一种基于热失重分析的硅橡胶材料等效运行时间判定方法与流程

本发明涉及一种基于热失重分析的硅橡胶材料等效运行时间判定方法。

背景技术：

硅橡胶材料是电网系统中被广泛使用的绝缘材料，由硅橡胶材料制成的器件和产品包括但不限于复合绝缘子、防污闪涂层、电缆终端附件等。但是硅橡胶是一种有机高分子材料，在长期的运行中容易受到外界环境应力的作用而发生老化。高温硫化硅橡胶是电力系统内使用最为广泛的绝缘材料。一些高温硫化硅橡胶绝缘材料由于所使用的原料或工艺水平不佳，导致材料本身的耐老化性能较差。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于热失重分析的硅橡胶材料等效运行时间判定方法，以及一种电网系统中的器件的等效运行时间判定方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于热失重分析的硅橡胶材料等效运行时间判定方法，包括以下步骤：

s1.对硅橡胶样品进行加热并测量所述硅橡胶样品的热失重曲线；

s2.确定所述热失重曲线上的tga转折点所对应的样品剩余质量比例mass转折和所述热失重曲线上的样品最终剩余质量比例mass最终；

s3.根据预先确定的硅橡胶材料等效运行时间与mass转折及mass最终的关系，确定硅橡胶样品的等效运行时间。

进一步地：

所述硅橡胶材料等效运行时间与mass转折及mass最终的关系为：

t＝a*mass最终+b*mass转折-c

其中，t为硅橡胶材料等效运行时间，系数a为33～35，b为28～30，c为4000～4100。

所述硅橡胶材料等效运行时间与mass转折及mass最终的关系为：

t＝34.04*mass最终+29.23*mass转折-4054.80

mass转折为300℃～400℃温度区间中的温度点对应的样品剩余质量比例。

步骤s2中，确定所述热失重曲线上的tga转折点所对应的样品剩余质量比例mass转折包括：

对所述热失重曲线上的每个拐点的两侧的曲线段作切线，并使相邻的切线相交得到多个交叉点；

将所述多个交叉点沿着温度增大方向排序的第二个交叉点作为所述热失重曲线上的tga转折点；

以所述热失重曲线上的tga转折点所对应的样品剩余质量比例作为mass转折的取值。

步骤s2中，确定所述热失重曲线上的样品最终剩余质量比例mass最终包括：以热失重曲线的靠近最高温度至最高温度的预定温度区间所对应的所有剩余比例的平均值作为mass最终的取值。

所述预定温度区间为795℃～800℃。

步骤s2中，在升温速率β＝5℃/min的条件下，确定所述热失重曲线上的mass转折和mass最终。

一种电网系统中的器件的等效运行时间判定方法，所述器件至少一部分为硅橡胶材料制成，使用所述的硅橡胶材料等效运行时间判定方法判定所述器件的硅橡胶材料的等效运行时间，并由此判定所述器件的等效运行时间。

进一步地，所述器件为复合绝缘子。

本发明的有益效果：

根据本发明的基于热失重分析的硅橡胶材料复合绝缘子等效运行时间判定方法，可以准确可靠地判定硅橡胶材料的等效运行时间，尤其是可以判定电网系统中采用硅橡胶材料的复合绝缘子、防污闪涂层、电缆终端附件等器件的等效运行时间，例如，对复合绝缘子伞裙进行取样后，可借助热分析仪，利用少量样品对其等效运行时间进行定量判断，测量结果直接反映复合绝缘子硅橡胶绝缘材料的老化程度，测量过程简单，且测量方法受人为因素影响小，准确度高。

