一種基於熱失重分析的矽橡膠材料等效運行時間判定方法與流程
2023-05-19 17:16:51
本發明涉及一種基於熱失重分析的矽橡膠材料等效運行時間判定方法。
背景技術：
矽橡膠材料是電網系統中被廣泛使用的絕緣材料，由矽橡膠材料製成的器件和產品包括但不限於複合絕緣子、防汙閃塗層、電纜終端附件等。但是矽橡膠是一種有機高分子材料，在長期的運行中容易受到外界環境應力的作用而發生老化。高溫硫化矽橡膠是電力系統內使用最為廣泛的絕緣材料。一些高溫硫化矽橡膠絕緣材料由於所使用的原料或工藝水平不佳，導致材料本身的耐老化性能較差。
技術實現要素：
本發明的主要目的在於克服現有技術的不足，提供一種基於熱失重分析的矽橡膠材料等效運行時間判定方法，以及一種電網系統中的器件的等效運行時間判定方法。
為實現上述目的，本發明採用以下技術方案：
一種基於熱失重分析的矽橡膠材料等效運行時間判定方法，包括以下步驟：
s1.對矽橡膠樣品進行加熱並測量所述矽橡膠樣品的熱失重曲線；
s2.確定所述熱失重曲線上的tga轉折點所對應的樣品剩餘質量比例mass轉折和所述熱失重曲線上的樣品最終剩餘質量比例mass最終；
s3.根據預先確定的矽橡膠材料等效運行時間與mass轉折及mass最終的關係，確定矽橡膠樣品的等效運行時間。
進一步地：
所述矽橡膠材料等效運行時間與mass轉折及mass最終的關係為：
t＝a*mass最終+b*mass轉折-c
其中，t為矽橡膠材料等效運行時間，係數a為33～35，b為28～30，c為4000～4100。
所述矽橡膠材料等效運行時間與mass轉折及mass最終的關係為：
t＝34.04*mass最終+29.23*mass轉折-4054.80
mass轉折為300℃～400℃溫度區間中的溫度點對應的樣品剩餘質量比例。
步驟s2中，確定所述熱失重曲線上的tga轉折點所對應的樣品剩餘質量比例mass轉折包括：
對所述熱失重曲線上的每個拐點的兩側的曲線段作切線，並使相鄰的切線相交得到多個交叉點；
將所述多個交叉點沿著溫度增大方向排序的第二個交叉點作為所述熱失重曲線上的tga轉折點；
以所述熱失重曲線上的tga轉折點所對應的樣品剩餘質量比例作為mass轉折的取值。
步驟s2中，確定所述熱失重曲線上的樣品最終剩餘質量比例mass最終包括：以熱失重曲線的靠近最高溫度至最高溫度的預定溫度區間所對應的所有剩餘比例的平均值作為mass最終的取值。
所述預定溫度區間為795℃～800℃。
步驟s2中，在升溫速率β＝5℃/min的條件下，確定所述熱失重曲線上的mass轉折和mass最終。
一種電網系統中的器件的等效運行時間判定方法，所述器件至少一部分為矽橡膠材料製成，使用所述的矽橡膠材料等效運行時間判定方法判定所述器件的矽橡膠材料的等效運行時間，並由此判定所述器件的等效運行時間。
進一步地，所述器件為複合絕緣子。
本發明的有益效果：
根據本發明的基於熱失重分析的矽橡膠材料複合絕緣子等效運行時間判定方法，可以準確可靠地判定矽橡膠材料的等效運行時間，尤其是可以判定電網系統中採用矽橡膠材料的複合絕緣子、防汙閃塗層、電纜終端附件等器件的等效運行時間，例如，對複合絕緣子傘裙進行取樣後，可藉助熱分析儀，利用少量樣品對其等效運行時間進行定量判斷，測量結果直接反映複合絕緣子矽橡膠絕緣材料的老化程度，測量過程簡單，且測量方法受人為因素影響小，準確度高。
附圖說明
圖1為本發明一種實施例中測量的矽橡膠樣品熱失重曲線圖；
圖2至圖4為本發明一種實施例中確定熱失重曲線上的tga轉折點所對應的樣品剩餘質量比例mass轉折的確定過程示意圖；
圖5為本發明一種實施例中確定了mass轉折和mass最終在熱失重曲線上的位置的示意圖；
圖6為複合絕緣子樣品運行時間的實際值、預測值散點圖。
具體實施方式
以下對本發明的實施方式作詳細說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發明的範圍及其應用。
