齊金平， 李鴻偉， 何鵬， 薛康， 張慧娟， 劉曉宇

（1.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電技術(shù)研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省物流及運(yùn)輸裝備信息化工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省物流與運(yùn)輸裝備行業(yè)技術(shù)中心，甘肅 蘭州 730070；4.中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730015）

0 引 言

近年來，隨著我國高速鐵路的迅速發(fā)展，動車組列車運(yùn)行的安全性和可靠性日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，如何保證動車組安全可靠的運(yùn)行已成為鐵路運(yùn)維部門面臨的巨大挑戰(zhàn)。牽引變壓器作為動車組牽引供電系統(tǒng)的核心設(shè)備，承擔(dān)著列車運(yùn)行時電能的轉(zhuǎn)換和傳輸任務(wù)，是動車組列車運(yùn)行的動力來源[1-2]。一旦牽引變壓器發(fā)生故障，將會直接影響動車組列車的正常運(yùn)行，嚴(yán)重威脅旅客的生命安全，造成極大的社會損失。

與電力變壓器相比，牽引變壓器面臨著更加復(fù)雜的運(yùn)行工況和多變的氣象環(huán)境，服役條件更加惡劣，因此其具有以下獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行特征：①牽引變壓器安裝于動車組車底，長期在布滿灰塵的環(huán)境中運(yùn)行，散熱片被灰塵覆蓋會影響通風(fēng)散熱，且受安裝位置、外形尺寸和質(zhì)量的嚴(yán)格限制，其幾何結(jié)構(gòu)更加緊湊[3]，散熱效果不佳；②牽引變壓器一般采用單相多繞組變壓器[4]；③牽引變壓器隨列車長期處于動態(tài)運(yùn)行中，除了受到本身的電磁作用力外還受到列車運(yùn)行時強(qiáng)烈的振動與沖擊；④牽引變壓器負(fù)載頻繁波動，負(fù)載情況與列車所負(fù)載質(zhì)量、運(yùn)行速度和道路狀況等因素有關(guān)；⑤動車組內(nèi)部安裝有大功率變流裝置和電子設(shè)備等，使?fàn)恳儔浩鏖L期處于強(qiáng)電磁環(huán)境中運(yùn)行；⑥鐵路牽引電網(wǎng)的波動范圍大，是一般電網(wǎng)電壓波動的十幾倍，牽引變壓器需承受較大的網(wǎng)壓波動和過電壓沖擊[5]；⑦車載變壓器的負(fù)載為牽引變流器或整流器，使得繞組中的電流含有較大的高次諧波[6]，容易出現(xiàn)發(fā)熱問題；⑧列車啟停、過分相區(qū)時，需經(jīng)常開斷，造成電壓突變，使?fàn)恳儔浩饕虼磐柡投霈F(xiàn)勵磁涌流現(xiàn)象[7]。

綜上所述，牽引變壓器在運(yùn)行中會遭受網(wǎng)壓波動、高次諧波、負(fù)載沖擊、機(jī)械振動等復(fù)雜運(yùn)行工況及惡劣運(yùn)行條件的影響，使高速鐵路的牽引負(fù)荷具有不平衡性、沖擊性以及非線性特性[8]，從而導(dǎo)致牽引變壓器的絕緣性能及壽命下降。油紙絕緣的化學(xué)壽命直接決定著牽引變壓器的使用壽命[9-10]，因此研究油紙絕緣的老化機(jī)理及其影響因素，準(zhǔn)確預(yù)測牽引變壓器油紙絕緣的剩余壽命，對制定合理的檢修計劃、以更可控的方式預(yù)防故障具有重要意義。

目前，關(guān)于電力變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)評估及剩余壽命預(yù)測的研究已相對成熟，而針對牽引變壓器的研究相對較少。由前文分析可知，牽引變壓器在安裝方式、服役環(huán)境、負(fù)載情況及絕緣材料等方面與電力變壓器均存在較大差異，如果采用電力變壓器的研究方法對牽引變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)進(jìn)行評估，不考慮網(wǎng)壓波動、諧波、激磁涌流、機(jī)械振動等牽引變壓器典型的運(yùn)行特征，會使得評估結(jié)果的針對性不強(qiáng)、不確定性較大，而且牽引變壓器長期處于動態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)測獲取數(shù)據(jù)困難，且監(jiān)測數(shù)據(jù)與其他信息聯(lián)系緊密，使其剩余壽命預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性較低。

為此，本文對牽引變壓器油紙絕緣的主要老化形式及主要影響因素進(jìn)行探討，進(jìn)而分析油紙絕緣的老化機(jī)理，總結(jié)當(dāng)前評估油紙絕緣老化狀態(tài)的特征參量及主要的剩余壽命預(yù)測方法，分析各特征參量及剩余壽命預(yù)測方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件，并在此基礎(chǔ)上，探討油紙絕緣老化狀態(tài)評估及剩余壽命預(yù)測方面存在的主要問題及未來的研究方向。

