本發(fā)明涉及復(fù)合絕緣子壽命預(yù)測，具體涉及一種電-熱-力多場老化下的復(fù)合絕緣子芯棒壽命預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

1、復(fù)合絕緣子具有質(zhì)量輕、抗污閃性能優(yōu)異和機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高壓輸電線路中。但在高溫潮濕等嚴(yán)酷運(yùn)行條件下，復(fù)合絕緣子芯棒易出現(xiàn)局部異常發(fā)熱，電、熱、機(jī)械等多種老化應(yīng)力的疊加將顯著加速芯棒劣化進(jìn)程，長期投運(yùn)下可能引發(fā)擊穿和斷裂事故，嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。有效計(jì)算實(shí)際運(yùn)行復(fù)合絕緣子多老化因素下剩余服役壽命，評估復(fù)合絕緣子運(yùn)行狀態(tài)并做出響應(yīng)，成為研究學(xué)者不斷追求與探索的目標(biāo)。針對復(fù)合絕緣子老化及其壽命預(yù)測問題，國內(nèi)外研究人員基于對老化復(fù)合絕緣子芯棒理化特性的測試結(jié)果提出了一些參數(shù)來表征復(fù)合絕緣子芯棒老化特性并建立了一些測試參數(shù)與絕緣子壽命的關(guān)系。然而一方面國內(nèi)外開展的復(fù)合絕緣子芯棒老化實(shí)驗(yàn)以研究熱應(yīng)力為主的單場和電-熱等多場老化特性為主，電-熱-機(jī)械應(yīng)力聯(lián)合對芯棒老化的影響并未有過多報(bào)道；另一方面由于當(dāng)前學(xué)者研究的重點(diǎn)僅落在定性表征測試參數(shù)與復(fù)合絕緣子老化程度的關(guān)系，對于定量分析預(yù)測復(fù)合絕緣子芯棒老化程度與剩余服役壽命的研究卻鮮有涉及。因此，迫切需要發(fā)明一種定量分析復(fù)合絕緣子剩余服役壽命的計(jì)算方法，量化評估在運(yùn)復(fù)合絕緣子芯棒壽命，構(gòu)建復(fù)合絕緣子芯棒老化過程中關(guān)鍵物理參數(shù)與服役壽命的關(guān)聯(lián)機(jī)制。

2、過往有關(guān)絕緣子壽命評估方法，如一種基于人工加速老化試驗(yàn)的盆式絕緣子壽命評估方法（中國專利文獻(xiàn)cn105203879b）主要針對環(huán)氧材質(zhì)盆式絕緣子老化壽命評估，并無明顯機(jī)械應(yīng)力老化因素，僅考慮電與熱應(yīng)力對絕緣子壽命的影響，不具備普適性。又如一種復(fù)合絕緣子材料的老化狀態(tài)綜合評估系統(tǒng)及評估方法（中國專利文獻(xiàn)cn116203333b）專注于復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)評估，通過圖像識別技術(shù)僅能對當(dāng)前檢測的絕緣子老化情況進(jìn)行評價(jià)，無法對其剩余服役壽命進(jìn)行量化計(jì)算。

3、綜上，研究電-熱-力多場老化下的復(fù)合絕緣子芯棒壽命預(yù)測方法，對于推進(jìn)復(fù)合絕緣子老化狀態(tài)與壽命評估具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種電-熱-力多場老化下的復(fù)合絕緣子芯棒壽命預(yù)測方法，本發(fā)明方法針對實(shí)際運(yùn)行工況下復(fù)合絕緣子芯棒承受電、熱、機(jī)械等多種老化應(yīng)力疊加造成的加速劣化過程，采用電-熱-力多物理場耦合人工加速老化試驗(yàn)平臺開展多老化因子加速老化試驗(yàn)，測量芯棒樣品不同老化程度下的特征參量，基于微觀孔洞電荷能量密度提出芯棒電-熱-力多場老化壽命預(yù)測方法，結(jié)合老化試驗(yàn)測量參量計(jì)算芯棒預(yù)計(jì)服役壽命，并利用實(shí)際運(yùn)行復(fù)合絕緣子芯棒進(jìn)行對比驗(yàn)證，量化評估復(fù)合絕緣子芯棒耐老化特征與剩余服役壽命，構(gòu)建復(fù)合絕緣子芯棒老化過程中微觀孔洞電荷能量與服役壽命的物理關(guān)聯(lián)機(jī)制。

