大型汽轮发电机定子线圈F级绝缘寿命预测方法的研究

史进渊

（上海发电设备成套设计研究院，上海200240）

绝缘技术是发电机制造的关键技术之一，而发电机的线圈绝缘部分占发电机制造总价的25%以上，有人把线圈绝缘比做发电机的心脏，其实并不过分［1］．根据全国汽轮发电机事故资料统计，在1975—1985年间，共有470台容量为6MW以上的汽轮发电机发生过事故，其中定子线圈绝缘事故占33%；在1983—1992年间，有14台国产200MW汽轮发电机先后共发生19次定子线圈短路事故［2］．定子线圈绝缘事故处于汽轮发电机事故的第1位，说明定子线圈绝缘是汽轮发电机寿命与可靠性的薄弱环节．1994年11月29日，某电厂2号300MW汽轮发电机发生定子线圈绝缘烧损事故，更换了24根定子线圈［3］，修复工作直至1995年1月25日结束，停机1 372h．修复投运后不久，在1995年2月22日再次发生定子线圈绝缘烧损事故，在这次检修过程中更换了全部定子线圈［3］，修复工作直至1995年9月8日才结束，第二次绝缘事故停机4 758h．2次发电机定子线圈事故共更换了78根定子绕组，停机约255天，经济损失巨大．文献［2］、文献［4］和文献［5］给出了汽轮发电机定子线圈绝缘的定期预防性试验及检测与诊断技术，但尚未给出定量计算汽轮发电机定子线圈绝缘寿命的预测方法．从20世纪90年代起，国内外电站用户要求汽轮发电机使用寿命为40年，而汽轮发电机使用寿命又与绝缘老化寿命有关［6］．通常，大型汽轮发电机定子线圈的绝缘设计将F级绝缘当做B级绝缘使用，因此在设计时控制汽轮发电机绝缘的最热点温度比B级绝缘允许的130℃还低10K［6］．在大型汽轮发电机设计、制造和使用阶段，对定子线圈进行绝缘设计、绝缘老化试验和绝缘运行寿命管理时，迫切需要具有工程实用价值的汽轮发电机定子线圈绝缘寿命的预测技术［7］．

目前，国内外有关汽轮发电机定子线圈绝缘寿命定量预测方法的报道尚较少．文献［8］中介绍了发电机定子线圈局部放电的在线诊断技术；文献［9］刊登了2004年IEEE国际电气绝缘研讨会的相关内容；文献［10］阐述了美国Stone等人通过在线监测诊断来预测定子绕组剩余寿命的方法．另外，Mandal等［11］提出了发电机绕组绝缘健康评估方法；张百华等［12］对基于运行历史的大电机主绝缘的老化特性进行了研究；李锐华等［13－14］开展了基于最小二乘神经网络的大电机定子绝缘击穿电压混合预测方法的研究．笔者在研究和分析大型发电机绝缘老化寿命试验方法和有关标准的基础上，归纳总结出一些可供工程技术人员使用的大型汽轮发电机定子线圈绝缘寿命预测的简化方法．

1 定子线圈F级绝缘的老化因子

由文献［4］、文献［15］和文献［16］可知，大型汽轮发电机定子线圈F级绝缘的老化因子有：电老化、热老化、冷热循环老化、振动与冲击引起的机械老化以及潮湿及污秽引起的环境老化等．

（1）电老化是指在电场的长期作用下定子线圈绝缘发生的老化．电老化会导致汽轮发电机定子线圈绝缘的局部放电、漏电及电腐蚀等．电老化包括：局部放电效应，电痕化效应，树枝化效应，电解效应，表面效应，切向电场强度效应，温度升高效应及空间电荷效应等［16］．

（2）热老化是指在热的长期作用下定子线圈绝缘发生的老化．热老化会导致汽轮发电机定子线圈绝缘的起层、龟裂、挥发和裂解等．热老化是作为化学降解反应、聚合、解聚与扩散等的结果而进行的化学和物理变化［16］．

