大型電機(jī)定子線棒主絕緣老化性能的介電響應(yīng)研究現(xiàn)狀

付 強(qiáng)，單志鐸，陳慶國(guó)

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大型電機(jī)定子線棒主絕緣老化性能的介電響應(yīng)研究現(xiàn)狀

付 強(qiáng)1,2，單志鐸3，陳慶國(guó)3

（1. 水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱大電機(jī)研究所)，哈爾濱 150040；2. 國(guó)家水力發(fā)電設(shè)備工程技術(shù)研究中心，哈爾濱 150040；3. 電介質(zhì)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地(哈爾濱理工大學(xué))，哈爾濱 150080）

介電響應(yīng)法（Dielectric Response Method，DRM）是一種近年蓬勃發(fā)展的絕緣體系無損檢測(cè)技術(shù)，對(duì)確定發(fā)電設(shè)備絕緣體系老化狀態(tài)具有十分重要的作用。目前利用極化/去極化電流法（PDC）、頻域譜（FDS）、熱刺激去極化電流（TSDC）等介電響應(yīng)法研究電機(jī)絕緣老化狀態(tài)已經(jīng)成為熱點(diǎn)方向。國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用介電響應(yīng)法研究絕緣老化狀態(tài)取得了較好的成果，為建立絕緣老化狀態(tài)的介電響應(yīng)無損檢測(cè)方法、指導(dǎo)電力系統(tǒng)機(jī)組評(píng)估診斷絕緣老化狀態(tài)奠定了理論基礎(chǔ)。為提高我國(guó)制造業(yè)創(chuàng)新能力，掌握無損檢測(cè)大型電機(jī)定子絕緣缺陷關(guān)鍵技術(shù)，國(guó)內(nèi)需要在此方面深入開展研究工作。

發(fā)電機(jī)；絕緣老化狀態(tài)；介電響應(yīng)法；極化/去極化電流法；頻域譜；熱刺激去極化電流

0 前言

大型發(fā)電機(jī)組是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，其安全可靠對(duì)于經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展至關(guān)重要。發(fā)電機(jī)的嚴(yán)重事故不但會(huì)導(dǎo)致自身的損壞，還會(huì)中斷電力供應(yīng)，給社會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失?，F(xiàn)階段我國(guó)許多大型電機(jī)由于運(yùn)行了二、三十年以上的時(shí)間，絕緣老化問題日趨嚴(yán)重，容易出現(xiàn)停機(jī)事故，是威脅電網(wǎng)安全的重大隱患。瑞士豐羅公司Brutsch R[1]在其文章中提到，在水輪發(fā)電機(jī)69起事故中約56%的事故都是由絕緣老化引起的。因此研究確定大型機(jī)組定子線棒絕緣老化狀態(tài)是十分重要的，可以提前了解絕緣老化狀態(tài)，做好預(yù)防措施，避免突發(fā)事故出現(xiàn)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

擊穿電壓特征參量是衡量電力設(shè)備絕緣性能優(yōu)劣唯一可靠的標(biāo)準(zhǔn)，但由于擊穿電壓是破壞性參量，不能用來衡量運(yùn)行中的設(shè)備絕緣狀態(tài)。其它傳統(tǒng)的電氣測(cè)量方法，如局部放電、泄漏電流、工頻下的介質(zhì)損耗、持續(xù)10min的絕緣電阻，提供的絕緣信息單一，并且測(cè)量結(jié)果容易受到外界因素的干擾，只能作為絕緣狀態(tài)評(píng)估的參考指標(biāo)[2]。實(shí)際上絕緣老化過程中，介電響應(yīng)參數(shù)會(huì)在某個(gè)特定的頻率范圍變化[3, 4]，可為深入研究絕緣老化狀態(tài)提供豐富的信息。因此，介電響應(yīng)法近幾年逐漸成為電機(jī)絕緣無損診斷的有效方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者[5-10]相繼開展了這方面的研究工作。隨著絕緣材料逐漸老化，介電性能在特定頻域或時(shí)域會(huì)發(fā)生改變，測(cè)量擴(kuò)展到較寬的頻率域或時(shí)域內(nèi)，可以得到更多的信息去判斷機(jī)組絕緣系統(tǒng)的實(shí)際狀況[11, 12]。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)分析