2、本發(fā)明至少通過如下技術(shù)方案之一實(shí)現(xiàn)。

3、電-熱-力多場老化下的復(fù)合絕緣子芯棒壽命預(yù)測方法，包括以下步驟：

4、（1）將復(fù)合絕緣子芯棒加工制成電-熱-力聯(lián)合加速老化樣品，在老化試驗(yàn)平臺中分別設(shè)定電-熱-力聯(lián)合加速老化樣品的老化實(shí)驗(yàn)溫度、施加電壓、施加老化樣品兩端的機(jī)械應(yīng)力；

5、（2）設(shè)定電-熱-力聯(lián)合老化試驗(yàn)取樣間隔時(shí)間，取不同老化間隔時(shí)間的老化樣品，進(jìn)行微觀形貌表征；

6、（3）分析電熱聯(lián)合作用下電荷能量與熱能對孔洞形變影響，得到熱應(yīng)力作用下孔洞機(jī)械應(yīng)變、孔洞電荷能量密度和單個(gè)基團(tuán)電荷能量；

7、（4）在步驟（3）的基礎(chǔ)上增加所述機(jī)械應(yīng)力，分析電熱力協(xié)同作用對孔洞半徑和應(yīng)變的影響；

8、（5）在步驟（4）的基礎(chǔ)上進(jìn)行動態(tài)熱機(jī)械分析拉伸模式測試，得到老化實(shí)驗(yàn)溫度下的儲能模量作為拉伸模量，獲取樣品體積彈性模量，并結(jié)合多物理場仿真軟件仿真計(jì)算孔洞總應(yīng)變；

9、（6）在多物理場仿真軟件中建立有限元仿真模型，結(jié)合孔洞總應(yīng)變與單個(gè)孔洞平均場強(qiáng)，獲得材料孔洞電場分布情況；

10、（7）在步驟（5）的基礎(chǔ)上開展吸濕試驗(yàn)，根據(jù)步驟（6）材料孔洞電場分布情況利用密度計(jì)測量樣品密度，計(jì)算孔隙率；

11、（8）將孔洞看作球體，根據(jù)孔隙率計(jì)算孔洞半徑；

12、（9）在熱力耦合基礎(chǔ)上，施加與所述機(jī)械應(yīng)力相同方向電場，以芯棒完全斷裂為壽命終結(jié)標(biāo)志，利用孔洞電荷能量作為芯棒壽命終結(jié)指標(biāo)，得到孔洞電荷能量與老化時(shí)間的關(guān)系，預(yù)測復(fù)合絕緣子芯棒剩余壽命。

13、進(jìn)一步地，步驟（1）中，將復(fù)合絕緣子芯棒加工制成啞鈴形試樣作為電-熱-力聯(lián)合加速老化樣品；設(shè)定電-熱-力聯(lián)合加速老化樣品的老化實(shí)驗(yàn)溫度為178℃-182℃、施加電壓為10.45kv?-10.55?kv。

14、進(jìn)一步地，步驟（3）中，熱應(yīng)力作用下孔洞機(jī)械應(yīng)變、孔洞電荷能量密度和單個(gè)基團(tuán)電荷能量表達(dá)式分別如式(1)、式(2)和式(3)所示：

