含分布式光纖的變壓器油老化壽命評估研究

孫 路，田 源，高樹國，李東陽，劉云鵬，范曉舟

（1. 國網河北省電力有限公司電力科學研究院，河北 石家莊 050021；2. 華北電力大學a. 新能源電力系統國家重點實驗室；b. 河北省輸變電設備安全防御重點實驗室，河北 保定 071003）

0 引言

光學傳感技術的應用為電力設備狀態感知、監測預警提供了新的技術方法?；诓祭餃Y散射原理，在變壓器內部沿繞組布置分布式傳感光纖，可實現對變壓器繞組應力應變及溫度參量的測量，提高設備狀態監測的靈敏度，同時為數字孿生電網的構建提供設備基礎狀態參量[1-2]。對于內置在變壓器中的分布式傳感光纖需在石英光纖芯外增加護套，保護光纖不易彎折[3]，但不同護套材料會對變壓器油絕緣系統產生不同影響。

目前內置于變壓器內的分布式傳感光纖護套材料主要有交聯聚烯烴、聚氨酯、乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）等。在內置光纖護套材料的老化研究中，文獻[4]對熒光光纖溫度傳感器的交聯聚烯烴、聚氨酯和聚氯乙烯護套材料進行熱老化試驗，得出交聯聚烯烴護套和聚氨酯護套均發生一定程度分解，而聚氯乙烯護套性能變化不大。文獻[3,5]對內置的分布式光纖的乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）、聚四氟乙烯（PTFE）、熱塑性聚酯彈性體（TPEE）護套材料進行油中加速熱老化試驗，發現光纖護套材料會加速變壓器油老化。在變壓器油紙絕緣系統的壽命評估研究中，文獻[6]研究發現，油的擊穿電壓、油中溶解氣體、含水量與油紙絕緣系統的剩余壽命具有顯著相關性。文獻[7-8]基于損失累積動力學模型，構建了溫度-水分含量的油紙絕緣壽命模型。文獻[9-11]通過頻域介電譜特征量分析了油紙絕緣系統的老化狀態。

以上研究成果為探究內置傳感光纖的影響與評估油絕緣系統壽命提供了一定的理論基礎，但目前尚未涉及含分布式光纖變壓器油絕緣系統壽命的評估研究報道。本研究對含分布式光纖的變壓器油樣在不同溫度下進行加速熱老化縮比試驗，在熱老化期間定時取樣并測試擊穿電壓，然后基于擊穿電壓累積損失率，分析含光纖變壓器油活化能與純油活化能的關系，提出一種含分布式光纖的變壓器油活化能計算方法，研究含光纖變壓器油的熱老化壽命模型。

1 試驗

1.1 試驗材料及流程

試驗材料為克拉瑪依25#環烷基變壓器油和通信用傳感光纖（護套材料分別為ETFE、PTFE、TPEE）。對所有材料采用相同的預處理方法，使其處于同等初始老化狀態。試樣的具體制備流程如下：

（1）將各類新光纖試樣在溫度為80℃、真空度低于50 Pa的條件下脫氣并干燥48 h；

（2）將已脫氣干燥的光纖試樣放入變壓器油樣中，在溫度為40℃、真空度低于50 Pa 的條件下充分浸漬24 h，其中光纖試樣與變壓器油試樣的質量分別為9.25 g 和185 g（光纖與變壓器油的質量比約為1∶20）；

（3）根據0.05 cm2銅/1 g 變壓器油的比例加入銅片[12]；

（4）含各類光纖的油樣作為試驗組，無光纖純油樣作為對照組；

（5）將制備的4 組試樣（每組9 瓶）放置于DZF-0620A型真空老化箱內，設定控制溫度，然后對老化箱連續抽真空3 次后再通氮氣，保持老化箱內為一個標準大氣壓。

加速熱老化試驗分別在110、120、130℃下進行，老化時間為24 h，熱老化期間每隔3 h 取樣進行測量。

1.2 特征量選取及測量方法

電氣強度是變壓器油主要的電氣特性指標之一。根據IEC 156:1995測量不同含光纖油樣在不同老化狀態下的擊穿電壓，試驗環境溫度為20℃，相對濕度為35%。試驗步驟如下：試驗電極為兩個直徑為25 mm 的圓盤銅電極，電極間距設置為2.5 mm，在施加電壓之前，將待測油樣放入油杯中，使油面在電極上方5 cm 處，接著在室溫下靜置30 min，以1 kV/s 的升壓速度均勻升壓，直至油樣被擊穿，記錄擊穿電壓值；靜置5 min，重復以上步驟，結果取平均值。