（3）冷热循环老化是指因汽轮发电机的启动与停机以及调峰运行的负荷周期性变化引起的定子线圈内温度的快速变化，产生热应力循环导致机械老化，由于绝缘与铜线、铁芯的热膨胀系数的差异，绝缘与铜线之间的黏合遭到破坏．冷热循环老化会导致汽轮发电机定子线圈绝缘内部层间产生撕裂和疲劳等．冷热循环老化包括热膨胀和冷收缩引起的热和机械联合作用等．日立公司对发电机定子线圈和转子线圈进行线圈温度从45～130℃的1万次冷热循环试验后得出，绝缘击穿电压仅降低4%～10%，表明冷热循环引起的发电机定子线圈绝缘的寿命损耗比较小；美国西屋公司也进行了定子线圈与转子线圈绝缘的冷热循环试验，认为由于水内冷定子线圈的温度较低，所以没有必要进行冷热循环试验［6］．

（4）机械老化是指定子线圈绝缘在运行过程中受到机械应力的作用而发生的老化．机械老化将导致定子线圈绝缘的疲劳、裂纹、散驰和磨损等．机械老化包括：振动与冲击循环应力引起的定子线圈绝缘的疲劳失效；大的机械应力引起的绝缘破裂；转子与定子相对运动引起的绝缘磨损；在电、热和机械应力联合作用下定子线圈绝缘的蠕变或塑性变形等［16］．通常通过设计计算使发电机机座和定子铁芯的固有频率避开90～110Hz，并使定子线圈端部的固有频率避开90～110Hz，以防止定子线圈振动引起的绝缘机械老化．采用全绑扎结构使定子线圈端部与支架构成整体，并通过加固定子线圈端部，以防止运行中产生振动、松动与磨损．对于发电机出线或定子线圈相间短路、错相合闸、冲击过电压、失磁、失步以及超速等事故产生的机械冲击老化，通常采用的有效措施就是积极预防事故发生并尽可能减少事故发生的次数．

（5）环境老化是指在水分、化学尘埃和表面沉积污垢等环境条件下引起的定子线圈绝缘老化．环境老化会导致定子线圈绝缘的表面污染、吸潮和侵蚀等．环境老化包括在热老化中提及的化学反应过程［16］．对于潮湿和污秽引起的环境老化，可通过控制冷却气体的含水量或净化冷却气体加以预防．

由于对大型汽轮发电机定子线圈采用了一定的冷却方式，在引起定子线圈F级绝缘老化的5种老化因子中，电老化与机械老化为主要老化因子，而热老化、冷热循环老化及环境老化为次要老化因子．

2 F级绝缘老化的加速寿命试验

当定子线圈绝缘老化由一个老化因子起主要作用时，称为单因子老化，由一个以上老化因子共同作用时，称为多因子老化．老化因子的数值高于正常运行条件所产生的结果称为加速老化．由于大型汽轮发电机定子线圈的绝缘寿命长达30～40年，采用工作电压和工作温度等参数对其进行绝缘老化寿命试验，得出定子线圈F级绝缘老化的寿命数据需要花费很长的试验时间．在工程上，为了缩短定子线圈绝缘老化的试验时间，通常采用提高试验电压和试验温度等参数的加速老化方法对汽轮发电机定子线圈进行绝缘老化的加速寿命试验．汽轮发电机定子线圈F级绝缘老化的加速寿命试验分为单因子老化试验和多因子老化试验．

2．1 单因子老化试验

在实际运行中，汽轮发电机定子线圈的F级绝缘老化均为多因子老化作用的结果．当某一老化因子起主要作用时，可对该老化因子进行绝缘老化的加速寿命试验．关于绝缘电老化、热老化或机械老化的单因子老化加速寿命试验，已在国家标准和国际标准中给出了试验方法和试验数据的分析方法［16］，美国IEEE也给出了发电机成型定子线圈绝缘冷热循环试验的推荐标准［17］．但是，有关定子线圈环境老化的试验方法与对环境老化试验数据的分析，国内外尚未制订出技术标准［16］．

热老化是核电站电气贯穿件芯棒绝缘老化的主要老化因子，文献［18］给出了电气贯穿件芯棒绝缘热老化的试验方法与试验结果．电老化是汽轮发电机定子线圈绝缘老化的主要老化因子，美国IEEE给出了成型定子线圈绝缘电老化试验的推荐标准［19－20］，国内行业标准给出了定子线圈绝缘电老化寿命的评定方法［21］．