15、（1）

16、（2）

17、（3）

18、式中， nc是每立方米孔洞數(shù)量， nm是每孔洞中基團(tuán)數(shù)量； r0為孔洞半徑， λ為孔洞殼層厚度， k是體積模量， b是比例系數(shù)，δ是反應(yīng)物自由能 g2和生成物自由能 g1之差，δ= g2- g1； k是玻爾茲曼常數(shù)； t是溫度； σem為局部電荷應(yīng)力，為單個(gè)孔洞平均場強(qiáng)， α是電致伸縮系數(shù)。

19、進(jìn)一步地，步驟（4）中，電熱力協(xié)同作用對孔洞半徑和應(yīng)變有如下關(guān)系：

20、（4）

21、式中，是熱力聯(lián)合作用下孔洞半徑，是熱應(yīng)力作用下孔洞機(jī)械應(yīng)變，是機(jī)械應(yīng)力作用下孔洞機(jī)械應(yīng)變， r0為孔洞半徑。

22、進(jìn)一步地，步驟（5）中，根據(jù)下式計(jì)算樣品體積彈性模量 k：

23、（5）

24、式中， y為拉伸模量， μ為泊松比。

25、進(jìn)一步地，步驟（5）中，所述孔洞總應(yīng)變?yōu)椋?/p>

26、（6）

27、其中是熱力聯(lián)合作用下孔洞半徑，是熱應(yīng)力作用下孔洞機(jī)械應(yīng)變，是機(jī)械應(yīng)力作用下孔洞機(jī)械應(yīng)變， r0為孔洞半徑，為孔洞總應(yīng)變， t是溫度，為機(jī)械應(yīng)力。

28、進(jìn)一步地，步驟（7）中，孔隙率由下式得出：

29、（7）

30、式中， mx為吸水樣品質(zhì)量， mc為除水樣品質(zhì)量， ρ為樣品密度。

31、進(jìn)一步地，步驟（7）中，將電-熱-力聯(lián)合加速老化樣品放入加熱箱加熱并干燥，取出樣品冷卻至室溫，在去離子水中充分浸泡后取出樣品，擦干稱量并記錄吸水樣品質(zhì)量。

32、進(jìn)一步地，步驟（8）中，假設(shè)每立方米孔洞數(shù)量為 nc，根據(jù)下式計(jì)算孔洞半徑：

33、（8）

34、式中，表示孔隙率， nc是立方米孔洞數(shù)量。

35、進(jìn)一步地，步驟（9）中，孔洞電荷能量為：

36、（9）

37、式中，為單個(gè)孔洞平均場強(qiáng)， α是電致伸縮系數(shù)， λ為孔洞殼層厚度， r0為孔洞半徑， nm是每孔洞中基團(tuán)數(shù)量；為孔洞總應(yīng)變， t是溫度，為機(jī)械應(yīng)力。

38、與現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果是：

39、（1）本發(fā)明使用電熱力聯(lián)合的老化試驗(yàn)平臺開展多應(yīng)力聯(lián)合老化試驗(yàn)探究復(fù)合絕緣子芯棒在模擬實(shí)際工況下電、熱和機(jī)械應(yīng)力聯(lián)合作用下的老化進(jìn)程，對于推動復(fù)合絕緣子芯棒的老化機(jī)理進(jìn)一步探究有重要的實(shí)際意義；

40、（2）基于微觀孔洞電荷能量密度提出了復(fù)合絕緣子芯棒電-熱-力多場老化壽命的評估預(yù)測，將電、熱與機(jī)械應(yīng)力聯(lián)合作用轉(zhuǎn)化為多應(yīng)力聯(lián)合對復(fù)合絕緣子芯棒微孔洞的應(yīng)變效應(yīng)，理清了多應(yīng)力聯(lián)合作用下芯棒的老化物理機(jī)理；

41、（3）本發(fā)明提出的復(fù)合絕緣子芯棒壽命預(yù)測方法驗(yàn)證符合實(shí)際運(yùn)行復(fù)合絕緣子芯棒孔洞電荷能量數(shù)據(jù)，為在運(yùn)復(fù)合絕緣子理論剩余壽命量化評估提供了有效計(jì)算手段。