2 結果及分析

在熱老化過程中，變壓器油的擊穿電壓變化規律及剩余壽命的評估可通過熱降解動力學方程描述。試驗采用110、120、130℃高溫進行加速熱老化，通過擊穿電壓累積損失動力學方程對各類含光纖油樣耐壓試驗數據進行擬合，并基于Arrhenius方程對高溫下的擊穿電壓累積損失率進行外推，可得出接近實際運行條件下材料的性能變化規律，進而實現不同溫度下含光纖變壓器油的壽命評估。

2.1 含分布式光纖變壓器油的壽命評估步驟

（1）建立變壓器油的擊穿電壓累積損失方程

基于熱降解動力學方程可得變壓器油的擊穿電壓累積損失動力學方程如式（1）所示。

式（1）中：U0為新變壓器油的擊穿電壓（57 kV）；Ut為熱老化t時刻變壓器油的擊穿電壓；wU為擊穿電壓累積損失率，wU=0代表變壓器油為未老化狀態，0＜wU＜1；k為變壓器油絕緣失效的速率。

（2）獲得主曲線及時溫平移因子αT

在相同坐標系下繪制不同溫度的擊穿電壓累積損失率變化曲線，將最低試驗溫度設為參考溫度Tref，沿時間軸平移非參考溫度下的曲線，使之與Tref下的曲線形成連續相接的整體，構造主曲線，則各溫度T下時溫平移因子αT的計算如式（2）所示。參考溫度Tref對應的平移因子為1。

式（2）中：tT為溫度T下曲線上某點平移前的時間；tref為曲線平移并構成主曲線的一部分后該點對應的時間值。

（3）活化能Ea的計算

采用時溫疊加（time-temperature superposition，TTSP）法外推式（1），假設高溫加速老化的過程與低溫時的過程相同，表征材料微結構的參數也恒定不變，則化學反應速率k應遵循Arrhenius 方程，如式（3）所示。

式（3）中：A為指前因子；Ea為活化能，J/mol；R為氣體常數，其值為8.314；T為溫度，K。

根據式（2）～（3），相同絕緣材料的曲線平移因子同樣滿足Arrhenius方程，如式（4）所示。

當熱老化機理恒定時，平移因子和絕對溫度的關系應遵循式（4），即試驗數據在以lnαT為橫坐標和()為縱坐標的坐標軸上應該為一條直線，其斜率為，將該斜率乘以8.314可以得到活化能Ea。由此可以外推其他老化溫度T下的平移因子αT。

（4）主曲線的動力學方程擬合

使用式（1）擬合主曲線，得到參考溫度Tref下的參數A和k，由此可以計算Tref下變壓器油的擊穿電壓下降至Ut所需的時間tref。進一步根據式（2），求得溫度T下變壓器油的擊穿電壓由U0下降至Ut所需的時間tT。如果設定Utend為壽命終點，則計算變壓器油的擊穿電壓下降至Utend所需的時間即為該試樣在溫度T下的壽命L。

（5）含分布式光纖的變壓器油壽命評估模型

由步驟（1）～（4），可得任意熱老化溫度下含分布式光纖變壓器油的外推壽命模型，如式（5）所示。

2.2 含分布式光纖的變壓器油壽命評估模型

在熱老化過程中，變壓器油的擊穿電壓可直觀地反映變壓器絕緣系統的穩定性。按2.1 中的步驟，分別對110、120、130℃下對應的各類油樣加速熱老化試驗數據進行主曲線構造和擬合（選擇110℃作為參考溫度），計算得出各類油樣的活化能Ea，代入式（5）得出該類含分布式光纖變壓器油的壽命評估模型。

圖1為純油樣的主曲線擬合結果以及平移因子與老化溫度之間的關系。從圖1(a)可以看出，純油樣在3 個溫度下的平移因子分別為：α110=1.0、α120=2.3、α130=3.9。由圖1(b)可計算得到本試驗中純油樣的活化能Ea=（87.16±10.17）kJ/mol。