2．2 多因子老化试验

有关汽轮发电机定子线圈F级绝缘多因子老化的试验方法与试验数据的分析方法，尚缺少技术标准［16］．文献［15］给出了一种汽轮发电机定子线圈绝缘多因子老化的试验方法，文中考虑了电老化、热老化、冷热循环老化和振动机械老化．发电机定子线圈绝缘的电老化与热老化试验同时进行，试验的热老化温度取135℃，电老化试验中所加电压为额定电压的2．5倍．在进行冷热循环老化试验时，将试验线棒放在烘箱中并在40min内将其升温至135℃，然后采用多台风扇在40min内将试验线棒冷却至室温．在振动机械老化试验中，振动频率为100Hz，双振幅值为2mm．绝缘老化周期包括3步：先同时进行电老化与热老化2周，再取出试验线棒进行冷热循环老化70次，然后进行振动机械老化6d．3种老化试验构成1个老化周期，每个老化周期结束后对试验线棒进行非破坏性试验参数测量．经过5个老化周期后，老化周期缩短为7d［15］．

美国IEEE 1310给出了定子线圈电热多因子同时作用的老化加速寿命试验方法［17］．国内引进加拿大GE公司（CGE）技术生产的二滩550MW水轮发电机，其额定电压UN为18kV．东方电机有限公司和哈尔滨电机厂有限责任公司按照CGE要求，根据IEEE 1310对成品定子线圈同时进行电热多因子老化加速寿命试验，试验电压为41．5kV（2．30UN），试验温度为120℃，CGE要求定子线圈电热老化加速寿命应大于400h［22－23］．

文献［22］介绍了二滩550MW水轮发电机定子线圈冷热循环与电老化的多因子老化加速寿命试验方法．哈尔滨电机厂有限责任公司将4个定子线圈送至CGE公司，根据IEEE 3010要求先对其进行冷热循环试验，即在30～45min内将定子线圈升温至（150±5）℃，而后在30～45min内将定子线圈降温至40℃，冷热循环周期为500个．在冷热循环试验结束后，再对经过冷热循环试验的4个定子线圈进行39kV（2．17UN）电老化试验，CGE公司要求经冷热循环500次后4个定子线圈的电老化寿命大于250h［22］．

文献［24］介绍了另外一种不包括电老化的汽轮发电机定子线圈绝缘广义热老化多因子试验方法，它考虑了热老化、振动机械老化和受潮环境老化．热老化试验选择3个温度：180℃热老化32d，200℃热老化8d，220℃热老化2d．在振动机械老化试验中，振动频率为50Hz，双振幅值为0．8mm．在受潮环境老化试验中，试验温度为40℃、湿度为95%．绝缘老化周期分为3步：先在烘箱内对试验线棒进行热老化试验，再取出试验线棒将其冷却至室温后进行振动机械老化1h，然后将试验线棒放入湿热箱中进行受潮环境老化试验48h．3种老化试验构成1个老化周期，每个老化周期结束后，对在潮湿状态下的试验线棒进行1min、35kV（2．33UN）耐压检查．当耐压检查通过后，再进行下1个周期的热老化、振动机械老化、受潮环境老化以及耐压检查，直至试验线棒被破坏为止．采用不包括电老化的广义热老化多因子试验方法，由于考虑了汽轮发电机定子线圈F级绝缘的热老化、振动机械老化和受潮环境老化的共同作用，因此可以用来验证或考核汽轮发电机定子线圈F级绝缘的广义热老化寿命．

3 绝缘寿命试验数据的统计与分析

文献［24］给出了汽轮发电机定子线圈F级绝缘的电老化和广义热老化多因子加速寿命试验方法．在汽轮发电机定子线圈F级绝缘室温的电老化加速寿命试验中，采用了30kV、35kV和40kV 3个试验电压等级．在每个试验电压等级下，对25个试验线棒进行恒定电压加速寿命试验，直至25个试验线棒的绝缘被击穿，得到25个F级绝缘电老化加速寿命试验数据．在发电机定子线圈F级绝缘的广义热老化多因子加速寿命试验中，采用180℃、200℃和220℃3个试验温度．在每个试验温度下，均对25个试验线棒进行热老化、振动机械老化和受潮环境老化3种老化试验构成的广义热老化多因子试验，直至25个试验线棒的绝缘被击穿，得到25个F级绝缘广义热老化多因子加速寿命试验数据．可以采用威布尔（Weibull）分布对上述定子线圈F级绝缘电老化和广义热老化的加速寿命试验数据进行分析，并将分析结果应用于汽轮发电机定子线圈F级绝缘寿命预测和运行安全性评定．