1 牽引變壓器油紙絕緣系統(tǒng)的老化機(jī)理及影響因素

牽引變壓器的絕緣系統(tǒng)采用油浸式固液兩相絕緣結(jié)構(gòu)。固體絕緣采用普通絕緣紙和耐高溫芳綸絕緣紙相結(jié)合的方式，在高溫部位使用耐高溫芳綸絕緣紙，其他部位則使用普通絕緣紙[11]，兩種絕緣紙復(fù)合使用可使絕緣系統(tǒng)具有較好的耐熱性及過負(fù)載能力，且成本較低[12]。絕緣油主要采用普通的45號礦物油和硅油兩類，礦物油用于大多數(shù)動車組牽引變壓器，硅油則主要用于CRH2動車組的牽引變壓器[13]。牽引變壓器在運(yùn)行過程中，油紙絕緣系統(tǒng)長期處于電磁、熱、機(jī)械、環(huán)境等多種應(yīng)力下，各因素相互影響、共同作用，導(dǎo)致其機(jī)械強(qiáng)度及電氣性能逐漸下降[14]。影響油紙絕緣老化的各因素之間的具體關(guān)系如圖1所示[15]。

圖1 油紙絕緣系統(tǒng)老化的主要影響因素Fig.1 Main influencing factors for the ageing of oil-paper insulation system

根據(jù)油紙絕緣老化影響因素的不同，牽引變壓器內(nèi)油紙絕緣的老化形式可分為熱老化、電老化、化學(xué)老化和機(jī)械應(yīng)力老化[16-17]，主要老化形式及其影響因素如圖2所示。

圖2 油紙絕緣老化形式及影響因素Fig.2 Ageing forms and influencing factors for the ageing of oil-paper insulation

1.1 熱應(yīng)力對油紙絕緣老化的影響

熱老化是牽引變壓器油紙絕緣最主要的老化形式，溫度則是油紙絕緣老化最主要的影響因素[18]。V M MONTSINGER[19]研究提出，溫度每升高10℃，絕緣材料的壽命縮短一半。事實(shí)上，不同固體絕緣材料的理化性質(zhì)各不相同，其老化機(jī)理和老化速率也必然存在一定差異，上述結(jié)論不可能適用于所有的絕緣材料。T W DAKIN[20]研究認(rèn)為絕緣材料熱老化的本質(zhì)是一系列化學(xué)反應(yīng)過程的疊加，其絕緣壽命遵循式（1）所示的化學(xué)反應(yīng)速率方程。

式（1）中：A、B為反應(yīng)速率常數(shù)；L為絕緣材料的壽命；T為絕對溫度。

針對芳綸絕緣紙，S VILLAR-RODIL等[21]在氬氣環(huán)境下對Nomex絕緣紙進(jìn)行熱重-差熱分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度超過300℃時，Nomex絕緣紙開始發(fā)生水解反應(yīng)，當(dāng)溫度達(dá)到450℃時，絕緣紙開始發(fā)生均裂反應(yīng)。李璐[22]研究發(fā)現(xiàn)，在相同的老化時間下，老化溫度越高，Nomex絕緣紙表面的顏色越深，說明高溫對絕緣紙微觀結(jié)構(gòu)破壞更加嚴(yán)重。曾奕凡[23]研究提出，老化溫度越高，油浸Nomex絕緣紙的聚合度下降越快。這是由于水解反應(yīng)是絕緣紙老化的主要降解形式[24]，溫度越高，水分子在絕緣紙內(nèi)部移動的速度越快，絕緣紙發(fā)生水解反應(yīng)所需的活化能越小，水解反應(yīng)越容易發(fā)生，分子鏈斷裂進(jìn)一步加劇，使絕緣紙的聚合度降低，絕緣性能下降。

牽引變壓器安裝在動車車底，長期在布滿灰塵的環(huán)境中運(yùn)行，散熱片被灰塵覆蓋會使?fàn)恳儔浩魃岵涣?，?dǎo)致絕緣繞組出現(xiàn)熱點(diǎn)溫度過高、溫升加快的情況[25]，此外牽引變壓器的負(fù)載為牽引變流器或整流器，繞組中的電流含有較大的高次諧波，使車載變壓器產(chǎn)生諧波損耗而發(fā)熱，累積的熱量使絕緣系統(tǒng)溫度升高。高溫會破壞芳綸絕緣紙的分子鏈結(jié)構(gòu)，使其機(jī)械強(qiáng)度和電氣強(qiáng)度降低，從而影響油紙絕緣系統(tǒng)的壽命。

