
（作者单位：中车大连机车车辆有限公司）