圖1 純油樣的主曲線及平移因子與溫度關系Fig.1 Main curves of pure oil sample and relationship between translation factor and temperature

圖2 為含TPEE 光纖油樣的主曲線擬合結果以及平移因子與老化溫度之間的關系。從圖2可以看出，含TPEE光纖油樣在3個溫度下的平移因子分別為：α110=1.0、α120=1.8、α130=3.4。由圖2(b)可計算得到本試驗中含TPEE 光纖油樣的活化能Ea=（78.23±2.75）kJ/mol。

圖2 含TPEE光纖油樣的主曲線及平移因子與溫度關系Fig.2 Main curves of oil sample containing TPEE fiber and relationship between translation factor and temperature

圖3 為含PTFE 光纖油樣的主曲線擬合結果以及平移因子與老化溫度之間的關系。從圖3可以看出，含PTFE光纖油樣在3個溫度下的平移因子分別為：α110=1.0、α120=2.0、α130=3.6。由圖3(b)可計算得到本試驗中含PTFE 光纖油樣的活化能Ea=(81.95+2.86)kJ/mol。

圖3 含PTFE光纖油樣的主曲線及平移因子與溫度關系Fig.3 Main curves of oil sample containing PTFE fiber and relationship between translation factor and temperature

圖4 為含ETFE 光纖油樣的主曲線擬合結果以及平移因子與老化溫度之間的關系。從圖4可以看出，含ETFE光纖油樣在3個溫度下的平移因子分別為：α110=1.0、α120=2.2、α130=3.7。由圖4(b)可計算得到本試驗中含ETFE 光纖油樣的活化能Ea=（83.78±8.87）kJ/mol。

圖4 含ETFE緊套光纖油樣的主曲線及平移因子與溫度關系Fig.4 Main curves of oil sample containing ETFE fiber and relationship between translation factor and temperature

2.3 含分布式光纖的變壓器油壽命評估模型分析

在2.2 中得到了各類含分布式光纖變壓器油的壽命評估模型，模型中各油樣的Arrhenius活化能從大到小依次為純油樣、含ETFE 光纖油樣、含PTFE光纖油樣、含TPEE光纖油樣。

根據Arrhenius的定義，活化能代表了材料在化學反應過程中，普通分子變成活化分子需要吸收能量，只有活化分子才能夠發生反應。純油樣的熱老化活化能明顯大于含纖油樣的熱老化活化能，這表明在變壓器油中內置光纖會影響原有絕緣系統的強度。但不同光纖護套材料對變壓器油的影響不同，本試驗中ETFE 緊套光纖對變壓器油的熱老化影響最小。

熱老化t時刻變壓器油的擊穿電壓可通過式（6）進行計算。

從前文各主曲線中讀取橫坐標時間t及縱坐標擊穿電壓累積損失率wU，根據式（6）即可計算得出在不同溫度下老化t后變壓器油的擊穿電壓。經過計算，各類油樣活化能大小排序與熱老化后各類油樣的耐壓性能順序一致。此外，計算結果表明，在試驗溫度范圍內，溫度每上升10℃，變壓器油擊穿電壓的下降速率增加1.8～2.3 倍，這與工程經驗中的10℃壽命準則較為吻合。綜上可知所得模型可對含分布式光纖變壓器油進行壽命評估。

3 結論

（1）基于本研究提出的一種含分布式光纖變壓器油的活化能計算方法，得到各類含光纖變壓器油的Arrhenius 活化能從大到小依次為純油樣、含ETFE 光纖油樣、含PTFE 光纖油樣、含TPEE 光纖油樣，排序結果與熱老化后各類油樣的耐壓性能順序一致。

（2）不同光纖護套層對變壓器油的影響不同，本研究中ETFE 光纖對變壓器油的熱老化影響最小。

（3）根據各類含纖變壓器油樣活化能，構建老化平移因子，結合老化平移因子與擊穿電壓累積損失動力學方程建立了含光纖變壓器油壽命評估模型，模型計算結果表明，在試驗溫度范圍內，溫度每上升10℃，變壓器油的擊穿電壓下降速率增加1.8～2.3倍。