1.2 電應(yīng)力對油紙絕緣老化的影響

電場對油紙絕緣老化的影響機(jī)理比較復(fù)雜，涉及油紙絕緣在電場作用下的一系列理化反應(yīng)，目前油紙絕緣在電場中的老化作用還沒有形成公認(rèn)的理論和可以量化計算的模型，通常認(rèn)為油紙絕緣在電場作用下常伴隨有局部放電、擊穿等現(xiàn)象[26]。電場也會促進(jìn)絕緣油劣化產(chǎn)生酸性物質(zhì)并沉積于絕緣紙表面，加速油紙絕緣老化[27]。動車組頻繁啟停，使?fàn)恳儔浩鞑粩嗟爻惺苓^電壓沖擊，如此集中反復(fù)的沖擊作用會使絕緣紙結(jié)構(gòu)劣化，使?fàn)恳儔浩鞯挠图埥^緣系統(tǒng)產(chǎn)生損傷。另外，牽引變壓器高壓繞組上會產(chǎn)生復(fù)雜的電磁振蕩過程，使高壓繞組局部電場畸變，引入的空間電荷累積效應(yīng)會導(dǎo)致其絕緣損傷，甚至失效[28]。

1.3 機(jī)械應(yīng)力對油紙絕緣老化的影響

牽引變壓器在運(yùn)行中產(chǎn)生的機(jī)械振動、電磁振動、短路力或瞬時電動力等均為機(jī)械應(yīng)力，高分子材料在機(jī)械應(yīng)力作用下會發(fā)生大分子鏈斷裂而降解[29]。機(jī)械應(yīng)力對牽引變壓器絕緣系統(tǒng)的影響很早就被提出[29]，但在牽引變壓器油紙絕緣老化及壽命研究中很少考慮機(jī)械應(yīng)力因素，在油紙絕緣加速熱老化試驗(yàn)的設(shè)置中，也幾乎沒有機(jī)械振動這一老化因素，目前關(guān)于機(jī)械應(yīng)力對油紙絕緣老化的影響研究鮮有報道。

1.4 環(huán)境應(yīng)力對油紙絕緣老化的影響

1.4.1 水分對油紙絕緣老化的影響

水分是除溫度以外導(dǎo)致牽引變壓器內(nèi)絕緣性能下降的最主要因素[30]。曹金梅[31]研究發(fā)現(xiàn)，有水分存在時，溫度對Nomex絕緣紙老化的影響更顯著。倪遠(yuǎn)軍[30]研究發(fā)現(xiàn)，油浸Nomex絕緣紙在老化過程中抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢，初始水分含量越高，老化前期Nomex油浸絕緣紙的抗拉強(qiáng)度下降越快。溫敏敏等[32]研究發(fā)現(xiàn)，水分含量對Nomex絕緣紙的頻域介電譜（FDS）參數(shù)影響較大，主要體現(xiàn)在低頻段。李璐[22]研究了水分含量對Nomex絕緣紙聚合度的影響，發(fā)現(xiàn)初始水分含量越高，聚合度下降越快。因?yàn)樵跓釕?yīng)力作用下，分子熱運(yùn)動加劇，芳綸絕緣紙中聚間苯二甲酰間苯二胺（PMIA）分子鏈排列松散，當(dāng)絕緣紙中水分含量增加時，滲透到PMIA分子鏈間隙的水分子增加，水分子與PMIA分子鏈發(fā)生碰撞的概率變大，使水解反應(yīng)速率增大，宏觀表現(xiàn)為聚合度及抗拉強(qiáng)度下降速率增大。當(dāng)絕緣紙中水分含量增大到一定程度時，由于能有效水解的PMIA大分子鏈數(shù)量是一定的，水解反應(yīng)需要的水分子接近飽和，此時水分含量的增加不再使水解反應(yīng)速率明顯增大。此外，水分含量增大也會降低絕緣油的擊穿電壓和局部放電場強(qiáng)，提高絕緣擊穿和局部放電的概率，促進(jìn)絕緣油劣化。而絕緣紙和絕緣油劣化均會生成水分，生成的水分又會參與到油紙絕緣老化反應(yīng)中，形成惡性循環(huán)。

1.4.2 氣體和酸對油紙絕緣老化的影響

溫度和水分是影響油紙絕緣老化的主要因素，氧氣則起著加速老化的作用[33]。當(dāng)氧氣大量存在時，絕緣油可能被氧化，產(chǎn)生硬脂酸等高分子有機(jī)酸，絕緣紙則會產(chǎn)生甲酸、乙酸等低分子有機(jī)酸[34-35]，甲酸和硬脂酸均會促進(jìn)絕緣紙降解，其中甲酸的促進(jìn)作用更加明顯[36]。在酸的促進(jìn)作用下，油紙絕緣的老化速率進(jìn)一步加快。油紙絕緣老化的產(chǎn)物主要包括H2、CO、CO2及各種低分子氣態(tài)烴[33]。氣體對油紙絕緣系統(tǒng)的危害也是不容忽視的，因?yàn)闅怏w對于油紙絕緣的破環(huán)作用，除了氧氣會氧化絕緣油外，存在于絕緣油中的氣泡還可以在電場作用下引起局部放電，對變壓器油紙絕緣具有破壞性。