參閱圖1至圖5，在一種實施例中，一種基於熱失重分析的矽橡膠材料等效運行時間判定方法，包括以下步驟：
s1.對矽橡膠樣品進行加熱並測量所述矽橡膠樣品的熱失重曲線；
s2.確定所述熱失重曲線上的tga轉折點所對應的樣品剩餘質量比例mass轉折和所述熱失重曲線上的樣品最終剩餘質量比例mass最終；
s3.根據預先確定的矽橡膠材料等效運行時間與mass轉折及mass最終的關係，確定矽橡膠樣品的等效運行時間。
在優選實施例中，所述矽橡膠材料等效運行時間與mass轉折及mass最終的關係為：
t＝a*mass最終+b*mass轉折-c
其中，t為矽橡膠材料等效運行時間，係數a為33～35，b為28～30，c為4000～4100。
在特別優選的實施例中，所述矽橡膠材料等效運行時間與mass轉折及mass最終的關係為：
t＝34.04*mass最終+29.23*mass轉折-4054.80
在優選實施例中，mass轉折為300℃～400℃溫度區間中的溫度點對應的樣品剩餘質量比例。
在優選實施例中，步驟s2中，確定所述熱失重曲線上的tga轉折點所對應的樣品剩餘質量比例mass轉折包括：
對所述熱失重曲線上的每個拐點的兩側的曲線段作切線，並使相鄰的切線相交得到多個交叉點；
將所述多個交叉點沿著溫度增大方向排序的第二個交叉點作為所述熱失重曲線上的tga轉折點；
以所述熱失重曲線上的tga轉折點所對應的樣品剩餘質量比例作為mass轉折的取值。
在優選實施例中，步驟s2中，確定所述熱失重曲線上的樣品最終剩餘質量比例mass最終包括：以熱失重曲線的靠近最高溫度至最高溫度的預定溫度區間所對應的所有剩餘比例的平均值作為mass最終的取值。
在更優選的實施例中，所述預定溫度區間為795℃～800℃。
在優選實施例中，步驟s2中，在升溫速率β＝5℃/min的條件下，確定所述熱失重曲線上的mass轉折和mass最終。
在另一種實施例中，一種電網系統中的器件的等效運行時間判定方法，所述器件至少一部分為矽橡膠材料製成，使用所述的矽橡膠材料等效運行時間判定方法判定所述器件的矽橡膠材料的等效運行時間，並由此判定所述器件的等效運行時間。
在優選實施例中，所述器件為複合絕緣子，矽橡膠材料可以是取自複合絕緣子的傘裙的高溫硫化矽橡膠材料。
在其他實施例中，所述器件也可以是防汙閃塗層、電纜終端附件等等。
本發明的主要優點有：
(1)使用熱失重分析方法對高溫硫化矽橡膠材料的老化程度進行分析，對樣品的用量小，分析過程嚴格可控，受人為因素影響小，可重複性好。
(2)利用矽橡膠材料在受熱過程中的失重比例計算分析材料的等效運行時間，從而得到可量化的準確數值來進行高溫硫化矽橡膠的老化程度評估。
(3)本發明可用於已投入運行的高溫硫化矽橡膠絕緣材料的老化程度的評估。
(4)進行熱失重分析時只需要測出樣品的質量變化曲線。然後即可利用mass轉折和mass最終這兩個參數進行複合絕緣子等效運行時間的判定，測量和判定過程簡單。
實例
如圖1至圖5所示，在一個具體實施例中，基於熱失重分析的矽橡膠材料等效運行時間判定方法包括測量矽橡膠樣品的熱失重曲線，以及確定熱失重曲線上的mass轉折和mass最終的過程。
利用熱分析儀對複合絕緣子矽橡膠樣品進行熱失重實驗，測量樣品的熱失重曲線如圖1所示。熱失重實驗參數如下：升溫速率β＝5℃/min，實驗溫度範圍為50℃-800℃，實驗氣體氛圍為惰性氛圍(使用氮氣或氬氣)。
mass轉折定義為熱失重曲線上tga轉折點所對應的的樣品剩餘質量比例，單位為％。這一轉折點出現在300℃～400℃之間。
mass最終定義為熱失重曲線上樣品最終剩餘質量比例，單位為％。
mass轉折的確定方式如下：
隨後，利用5條切線對熱失重曲線進行描繪，如圖2所示。5條切線共得到4個交叉點，如圖3中的虛線方框所示。