3．1 F级绝缘的失效分布

由于汽轮发电机定子线圈F级绝缘材质的不均匀性和制造工艺的离散性，因此大型汽轮发电机定子线圈F级绝缘寿命不是定值而是随机变量，可以使用连续性随机变量数学模型（即失效概率分布）对其加以描述．在常用的连续性随机变量数学模型中，威布尔分布是拟合试验数据适应性较强的一种概率分布．威布尔分布的物理模型是“最弱环模型”，凡是因某一局部失效就会引起整体失效的零部件寿命通常服从威布尔分布．对于大型汽轮发电机定子线圈的F级绝缘，只要某根定子线圈任何部位的绝缘被击穿，就可以认为该定子线圈的绝缘已损坏，符合“最弱环模型”，所以可以使用威布尔分布来描述汽轮发电机定子线圈F级绝缘的失效分布．用t表示汽轮发电机定子线圈的F级绝缘寿命，用f（t）表示F级绝缘失效分布的概率密度函数，当定子线圈F级绝缘寿命服从三参数威布尔分布时，有

式中：m为形状参数；η为尺度参数；ra为位置参数．

威布尔分布的参数估计和分布检验方法详见文献［25］，本文不再赘述．三参数威布尔分布的可靠度R（t）和已知可靠度Ro对应的可靠寿命tRo的计算公式分别为

当ra＝0时，三参数威布尔分布简化为两参数威布尔分布，则

两参数威布尔分布的可靠度R（t）与可靠寿命tRo的计算公式分别为

3．2 绝缘电老化寿命数据的统计结果

应用可靠性统计方法［25］对采用文献［24］给出的汽轮发电机定子线圈F级绝缘电老化加速寿命试验方法得出的绝缘电老化加速寿命试验数据进行统计和分析，其参数估计与分布检验的结果列于表1．由表1可知，F0．99（24，24）＜W ＜F0．01（24，24）证实了汽轮发电机定子线圈F级绝缘电老化单因子加速寿命试验数据是服从两参数威布尔分布的．

表1 绝缘电老化寿命数据的统计结果Tab．1 Analysis results on insulation life data of the electrical ageing kind

3．3 绝缘热老化寿命数据的统计结果

应用可靠性统计方法［25］对采用文献［24］给出的定子线圈F级绝缘广义热老化多因子加速寿命试验方法得出的绝缘广义热老化多因子加速寿命试验数据进行统计和分析，其参数估计与分布检验的结果列于表2．由表2可知，F0．99（24，24）＜W ＜F0．01（24，24），证实了发电机 F级绝缘广义热老化多因子加速寿命试验数据服从两参数威布尔分布．

表2 绝缘广义热老化寿命数据的统计结果Tab．2 Analysis results on insulation life data of the generalized thermal ageing kind

4 绝缘试验寿命数据的拟合公式

在大型汽轮发电机定子线圈F级绝缘的单因子老化试验寿命数据的分析中，国际标准［16］给出了绝缘电老化与热老化的加速寿命试验数据的拟合公式．

4．1 绝缘电老化加速寿命试验数据的拟合公式

大型汽轮发电机定子线圈F级绝缘的电老化试验寿命Le可用负幂定律模型［5，16］表示

式中：V为定子线圈的试验电压，kV；n和C为特征参数．

对式（7）两边取对数得

利用表1给出的m和η，给定可靠度Ro＝95%，按照式（6）计算可以得出3个试验电压30 kV、35kV和40kV的绝缘电老化可靠寿命，使用非线性回归法、最小二乘法与相关指数r2的检验方法［26］，得到式（7）的特征参数n和C 以及r2的回归参数分析结果（见表3）．在工程上，相关指数r2越接近1，表明式（7）拟合寿命数据的效果越好．从表3可知，r2值接近1，表明负幂定律模型拟合电老化可靠寿命数据的效果好．由于表3中的特征参数n和C均是采用试验电压和对应可靠度为95%的绝缘电老化可靠寿命数据并经回归分析得出的结果，因此使用表3中的n和C计算得出的F级绝缘电老化试验寿命有95%的可靠度．

表3 绝缘电老化寿命的回归参数Tab．3 Regression parameters on insulation life data of the electrical ageing kind