綜上所述，熱應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力對油紙絕緣老化的影響研究相對成熟，影響機(jī)理比較明確，雖有研究表明，電應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力對油紙絕緣老化的影響顯著，但目前尚未形成可量化評估其影響程度的模型。油紙絕緣老化的影響因素眾多，且各因素間相互影響，例如電應(yīng)力不僅會引起電場，還會引起發(fā)熱或電磁振動，老化機(jī)理復(fù)雜。因溫度、水分含量等其他影響因素不同也會發(fā)生不同的反應(yīng)，主要有水解和均裂兩種反應(yīng)[37]。在老化過程中，水解和均裂反應(yīng)同時進(jìn)行，在不同老化階段，占主導(dǎo)作用的反應(yīng)也不相同：老化初期，初始水分含量較少，PMIA分子主要進(jìn)行水解反應(yīng)，水解反應(yīng)會生成CO2和H2O等，水含量的增加又為均裂反應(yīng)創(chuàng)造了條件；老化中期，均裂反應(yīng)持續(xù)加劇而水解反應(yīng)逐漸減緩；老化后期，均裂反應(yīng)成為絕緣老化的主要反應(yīng)。在各老化反應(yīng)的協(xié)同作用下，固體絕緣材料的電氣性能及機(jī)械強(qiáng)度逐漸降低，此外，老化反應(yīng)生成的產(chǎn)物如水分和酸等又會促進(jìn)老化反應(yīng)，加快油紙絕緣整體老化，形成惡性循環(huán)。

2 表征油紙絕緣老化狀態(tài)的特征量

目前，關(guān)于評估變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)的特征參量，根據(jù)監(jiān)測方法不同主要分為在線監(jiān)測特征量和離線監(jiān)測特征量；根據(jù)原理不同主要分為理化特征量和電氣特征量，理化特征量是指油紙絕緣老化過程中系統(tǒng)本身的理化性能參數(shù)及特征產(chǎn)物含量；電氣特征量是指變壓器運(yùn)行時油紙絕緣系統(tǒng)的電氣性能參數(shù)，除了上述兩類主要的特征參量，還有其他的特征參量，具體總結(jié)如圖3所示。

圖3 油紙絕緣老化特征量Fig.3 Characteristic quantity of oil-paper insulation ageing

2.1 理化特征量

目前，用于表征牽引變壓器油紙絕緣老化程度的理化特征量主要有聚合度（DP）[38-39]、抗拉強(qiáng)度（TS）[40]、油中溶解氣體（DGA）[41]。H DJT等[42]提出將TS作為絕緣紙老化程度的衡量指標(biāo)，并將TS下降至初始值的一半作為絕緣紙失效的判據(jù)。但測量絕緣紙的TS時對樣品的處理、測量環(huán)境要求非?？量?，因此實(shí)際中很少使用TS來評估油紙絕緣的老化狀態(tài)。聚合度是目前公認(rèn)的表征絕緣紙老化程度最為可靠的特征參量[46]，但絕緣紙聚合度的測量需要對牽引變壓器進(jìn)行吊芯取樣，不適合服役中牽引變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)的評估。因此，上述特征參量常用于實(shí)驗(yàn)室加速熱老化試驗(yàn)中對油紙絕緣老化機(jī)理、老化狀態(tài)評估方法及剩余壽命預(yù)測方法進(jìn)行理論研究。

目前鐵路局主要使用油中溶解氣體數(shù)據(jù)來評估油紙絕緣的老化狀態(tài)，認(rèn)為CO和CO2源于固體絕緣老化，H2源于絕緣材料受潮，C2H2則反映絕緣的放電故障[43]，這幾種氣體含量變化對牽引變壓器絕緣系統(tǒng)整體的老化狀態(tài)評估有重要的參考價值。但由于牽引變壓器要進(jìn)行定期維修，需對牽引變壓器絕緣油進(jìn)行除雜、祛氣等操作，將在很大程度上改變各特征氣體的含量；同時，除油紙絕緣正常老化會產(chǎn)生CO和CO2外，繞組短時局部過熱也會產(chǎn)生CO和CO2，對油紙絕緣老化程度的判斷具有誤導(dǎo)作用，在使用油中溶解氣體數(shù)據(jù)對油紙絕緣的老化程度進(jìn)行判斷時，仍然存在很大的不準(zhǔn)確性和局限性。