1.1 FDS法分析定子線圈/線棒絕緣狀態(tài)

劉驥[13]研究結(jié)果表明，可以通過改變交流測(cè)試激勵(lì)頻率測(cè)得復(fù)電容實(shí)部、虛部等曲線的不同頻率區(qū)間包含絕緣的電導(dǎo)率、極化損耗等信息，確定了各段與絕緣系統(tǒng)狀態(tài)的關(guān)系，但是文章中沒有深入研究不同運(yùn)行年限電機(jī)絕緣的老化狀態(tài)與介電響應(yīng)參數(shù)的關(guān)系。劉驥等[6]采用頻域介電譜（Frequency Domain Dielectric Spectroscopy，F(xiàn)DS）研究了電機(jī)線棒環(huán)氧/云母絕緣固化工藝條件對(duì)大型發(fā)電機(jī)絕緣質(zhì)量影響的機(jī)理。瑞典的N. Taylor 與 H. Edin[5]利用頻域介電譜研究線棒端部非線性防暈層的介電參數(shù)，建立了四種一維分布數(shù)據(jù)模型，但是這四種模型都不盡人意，需要進(jìn)一步進(jìn)行完善。YIN Xiaobing等[14]研究了濕度對(duì)電機(jī)環(huán)氧云母絕緣FDS試驗(yàn)的影響，結(jié)果表明界面極化弛豫時(shí)間常數(shù)1與濕度呈線性指數(shù)關(guān)系，這種關(guān)系可以評(píng)估濕度對(duì)FDS檢測(cè)結(jié)果的影響。斯里蘭卡Fernando M等[15]利用FDS分別對(duì)運(yùn)行幾十年的瀝青絕緣體系和環(huán)氧粉云母絕緣體系的定子線棒進(jìn)行無損檢測(cè)，利用Davidson-Cole模型擬合不同老化時(shí)間FDS參數(shù)，但是沒有建立其間的相關(guān)性。法國(guó)E. Obame等[16]制作了帶有人工缺陷的7種電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)線圈，發(fā)現(xiàn)1kHz時(shí)各種線圈的電容值均具有各自的數(shù)值，可以作為可靠的鑒別缺陷類別的標(biāo)準(zhǔn)。

哈爾濱大電機(jī)研究所聯(lián)合哈爾濱理工大學(xué)首次利用頻域介電譜研究大型電機(jī)定子線棒絕緣耐鹽霧濕熱老化性能[9]，如圖1所示利用掃描電鏡觀測(cè)了老化前后試樣微觀結(jié)構(gòu)變化；圖2和圖3是不同老化周期絕緣材料的頻域介電譜的特征量的變化。文獻(xiàn)[9]利用頻域介電譜從微觀角度分析了絕緣材料老化的狀態(tài)。顯然這只是初步分析了大型電機(jī)定子線棒絕緣耐鹽霧濕熱老化狀態(tài)的介電響應(yīng)變化，沒有進(jìn)一步分析電老化時(shí)絕緣材料的介電響應(yīng)變化，但是這項(xiàng)研究工作開辟了國(guó)內(nèi)應(yīng)用介電響應(yīng)法分析大型機(jī)組定子線棒絕緣狀態(tài)的先例。另外，介電響應(yīng)法在檢測(cè)定子線棒絕緣制造缺陷方面[6, 17]，例如檢測(cè)絕緣未完全固化的缺陷，已經(jīng)成為很有效果的方法，預(yù)計(jì)今后能常規(guī)應(yīng)用于監(jiān)測(cè)線棒絕緣制造工藝方面。