4．2 绝缘热老化加速寿命试验数据的拟合公式

大型汽轮发电机定子线圈F级绝缘的热老化试验寿命Lh常用阿伦尼乌斯（Arrhenius）方程式［5，16］表示

式中：T为定子线圈的试验温度，K；A和B均为特征参数．

式（9）也可以用来拟合文献［24］中的定子线圈绝缘广义热老化多因子加速寿命试验数据．对式（9）两边取对数，得

利用表2给出的m和η，给定可靠度Ro＝95%，按照式（6）计算得出3个试验温度453K（180℃）、473K（200℃）和493K（220℃）下的绝缘广义热老化可靠寿命，使用非线性回归、最小二乘法与相关指数r2的检验方法［26］，分析得出大型汽轮发电机定子线圈F级绝缘广义热老化寿命拟合公式的特征参数A和B以及r2的回归分析结果（见表4）．从表4可知，r2比较大，表明阿伦尼乌斯方程拟合绝缘广义热老化可靠寿命数据的效果比较好．由于表4中的特征参数A和B均是采用试验温度和对应可靠度R0＝95%的绝缘广义热老化的可靠寿命数据并经回归分析得出的结果，因此使用表4中特征参数A和B计算得出的F级绝缘广义热老化试验寿命有95%的可靠度．

表4 绝缘广义热老化寿命的回归参数Tab．4 Regression parameters on insulation life data of the generalized thermal ageing kind

5 F级绝缘寿命的预测方法

在定子线圈F级绝缘老化寿命的设计计算中，电老化为主要老化因子，同时考虑热老化、振动机械老化与受潮环境老化的广义热老化也为主要老化因子，因此通过绝缘电老化单因子老化试验和绝缘广义热老化多因子老化试验得出的特征参数可以用来预测汽轮发电机定子线圈的F级绝缘寿命．

5．1 绝缘电老化寿命的预测方法

根据式（7），以绝缘电老化为主要老化因子的汽轮发电机定子线圈F级绝缘的电老化寿命te的预测公式为

式中：UN为汽轮发电机定子额定电压，kV．

文献［27］的试验结果表明，室温下汽轮发电机定子线圈绝缘电老化寿命分布与180℃下汽轮发电机定子线圈绝缘电老化寿命分布几乎重合，说明当电老化为绝缘的主要老化因子时，采用室温下F级绝缘电老化试验得到的表3中特征参数n和C，也可用来预测工作温度下汽轮发电机定子线圈F级绝缘的电老化寿命．

5．2 绝缘广义热老化寿命的预测方法

根据式（9），以绝缘广义热老化为主要老化因子的汽轮发电机定子线圈的广义热老化寿命th的预测公式为

式中：T0为定子线圈工作温度的上限值，K；A、B均为特征参数．

文献［27］的试验结果表明，单一热老化并不能降低试验线棒绝缘的击穿电压值，但在承受振动机械老化后，击穿电压值随试验线棒热老化时间的延长而快速降低．采用广义热老化多因子试验得到的表4中的特征参数A和B，也可用来预测工作温度下考虑热老化、振动机械老化与受潮环境老化的汽轮发电机定子线圈F级绝缘的广义热老化寿命．

5．3 绝缘多因子老化寿命的预测方法

国内外文献对汽轮发电机定子线圈的单因子绝缘老化规律已有较多报道，但是有关多因子作用下绝缘老化规律的研究文献尚较少．根据材料寿命损耗累积理论［28－29］，在假设汽轮发电机定子线圈F级绝缘寿命损耗可以进行线性叠加的前提下，根据史进渊等［30］的发明专利，考虑电老化和广义热老化同时作用的汽轮发电机定子线圈F级绝缘寿命预测方法步骤如下：

（1）计算汽轮发电机定子线圈绝缘的累计运行小时数to．汽轮发电机的年平均运行小时通常按7 000h计算，若汽轮发电机定子线圈绝缘的使用寿命取30a，则to＝7 000×30＝2．1×105h；若汽轮发电机定子线圈绝缘的使用寿命取40a，则to＝7 000×40＝2．8×105h；若汽轮发电机定子线圈绝缘的使用寿命取60a，则to＝7 000×60＝4．2×105h．