2.2 電氣特征量

油紙絕緣傳統(tǒng)的電氣特征量主要有介質(zhì)損耗因數(shù)、絕緣電阻、吸收比、介電常數(shù)等[44]。隨著測量水平的不斷提升，時、頻域介電響應(yīng)（DR）技術(shù)被廣泛應(yīng)用于變壓器絕緣的狀態(tài)評估，主要包括極化-去極化電流（PDC）法[45-46]、頻域介電譜（FDS）法[47-48]、回復(fù)電壓法（RVM）[49-50]。PDC法因設(shè)備便攜、操作簡單及無損檢測等特點(diǎn)，且攜帶了豐富的絕緣老化信息，被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室測試中[51]。文獻(xiàn)[52]對不同老化程度的油紙絕緣進(jìn)行PDC測試，結(jié)果表明，即使在干擾較強(qiáng)的情況下，PDC法也可以有效辨別油紙絕緣的老化狀態(tài)；文獻(xiàn)[53]基于PDC法測量了不同老化程度油浸絕緣紙的PDC曲線，建立了穩(wěn)態(tài)吸收電荷量與聚合度的關(guān)系。由于FDS測試曲線攜帶的絕緣信息量較為豐富，且抗噪音能力強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)所需電源電壓較低[52,54-55]，F(xiàn)DS法逐漸成為油紙絕緣老化程度、含水率等重要狀態(tài)指標(biāo)的主要評估方法。文獻(xiàn)[56]在時變溫度下測試了油隙、油浸絕緣紙的頻域介電響應(yīng)，得出了時變溫度對油紙絕緣頻域介電響應(yīng)測量結(jié)果的影響規(guī)律；文獻(xiàn)[57]研究了不同老化時間下絕緣紙的FDS特性與其抗拉強(qiáng)度的關(guān)系，結(jié)果表明，低頻段可以表征絕緣紙的老化程度，且介質(zhì)損耗因數(shù)與抗拉強(qiáng)度存在負(fù)指數(shù)關(guān)系。但上述文獻(xiàn)大多是針對電力變壓器油紙絕緣的研究，而針對牽引變壓器油紙絕緣的研究較少。

綜上所述，理化特征量如抗拉強(qiáng)度、聚合度對油紙絕緣老化狀態(tài)的評估結(jié)果比較準(zhǔn)確，但測量環(huán)境及條件要求比較嚴(yán)苛，而且測量時需要對牽引變壓器停電吊芯，不適合服役中的牽引變壓器使用，適用于實(shí)驗(yàn)室通過加速熱老化試驗(yàn)對油紙絕緣老化機(jī)理、老化狀態(tài)評估方法及剩余壽命預(yù)測方法的理論研究；電氣特征量具有在線無損測量的優(yōu)勢，但測量結(jié)果與油紙絕緣老化程度的量化關(guān)系不明確，評估結(jié)果的可靠程度相對較弱，還需進(jìn)一步研究PDC、FDS等與絕緣紙聚合度、抗拉強(qiáng)度、油中溶解氣體含量等指標(biāo)間的關(guān)系，研究如何利用PDC法、FDS法等方法的無損檢測結(jié)果與理化特征量綜合評估油紙絕緣的老化狀態(tài)，結(jié)合牽引變壓器獨(dú)特的運(yùn)行特點(diǎn)，研究針對牽引變壓器油紙絕緣老化狀態(tài)的無損監(jiān)測方法，從而進(jìn)一步提高老化狀態(tài)評估的準(zhǔn)確性。

3 牽引變壓器油紙絕緣的剩余壽命評估方法

變壓器油紙絕緣的壽命評估方法主要包括基于失效機(jī)理模型的方法和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法[58]?；谑C(jī)理模型的方法是指在掌握油紙絕緣系統(tǒng)退化機(jī)理的前提下，考慮油紙絕緣退化失效的主要影響因素，通過建立描述其絕緣性能退化趨勢的機(jī)理模型，預(yù)測其剩余使用壽命的方法；基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法主要是指對反映油紙絕緣系統(tǒng)健康狀態(tài)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，挖掘出與油紙絕緣性能退化相關(guān)的指標(biāo)量并結(jié)合數(shù)學(xué)模型評估油紙絕緣的老化狀態(tài)，預(yù)測其剩余使用壽命的方法。