如圖4所示，第二個方框中所對應的交叉點即為tga轉折點，其橫坐標為轉折點溫度，縱坐標即為mass轉折。
mass最終的確定方式如下：
以熱失重曲線最後795℃～800℃溫度區間對應的所有剩餘比例的平均值作為mass最終的取值。
得到mass轉折和mass最終在熱失重曲線上的位置如圖5所示。
根據熱失重試驗結果，計算等效運行時間t。採用的計算公式如下：
t＝34.04*mass最終+29.23*mass轉折-4054.80
複合絕緣子的等效運行時間t應小於120(10年)。若計算結果t＞120，說明其運行狀態不佳，無法滿足正常的運行要求。
以某複合絕緣子傘裙樣品為例，對其進行熱失重分析後，得到其mass轉折為87.302％，mass最終為49.078％，計算得到其等效運行時間：
t＝34.038×49.078+29.23×87.302-4054.797
＝1670.51+2551.83-4054.797＝167.54(月)≈13.96(年)
通過計算可知，該複合絕緣子的等效運行時間近14年，而實際性能檢測結果表明，該複合絕緣子有較為明顯的硬化、褪色現象，其運行狀態不佳，無法滿足正常的運行要求。
矽橡膠材料等效運行時間與mass轉折及mass最終的關係驗證
以新疆地區退出運行的複合絕緣子樣品為研究對象，選取了來自新疆4個地區共65支退出運行的複合絕緣子進行試驗分析。其中，吐魯番地區27支，伊犁地區23支，庫爾勒地區5支，阿勒泰地區10支；其中，220kv等級複合絕緣子50支，110kv等級複合絕緣子15支。
按照製造日期、傘形和電壓等級的不同，這65支複合絕緣子可以分成18個批次，相關信息如下表所示。
複合絕緣子樣品信息表
對18組樣品開展熱失重分析，公式中出現的變量定義如下：
mass轉折：在升溫速率β＝5℃/min的條件下，矽橡膠熱失重曲線上發生明顯轉折時對應的物質剩餘比例。
mass最終：在升溫速率β＝5℃/min的條件下，矽橡膠熱失重曲線上最終的物質剩餘比例。
t：複合絕緣子傘裙樣品從製造日期開始到進行試驗所經歷的時間，以月為單位。本節18組樣品的運行時間從17個月到183個月不等。
同樣利用多元線性回歸模型，對複合絕緣子的運行時間進行預測。在本次實驗中，利用逐步回歸分析方法得到複合絕緣子運行時間的回歸方程為：
t＝34.038mass最終+29.23mass轉折-4054.797
利用這一公式，將得到的複合絕緣子的預測運行時間與實際運行時間做散點圖，如圖6所示。
按照顯著性檢驗方法對這一多元線性回歸模型進行檢驗。
絕緣子樣品運行時間多元回歸模型方差分析表
令α＝0.05，則fα(k,n-k-1)＝f0.05(2,15)＝3.68，由於44.1867574>3.34，f≥fα(k,n-k-1)成立，因此模型有效，即複合絕緣子樣品運行時間與樣品在tga分析中轉折點溫度的剩餘比例和樣品在tga分析中的最終總剩餘比例的線性關係是顯著的。
絕緣子運行時間回歸模型回歸係數檢驗計算表
檢驗係數h0:β1＝β2＝…＝βk＝0，tα/2(n-k-1)＝t0.025(15)＝2.131，由於t1＝9.3510＞2.131，t2＝6.4237＞2.131，因此，在顯著水平α＝0.05下，拒絕h0，mass最終、mass轉折兩個變量都起著顯著作用。
通過模型得到的結果表明，隨著矽橡膠絕緣材料的不斷老化，其有機成分會不斷減少，無機成分不斷上升，導致熱失重分析中的物質剩餘比例不斷上升。這一結果表明通過熱失重分析進行矽橡膠運行狀態表徵是十分有效的。
以上內容是結合具體/優選的實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，其還可以對這些已描述的實施方式做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應當視為屬於本發明的保護範圍。