陳慶國(guó)、付強(qiáng)等[18]利用FDS方法初步研究了電老化對(duì)電機(jī)VPI（Vacuum Pressure Impregnating，真空壓力浸漬）絕緣體系的介電性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明電老化使VPI絕緣材料介電性能下降，其中環(huán)氧膠所受影響最為明顯，粘接性能下降，在絕緣結(jié)構(gòu)中形成更多介質(zhì)分界面，同時(shí)使絕緣材料中極性分子活性增強(qiáng)，加劇了界面極化與轉(zhuǎn)向極化，使介損及介電常數(shù)隨電老化時(shí)間延長(zhǎng)而增大。但是多膠模壓絕緣體系與VPI少膠絕緣體系材料有區(qū)別，多膠絕緣材料老化對(duì)絕緣體系的介電性能影響需要進(jìn)行深入研究。何景彥[8]利用介電譜評(píng)估了變頻牽引電機(jī)匝間聚酰亞胺絕緣老化特征。德國(guó)Farahani M等[19]利用小型電機(jī)（U=10kV）的VPI絕緣線棒進(jìn)行介電響應(yīng)法分析絕緣老化狀態(tài)，研究結(jié)果表明介損信號(hào)的差別可以作為診斷電機(jī)絕緣吸潮和老化的一個(gè)重要依據(jù)。張征平、吳廣寧與王兵等[20-22]對(duì)大型發(fā)電機(jī)20 kV定子線棒絕緣進(jìn)行頻域介電譜研究，分析了溫度和水分對(duì)介損、復(fù)介電常數(shù)及復(fù)電容的影響。張征平等[23]研究了溫度對(duì)發(fā)電機(jī)環(huán)氧云母絕緣頻域介電譜特性的影響，結(jié)果表明應(yīng)用介電響應(yīng)法評(píng)估環(huán)氧云母絕緣老化狀態(tài)時(shí)，必須考慮溫度的影響。

圖1 鹽霧濕熱老化45天前后的絕緣微觀結(jié)構(gòu)變化

圖2 不同老化時(shí)間下多膠模壓絕緣材料的介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ

圖3 不同老化時(shí)間下多膠模壓絕緣材料的電導(dǎo)率σv

1.2 PDC法分析定子線圈/線棒絕緣狀態(tài)

加拿大Lamarre L等學(xué)者[24]于2006年在利用極化/去極化電流法（Polarization and Depolarization Current，PDC）測(cè)試13.8kV定子線棒環(huán)氧云母絕緣性能時(shí)，發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果與IEEE（IEEE Std 43-2000）標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的絕緣電阻修正系數(shù)有偏差，提出了更正修正系數(shù)的建議。奧地利Sumereder C.等[25]研究?jī)煞N絕緣體系(多膠絕緣體系和VPI絕緣體系)的PDC性能，發(fā)現(xiàn)兩種絕緣體系的去極化電流有區(qū)別，因此每種絕緣體系應(yīng)該分開評(píng)估。加拿大David E等[4]在小型交流電機(jī)定子線圈加速電熱老化試驗(yàn)中，使用了介電響應(yīng)測(cè)試技術(shù)分析老化線圈和未老化線圈的絕緣狀態(tài)。