3.1 基于失效機(jī)理模型的剩余壽命評估方法

針對變壓器絕緣紙聚合度與運(yùn)行時間的動力學(xué)關(guān)系，A EKENSTAM[59]提出了一階動力學(xué)方程并應(yīng)用于均勻纖維素體系的降解，但在之后非均勻纖維素體系的加速熱老化試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，聚合度的降解速率并不是一直不變的，測試結(jié)果與零階動力學(xué)模型不符。在此基礎(chǔ)上，A M EMSLEY[60]提出了新的二階動力學(xué)模型，與零階動力學(xué)模型相比，二階動力學(xué)模型描述的油紙絕緣老化時聚合度降解速率的變化更加符合實(shí)際，得到了較廣泛的應(yīng)用。針對電力變壓器油紙絕緣，文獻(xiàn)[61]基于時溫疊加理論，改進(jìn)傳統(tǒng)的二階動力學(xué)模型，提出了溫度-含水率雙因子影響的油浸紙板壽命評估模型；文獻(xiàn)[62]考慮換油周期對油紙絕緣老化的影響，基于二階動力學(xué)模型提出了不同溫度、不同換油周期下油紙絕緣的壽命評估模型。針對牽引變壓器油紙絕緣，文獻(xiàn)[63]研究了在牽引負(fù)荷影響下繞組熱點(diǎn)溫升引起的絕緣壽命損失，提出了繞組熱點(diǎn)溫升與絕緣壽命損失之間的關(guān)系式；文獻(xiàn)[64]研究了牽引沖擊負(fù)荷對牽引變壓器油紙絕緣老化的影響，發(fā)現(xiàn)牽引負(fù)荷的強(qiáng)度和頻率的提高均會加快油紙絕緣的壽命損失；文獻(xiàn)[65]考慮周期性沖擊對絕緣紙機(jī)械性能的影響，以二階動力學(xué)模型為基礎(chǔ)，提出了一種以聚合度在其沖擊時間段內(nèi)的積分面積作為特征參量的絕緣紙壽命評估模型。但二階動力學(xué)模型中有些參數(shù)需人為設(shè)定，缺乏明確的物理含義，在一定程度上限制了二階動力學(xué)模型的發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，DING H Z等[66]提出了一種新的聚合度損失累積動力學(xué)模型，針對電力變壓器油紙絕緣，文獻(xiàn)[67]將時溫平移因子引入累積動力學(xué)方程，改進(jìn)后的累積動力學(xué)模型可實(shí)現(xiàn)任意溫度、任意初始含水量下油紙絕緣的壽命預(yù)測；文獻(xiàn)[68]基于聚合度損失累積模型，提出了利用FDS的機(jī)械-熱雙因子聯(lián)合作用的絕緣紙剩余壽命預(yù)測模型，將以抗拉強(qiáng)度為壽命判據(jù)的模型可靠性高的特點(diǎn)與以介電特性為壽命判據(jù)的模型簡單易行的特點(diǎn)有機(jī)結(jié)合起來，但累積動力學(xué)模型在牽引變壓器油紙絕緣的壽命評估方面鮮有應(yīng)用。由上述文獻(xiàn)分析可知，針對電力變壓器油紙絕緣的研究已經(jīng)比較成熟，壽命評估模型考慮的影響因素也比較全面，但針對牽引變壓器油紙絕緣的研究較少。牽引變壓器與電力變壓器所使用的絕緣材料不同，電力變壓器多使用以纖維素為主要成分的普通纖維素絕緣紙，動車組牽引變壓器多使用以PMIA短切纖維為主要成分的芳綸絕緣紙，針對絕緣紙不同，只需在加速熱老化試驗(yàn)時使用相對應(yīng)的絕緣紙，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化機(jī)理模型參數(shù)即可。此外，電力變壓器與牽引變壓器最主要的區(qū)別之一是牽引變壓器在運(yùn)行中要承受強(qiáng)烈的振動沖擊且負(fù)載頻繁波動，而電力變壓器油紙絕緣的壽命評估或預(yù)測方法主要適用于負(fù)荷相對穩(wěn)定的情況，若直接用于牽引變壓器會出現(xiàn)實(shí)際情況與評估結(jié)果明顯不一致的現(xiàn)象，無法準(zhǔn)確評估牽引變壓器的壽命情況[69]，因?yàn)樵跔恳龥_擊負(fù)荷下，繞組會產(chǎn)生很大的電動力，繞組溫度的周期性大幅變化也將引起變壓器繞組周期性的熱脹冷縮[63]，這些作用力將加速絕緣繞組的破壞；強(qiáng)烈的振動沖擊也會使絕緣紙與繞組之間、絕緣紙與絕緣紙之間的摩擦加劇，使絕緣紙機(jī)械強(qiáng)度降低。因此，在建立牽引變壓器油紙絕緣的壽命評估模型時如何考慮牽引變壓器獨(dú)特的運(yùn)行特征及負(fù)載特性是牽引變壓器油紙絕緣壽命評估的難點(diǎn)。

基于失效機(jī)理模型的方法是在加速熱老化試驗(yàn)下獲得油浸絕緣紙的退化數(shù)據(jù)，建立油浸絕緣紙退化的機(jī)理模型來預(yù)測油紙絕緣的剩余壽命，對油紙絕緣老化機(jī)理、老化規(guī)律及剩余壽命預(yù)測方法的研究具有重要意義，但在剩余壽命預(yù)測時未能結(jié)合變壓器油紙絕緣在實(shí)際運(yùn)行中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，當(dāng)運(yùn)行環(huán)境與運(yùn)行工況發(fā)生變化時，不能利用實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行實(shí)時更新，預(yù)測結(jié)果難以準(zhǔn)確反映油紙絕緣當(dāng)前的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的剩余壽命評估方法