附图说明

图1为本发明一种实施例中测量的硅橡胶样品热失重曲线图；

图2至图4为本发明一种实施例中确定热失重曲线上的tga转折点所对应的样品剩余质量比例mass转折的确定过程示意图；

图5为本发明一种实施例中确定了mass转折和mass最终在热失重曲线上的位置的示意图；

图6为复合绝缘子样品运行时间的实际值、预测值散点图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1至图5，在一种实施例中，一种基于热失重分析的硅橡胶材料等效运行时间判定方法，包括以下步骤：

s1.对硅橡胶样品进行加热并测量所述硅橡胶样品的热失重曲线；

s2.确定所述热失重曲线上的tga转折点所对应的样品剩余质量比例mass转折和所述热失重曲线上的样品最终剩余质量比例mass最终；

s3.根据预先确定的硅橡胶材料等效运行时间与mass转折及mass最终的关系，确定硅橡胶样品的等效运行时间。

在优选实施例中，所述硅橡胶材料等效运行时间与mass转折及mass最终的关系为：

t＝a*mass最终+b*mass转折-c

其中，t为硅橡胶材料等效运行时间，系数a为33～35，b为28～30，c为4000～4100。

在特别优选的实施例中，所述硅橡胶材料等效运行时间与mass转折及mass最终的关系为：

t＝34.04*mass最终+29.23*mass转折-4054.80

在优选实施例中，mass转折为300℃～400℃温度区间中的温度点对应的样品剩余质量比例。

在优选实施例中，步骤s2中，确定所述热失重曲线上的tga转折点所对应的样品剩余质量比例mass转折包括：

对所述热失重曲线上的每个拐点的两侧的曲线段作切线，并使相邻的切线相交得到多个交叉点；

将所述多个交叉点沿着温度增大方向排序的第二个交叉点作为所述热失重曲线上的tga转折点；

以所述热失重曲线上的tga转折点所对应的样品剩余质量比例作为mass转折的取值。

在优选实施例中，步骤s2中，确定所述热失重曲线上的样品最终剩余质量比例mass最终包括：以热失重曲线的靠近最高温度至最高温度的预定温度区间所对应的所有剩余比例的平均值作为mass最终的取值。

在更优选的实施例中，所述预定温度区间为795℃～800℃。

在优选实施例中，步骤s2中，在升温速率β＝5℃/min的条件下，确定所述热失重曲线上的mass转折和mass最终。

在另一种实施例中，一种电网系统中的器件的等效运行时间判定方法，所述器件至少一部分为硅橡胶材料制成，使用所述的硅橡胶材料等效运行时间判定方法判定所述器件的硅橡胶材料的等效运行时间，并由此判定所述器件的等效运行时间。

在优选实施例中，所述器件为复合绝缘子，硅橡胶材料可以是取自复合绝缘子的伞裙的高温硫化硅橡胶材料。

在其他实施例中，所述器件也可以是防污闪涂层、电缆终端附件等等。

本发明的主要优点有：

(1)使用热失重分析方法对高温硫化硅橡胶材料的老化程度进行分析，对样品的用量小，分析过程严格可控，受人为因素影响小，可重复性好。

(2)利用硅橡胶材料在受热过程中的失重比例计算分析材料的等效运行时间，从而得到可量化的准确数值来进行高温硫化硅橡胶的老化程度评估。

(3)本发明可用于已投入运行的高温硫化硅橡胶绝缘材料的老化程度的评估。

(4)进行热失重分析时只需要测出样品的质量变化曲线。然后即可利用mass转折和mass最终这两个参数进行复合绝缘子等效运行时间的判定，测量和判定过程简单。

实例

如图1至图5所示，在一个具体实施例中，基于热失重分析的硅橡胶材料等效运行时间判定方法包括测量硅橡胶样品的热失重曲线，以及确定热失重曲线上的mass转折和mass最终的过程。