加拿大Stone G C等[26]研究表明PDC除了檢測(cè)臟污和吸潮的絕緣問題外，還能檢測(cè)防暈層問題，但是還需要更多試驗(yàn)去驗(yàn)證PDC的作用。加拿大David E.等[27]利用PDC評(píng)估帶有防暈層的環(huán)氧云母絕緣體系的質(zhì)量，研究表明防暈層對(duì)低電壓（1～5kV）的電流影響較大。伊朗Mahdi Shadmand等[28]研究了多膠模壓和少膠VPI兩種絕緣體系的PDC曲線，研究結(jié)果表明VPI絕緣體系有較好的PDC性能。在利用PDC法診斷高壓電動(dòng)機(jī)繞組絕緣缺陷時(shí)，新西蘭Bhumiwat S A[29]發(fā)現(xiàn)VPI電動(dòng)機(jī)定子繞組絕緣性能失效越快，極化電流與去極化電流譜圖分離的越早，因此Bhumiwat S.A.認(rèn)為根據(jù)在線無損介電響應(yīng)技術(shù)（時(shí)域介電譜、頻域介電譜）能及早檢測(cè)出絕緣缺陷信息。隨后Bhumiwat S A[30]利用介電響應(yīng)法分別分析了小型電動(dòng)機(jī)在幾種繞組狀態(tài)下（新絕緣狀態(tài)、潮濕狀態(tài)、熱老化狀態(tài)、導(dǎo)電性污染物等）絕緣的PDC譜圖的變化。PDC檢測(cè)結(jié)果不但能反映絕緣材料極化和電導(dǎo)引起的問題，而且還能區(qū)分特殊的狀況如熱老化或?qū)щ娦晕廴疚镆鸬膯栴}。但是Bhumiwat S A.沒有進(jìn)一步擴(kuò)展研究定子絕緣老化過程與介電響應(yīng)的關(guān)聯(lián)性。David E等[31]研究表明端部繞組表面臟污（如端部繞組表面有導(dǎo)電雜質(zhì)或吸潮）會(huì)引起絕緣吸收比及極化指數(shù)降低，但是對(duì)PDC的介電參數(shù)影響不大，而PDC檢測(cè)結(jié)果可以評(píng)估主絕緣的固化不完全、老化等弊病對(duì)絕緣狀態(tài)的影響。

1.3 TSDC法分析定子線圈/線棒絕緣狀態(tài)

TSDC（Thermally Stimulated Depolarization Current，TSDC）法是研究絕緣材料內(nèi)部陷阱參數(shù)、偶極子松弛等絕緣微觀特性的重要手段。1987年王力衡等[32]為了檢測(cè)云母紙性能，首次利用TSDC方法研究了云母紙的荷電粒子特性。張豪[33]檢測(cè)了納米復(fù)合絕緣材料TSDC譜圖，分析了不同納米含量的絕緣材料的陷阱能級(jí)、陷阱密度、陷阱深度等微觀特性。李聰[10]利用TSDC法檢測(cè)復(fù)合絕緣材料老化過程中的陷阱密度及陷阱能級(jí)的變化，開辟了診斷及評(píng)價(jià)復(fù)合絕緣子老化程度的新方向。法國(guó)Castellon J等[34]在小型交流電機(jī)定子繞組熱老化（150℃/219h）、電熱老化（150℃/500V/23h）試驗(yàn)后，利用TSDC法檢測(cè)絕緣中空間電荷、陷阱能級(jí)，為進(jìn)一步研究交流電機(jī)定子絕緣使用壽命奠定了基礎(chǔ)。

瑞士Zaengl W S[35]研究指出單一頻域或時(shí)域分析都不能獲得全面的絕緣介電特征，介電譜分析的關(guān)鍵在于得到介電響應(yīng)函數(shù)的表達(dá)式，才可以獲得絕緣的真實(shí)狀況。新西蘭Bhumiwat S A[36]將極化去極化電流、介質(zhì)損耗因數(shù)、電容比（所有頻率的電容值與50Hz電容值的比）三種介電相應(yīng)方法結(jié)合在一起，初步探討分析了絕緣熱劣化、絕緣磨損等問題，但是對(duì)于絕緣老化問題沒有進(jìn)行深入研究。王兵[37]將傳統(tǒng)老化特征電參量（絕緣電阻、吸收比、介質(zhì)損耗測(cè)試、局部放電試驗(yàn)）與介電譜特性關(guān)聯(lián)，開展汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒主絕緣老化程度研究工作，但是在Debye模型參數(shù)變化對(duì)頻域譜參數(shù)的影響方面沒有進(jìn)一步研究。