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的剩余壽命預(yù)測方法不需要明確系統(tǒng)內(nèi)部的失效機(jī)理，且數(shù)據(jù)本身就包含了實(shí)際運(yùn)行中的各種影響因素，近年來受到了廣大學(xué)者的關(guān)注，其主要分為統(tǒng)計學(xué)方法與機(jī)器學(xué)習(xí)方法兩類[70-71]。

統(tǒng)計學(xué)方法利用統(tǒng)計模型或隨機(jī)過程模型對設(shè)備性能的退化過程進(jìn)行描述，當(dāng)退化量超過部件或系統(tǒng)的失效閾值時表示部件或系統(tǒng)失效，常用的模型有維納模型、伽瑪模型、逆高斯模型、馬氏鏈模型等[73]。張明澤等[74]基于線性Wiener過程，將貝葉斯方法和最大期望算法相結(jié)合動態(tài)更新模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了變壓器油紙絕緣的剩余壽命預(yù)測。該方法需要選取比較理想的退化模型作為假設(shè)條件，在量化剩余壽命預(yù)測結(jié)果的不確定性上具有天然優(yōu)勢，且所需數(shù)據(jù)的樣本量較小。但由于牽引變壓器油紙絕緣完整的退化數(shù)據(jù)獲取困難，此方法目前在牽引變壓器油紙絕緣的剩余壽命預(yù)測方面幾乎沒有應(yīng)用。

機(jī)器學(xué)習(xí)的方法無需建立油紙絕緣系統(tǒng)具體的退化模型，主要通過對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)潛在的信息進(jìn)行提取和訓(xùn)練，模擬出油紙絕緣退化過程的規(guī)律，進(jìn)而預(yù)測其剩余使用壽命，主要包含神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色模型、貝葉斯算法[72]等。文獻(xiàn)[75]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了油中CO、CO2、糠醛含量和運(yùn)行年限間的關(guān)系模型來預(yù)測絕緣紙的老化程度及剩余壽命范圍；文獻(xiàn)[76]構(gòu)建了廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，將表征絕緣紙老化的特征參量及相關(guān)時間參量作為輸入，實(shí)現(xiàn)了油紙絕緣的剩余壽命預(yù)測，但未考慮環(huán)境因素及負(fù)荷波動對變壓器壽命的影響；文獻(xiàn)[77]考慮了變壓器運(yùn)行環(huán)境與負(fù)荷因素，通過混沌序列優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了多參數(shù)關(guān)聯(lián)的變壓器壽命預(yù)測模型；文獻(xiàn)[78]利用主成分分析法將表征絕緣紙老化的多特征量進(jìn)行融合，基于鯨魚優(yōu)化算法和長短期記憶網(wǎng)絡(luò)模型對油紙絕緣的剩余壽命進(jìn)行了預(yù)測，該法結(jié)合了表征油紙絕緣老化狀態(tài)的多個特征量，提高了預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。上述文獻(xiàn)都是針對電力變壓器油紙絕緣剩余使用壽命的研究，針對牽引變壓器油紙絕緣剩余壽命的研究很少。這是由于牽引變壓器的運(yùn)行環(huán)境及運(yùn)行工況復(fù)雜，且長期處于動態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，使得牽引變壓器油紙絕緣的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取困難，且監(jiān)測數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)緊密，提取能夠表征其老化狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息更加困難。機(jī)器學(xué)習(xí)的方法所需的數(shù)據(jù)樣本量很大，使其在牽引變壓器油紙絕緣的剩余使用壽命預(yù)測方面受到了一定的限制。由此可見，牽引變壓器油紙絕緣的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)難以監(jiān)測是導(dǎo)致基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的剩余壽命預(yù)測方法難以在牽引變壓器油紙絕緣剩余壽命預(yù)測方面無法推廣的關(guān)鍵原因。而基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的剩余壽命評估方法具有良好的通用性，若能解決牽引變壓器油紙絕緣運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)監(jiān)測問題，那么該方法具有很好的借鑒性。

綜上所述，基于失效機(jī)理模型的方法預(yù)測結(jié)果比較準(zhǔn)確，但由于牽引變壓器油紙絕緣老化的影響因素眾多，失效機(jī)理不明確等原因，建立準(zhǔn)確的機(jī)理模型比較困難，且未能結(jié)合變壓器油紙絕緣在實(shí)際運(yùn)行中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，預(yù)測結(jié)果難以反映油紙絕緣當(dāng)前的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動的方法不需要明確部件及系統(tǒng)內(nèi)部的失效機(jī)理，其中統(tǒng)計學(xué)方法需要選取相對理想的退化模型作為假設(shè)條件，成功應(yīng)用的前提是獲得油紙絕緣完整的退化數(shù)據(jù)，與機(jī)器學(xué)習(xí)的方法相比，該方法對數(shù)據(jù)量的需求相對較小，且對于量化剩余壽命預(yù)測結(jié)果的不確定性具有天然優(yōu)勢；機(jī)器學(xué)習(xí)的方法雖不需要建立具體的退化模型，但只能得到確定的剩余壽命預(yù)測值，無法得到可以量化剩余壽命預(yù)測結(jié)果的概率分布，對數(shù)據(jù)樣本量的需求很大，且牽引變壓器油紙絕緣的監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取較為困難。因此，如何解決牽引變壓器油紙絕緣運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)監(jiān)測問題是面臨的關(guān)鍵問題。