利用热分析仪对复合绝缘子硅橡胶样品进行热失重实验，测量样品的热失重曲线如图1所示。热失重实验参数如下：升温速率β＝5℃/min，实验温度范围为50℃-800℃，实验气体氛围为惰性氛围(使用氮气或氩气)。

mass转折定义为热失重曲线上tga转折点所对应的的样品剩余质量比例，单位为％。这一转折点出现在300℃～400℃之间。

mass最终定义为热失重曲线上样品最终剩余质量比例，单位为％。

mass转折的确定方式如下：

随后，利用5条切线对热失重曲线进行描绘，如图2所示。5条切线共得到4个交叉点，如图3中的虚线方框所示。

如图4所示，第二个方框中所对应的交叉点即为tga转折点，其横坐标为转折点温度，纵坐标即为mass转折。

mass最终的确定方式如下：

以热失重曲线最后795℃～800℃温度区间对应的所有剩余比例的平均值作为mass最终的取值。

得到mass转折和mass最终在热失重曲线上的位置如图5所示。

根据热失重试验结果，计算等效运行时间t。采用的计算公式如下：

t＝34.04*mass最终+29.23*mass转折-4054.80

复合绝缘子的等效运行时间t应小于120(10年)。若计算结果t＞120，说明其运行状态不佳，无法满足正常的运行要求。

以某复合绝缘子伞裙样品为例，对其进行热失重分析后，得到其mass转折为87.302％，mass最终为49.078％，计算得到其等效运行时间：

t＝34.038×49.078+29.23×87.302-4054.797

＝1670.51+2551.83-4054.797＝167.54(月)≈13.96(年)

通过计算可知，该复合绝缘子的等效运行时间近14年，而实际性能检测结果表明，该复合绝缘子有较为明显的硬化、褪色现象，其运行状态不佳，无法满足正常的运行要求。

硅橡胶材料等效运行时间与mass转折及mass最终的关系验证

以新疆地区退出运行的复合绝缘子样品为研究对象，选取了来自新疆4个地区共65支退出运行的复合绝缘子进行试验分析。其中，吐鲁番地区27支，伊犁地区23支，库尔勒地区5支，阿勒泰地区10支；其中，220kv等级复合绝缘子50支，110kv等级复合绝缘子15支。

按照制造日期、伞形和电压等级的不同，这65支复合绝缘子可以分成18个批次，相关信息如下表所示。

复合绝缘子样品信息表

对18组样品开展热失重分析，公式中出现的变量定义如下：

mass转折：在升温速率β＝5℃/min的条件下，硅橡胶热失重曲线上发生明显转折时对应的物质剩余比例。

mass最终：在升温速率β＝5℃/min的条件下，硅橡胶热失重曲线上最终的物质剩余比例。

t：复合绝缘子伞裙样品从制造日期开始到进行试验所经历的时间，以月为单位。本节18组样品的运行时间从17个月到183个月不等。

同样利用多元线性回归模型，对复合绝缘子的运行时间进行预测。在本次实验中，利用逐步回归分析方法得到复合绝缘子运行时间的回归方程为：

t＝34.038mass最终+29.23mass转折-4054.797

利用这一公式，将得到的复合绝缘子的预测运行时间与实际运行时间做散点图，如图6所示。

按照显著性检验方法对这一多元线性回归模型进行检验。

绝缘子样品运行时间多元回归模型方差分析表

令α＝0.05，则fα(k,n-k-1)＝f0.05(2,15)＝3.68，由于44.1867574>3.34，f≥fα(k,n-k-1)成立，因此模型有效，即复合绝缘子样品运行时间与样品在tga分析中转折点温度的剩余比例和样品在tga分析中的最终总剩余比例的线性关系是显著的。

绝缘子运行时间回归模型回归系数检验计算表

检验系数h0:β1＝β2＝…＝βk＝0，tα/2(n-k-1)＝t0.025(15)＝2.131，由于t1＝9.3510＞2.131，t2＝6.4237＞2.131，因此，在显著水平α＝0.05下，拒绝h0，mass最终、mass转折两个变量都起着显著作用。

通过模型得到的结果表明，随着硅橡胶绝缘材料的不断老化，其有机成分会不断减少，无机成分不断上升，导致热失重分析中的物质剩余比例不断上升。这一结果表明通过热失重分析进行硅橡胶运行状态表征是十分有效的。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。