2 發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用前景

定子繞組使用壽命受到電老化、熱老化、機(jī)械振動(dòng)、環(huán)境等因素影響，其中電老化是主要的因素，這幾項(xiàng)因素都考慮將是十分復(fù)雜的科研項(xiàng)目。因此針對(duì)上述應(yīng)用介電響應(yīng)技術(shù)評(píng)估電機(jī)絕緣狀態(tài)中存在尚未解決的問題及有待進(jìn)一步深入研究的問題。哈電將在近年來研究工作的基礎(chǔ)上，綜合利用多種介電響應(yīng)測(cè)量技術(shù)深入開展基礎(chǔ)研究工作，對(duì)電機(jī)絕緣老化狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，力爭(zhēng)從根本上解決老化過程中介電響應(yīng)特征參量與老化狀態(tài)的關(guān)系及介電響應(yīng)特征參量與線棒絕緣剩余壽命定量關(guān)系的問題。

無論是發(fā)電設(shè)備制造企業(yè)還是發(fā)電企業(yè)，都亟待高效的無損介電響應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用。對(duì)于該技術(shù)的研究，不僅需要有一定的電氣測(cè)試、電介質(zhì)理論知識(shí)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及性能分析的基礎(chǔ)知識(shí)，更為重要的是要求有扎實(shí)的處理大型電機(jī)故障的基礎(chǔ)知識(shí)，具有一定的挑戰(zhàn)性。目前介電響應(yīng)分析技術(shù)距實(shí)際應(yīng)用的距離還很遠(yuǎn)，亟待有效地利用電介質(zhì)理論、電氣測(cè)試?yán)碚摗?fù)合材料結(jié)構(gòu)分析理論，開發(fā)可用于診斷大型電機(jī)定子絕緣老化狀態(tài)的介電響應(yīng)技術(shù)，并對(duì)絕緣材料老化狀態(tài)進(jìn)行量化的研究。這不僅有利于分析定子線棒絕緣制作質(zhì)量，為更有效地分析絕緣老化狀態(tài)提供必要的理論指導(dǎo)，同時(shí)也為解決介電響應(yīng)無損檢測(cè)分析絕緣老化狀態(tài)的關(guān)鍵科學(xué)問題作出貢獻(xiàn)，提高我國(guó)制造業(yè)創(chuàng)新能力，為我國(guó)掌握無損檢測(cè)大型電機(jī)定子絕緣缺陷關(guān)鍵核心技術(shù)奠定基礎(chǔ)，力爭(zhēng)在此方面的研究工作走在世界前列。

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Dielectric Response Research Status on Ageing Characteristics of Larger Electric Machinery Stator Bar Main Insulation

U Qiang1,2, SHAN Zhiduo3, CHEN Qingguo3

(1. State Key Laboratory of Hydropower Equipment(HILEM), Harbin 150040, China; National Engineering Research Center of Hydropower Equipment, Harbin 150040, China; 3. State Key Laboratory Breeding Base of Dielectrics Engineering(Harbin University of Science and Technology), Harbin 150040, China)

Dielectric response method (DRM) is a kind of nondestructively detect technology of insulation system, which is in the process of vigorous development recently. DRM is very important to determine the aging state of generating equipment insulation system. At present, the polarization / depolarization current method (PDC), frequency spectrum (FDS) and thermally stimulated depolarization current (TSDC) has become a hot direction to research electric machinery insulation. Scholars at home and abroad has achieved good achievements by using DRM of insulation ageing state, which lays a theoretical foundation for the establishment of insulation ageing state by dielectric response nondestructive testing methods, for guidance of evaluation and diagnosis insulation ageing state of electric power unit. In order to improve the innovation ability of the Chinese manufacturing industry and master the key technology of the stator insulation defect of the large electric machinery, the research works in this field should be carried out in the Chinese.

generator; insulation aging state; dielectric response method (DRM); polarization / depolarization current method (PDC); frequency spectrum (FDS); thermally stimulated depolarization current (TSDC)

TM303.4

A

1000-3983(2018)01-0010-05

2017-07-22

付強(qiáng)（1968-），2008年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，博士，主要從事電機(jī)絕緣技術(shù)、絕緣檢測(cè)和防電暈技術(shù)方面的研究工作，教授級(jí)高工，碩導(dǎo)。

水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目（820-03-1705）