4 結(jié)束語

牽引變壓器油紙絕緣長期處于散熱不良、振動沖擊、過負(fù)載及各種化學(xué)雜質(zhì)存在的特殊環(huán)境中，運(yùn)行工況復(fù)雜多變，服役條件更加惡劣，使得油紙絕緣老化的影響因素眾多，老化機(jī)理復(fù)雜，表征其老化程度的特征參量也不統(tǒng)一。本文分析了牽引變壓器油紙絕緣老化的影響因素及評估油紙絕緣老化狀態(tài)的各種特征參量，總結(jié)了油紙絕緣各種剩余壽命預(yù)測方法的特點(diǎn)及適用條件。然而，在牽引變壓器油紙絕緣老化機(jī)理與壽命預(yù)測方法方面仍存在很多需要深入探索的問題：

（1）表征油紙絕緣老化程度的特征參量較多，每種老化指標(biāo)表征老化程度的側(cè)重點(diǎn)不同且各有利弊。如何挖掘各指標(biāo)間的內(nèi)在聯(lián)系，將具有無損測量優(yōu)勢的電氣特征量（如FDS和PDC）與表征老化程度可靠但測量困難的理化特征量（如TS和DP）有機(jī)結(jié)合起來，得到電氣特征量與理化特征量之間的量化關(guān)系，通過無損測量電氣特征量從而間接測量理化特征量，更加準(zhǔn)確地評估油紙絕緣的老化狀態(tài)，是值得深入研究的問題。

（2）網(wǎng)壓波動、激磁涌流、高次諧波等是牽引變壓器獨(dú)特的運(yùn)行特征，不僅會引起熱應(yīng)力，使?fàn)恳儔浩饔图埥^緣溫度升高，也會引起電應(yīng)力加速油紙絕緣老化，因其協(xié)同作用，單獨(dú)量化其對油紙絕緣老化的影響程度不現(xiàn)實(shí)，因此，有必要揭示網(wǎng)壓波動、激磁涌流等協(xié)同作用下油紙絕緣的失效機(jī)理，研究如何將其轉(zhuǎn)化為同等程度下熱應(yīng)力或電應(yīng)力的影響來考慮其對油紙絕緣老化的影響程度。

（3）基于老化機(jī)理的牽引變壓器油紙絕緣壽命預(yù)測大多是基于加速熱老化試驗(yàn)，考慮電-熱或電-熱-牽引負(fù)荷對油紙絕緣老化的影響建立的壽命預(yù)測模型，未能結(jié)合變壓器油紙絕緣在實(shí)際運(yùn)行中的監(jiān)測數(shù)據(jù)。當(dāng)運(yùn)行環(huán)境與運(yùn)行工況發(fā)生變化時，不能利用監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行更新，預(yù)測結(jié)果難以反映油紙絕緣當(dāng)前的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。因此，研究如何將實(shí)際運(yùn)行中牽引變壓器油紙絕緣的監(jiān)測數(shù)據(jù)和機(jī)理模型結(jié)合起來，建立數(shù)模聯(lián)動的牽引變壓器油紙絕緣的壽命預(yù)測模型，對提升壽命預(yù)測結(jié)果反映油紙絕緣實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的能力至關(guān)重要。

（4）基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的壽命預(yù)測采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)大多是基于油中溶解氣體數(shù)據(jù)，壽命預(yù)測所依據(jù)的數(shù)據(jù)信息單一，導(dǎo)致數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法在牽引變壓器油紙絕緣剩余壽命評估方面難以推廣應(yīng)用。實(shí)際運(yùn)行工況下的監(jiān)測數(shù)據(jù)本身就包含了實(shí)際運(yùn)行中的各種影響因素，如何提高數(shù)據(jù)的獲取能力，提高數(shù)據(jù)信息的關(guān)聯(lián)性及完整性是當(dāng)前面臨的主要問題。此外，研究表征油紙絕緣老化程度各指標(biāo)之間的內(nèi)在聯(lián)系，基于Coupla函數(shù)建立基于多指標(biāo)的隨機(jī)退化模型，為進(jìn)一步提高油紙絕緣剩余使用壽命預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性提供了新的思路。