（2）根据定子额定电压UN，按式（11）计算定子线圈绝缘的电老化寿命te．

（3）根据定子线圈的工作温度上限值T0，按式（12）计算定子线圈绝缘的广义热老化寿命th．

（4）汽轮发电机定子线圈F级绝缘电老化累积寿命损耗Eeo的计算公式为

（5）汽轮发电机定子线圈F级绝缘广义热老化累积寿命损耗Eho的计算公式为

（6）同时考虑电老化累积寿命损耗与广义热老化累积寿命损耗，大型汽轮发电机定子线圈F级绝缘累积寿命损耗的预测值E0的计算公式为

（7）对于汽轮发电机定子线圈F级绝缘，寿命设计主要考虑电老化累积寿命损耗与广义热老化累积寿命损耗．根据文献［30］，大型汽轮发电机定子线圈F级绝缘累积寿命损耗的界限值取Dco＝95%；预留寿命损耗的安全余量（1－Dco）取5%，作为分配于定子线圈F级绝缘的其他老化因子寿命损耗，如启停与负荷变化（调峰）引起的冷热循环老化造成的绝缘寿命损耗等．

（8）大型汽轮发电机定子线圈F级绝缘寿命设计的判据为：若累积寿命损耗的预测值Eo≤Dco，则认为汽轮发电机定子线圈F级绝缘寿命在预期的运行年数内是安全的；若累积寿命损耗预测值Eo＞Dco，则认为汽轮发电机定子线圈F级绝缘寿命在预期运行年数内的安全裕度不够．

6 F级绝缘寿命损耗的分配方案

为了保证汽轮发电机定子线圈绝缘在服役年限内安全运行，需要对不同绝缘老化因子导致的寿命损耗进行合理分配．利用F级绝缘加速寿命试验得出的特征参数，完成对汽轮发电机水内冷定子线圈F级绝缘寿命损耗的计算，并在分析计算结果的基础上，提出大型汽轮发电机定子线圈绝缘寿命损耗的分配方案．

某型号600MW汽轮发电机的额定功率为600 MW，最大容量为667MVA，额定功率因数cosφ为0．9，发电机效率η为98．8%，定子线圈采用F级绝缘和水内冷．该600MW汽轮发电机的设计额定电压UN为20kV．由表3可知，C＝3．028 69×1022，n＝12．911 369．经计算得到，te＝3．028 69×1022×20－12．911369＝4．821 437×105h，该定子线圈运行40 a的绝缘电老化的累积寿命损耗为

该600MW汽轮发电机定子线圈采用水内冷方式，定子线圈最大温升θ为50K，定子线圈工作温度的上限值T＝90＋273＝363K．由表4可知，A＝1．195 674×10－8，B＝1．167 580×104．经计算得 到，th＝ 1．195 674 × 10－8e1．167580×10000／363＝1．113 206×106h，该600MW汽轮发电机定子线圈的绝缘广义热老化累积寿命损耗为

按照文献［30］，汽轮发电机定子线圈F级绝缘累积寿命损耗的界限值Dco为95%，计算电老化与广义热老化同时作用的累积寿命损耗的预测值Eo为83%，小于汽轮发电机定子线圈F级绝缘累积寿命损耗的界限值95%，因此该汽轮发电机定子线圈在运行40a中F级绝缘是安全的．

计算结果表明，该应用实例水内冷定子线圈F级绝缘广义热老化累积寿命损耗约为25%，若留有F级绝缘冷热循环老化等导致的累积寿命损耗5%余量，则F级绝缘电老化的累积寿命损耗应小于70%．据此，提出服役年限内汽轮发电机的水内冷定子线圈的F级绝缘寿命损耗的分配方案为：室温电老化累积寿命损耗为70%，热老化、振动机械老化以及受潮环境老化的广义热老化累积寿命损耗为25%，冷热循环老化累积寿命损耗为5%．可将此分配方案应用于设计、制造和运行阶段汽轮发电机水内冷定子线圈F级绝缘的寿命预测、试验考核和安全性评定．

7 绝缘电老化寿命指标的安全分析

在汽轮发电机机座与定子线圈端部振动设计合格的前提下，同时在设计与制造中采取预防定子线圈端部结构振动、松动和磨损等机械老化措施，以及采用预防冷却水管漏水、控制冷却气体含水量和净化冷却气体等环境老化措施，由于采用水内冷的定子线圈的最热点温度比较低，因此其F级绝缘的主要老化因子为电老化．工程上，通常在室温下通过对发电机定子线圈进行绝缘电老化加速寿命试验来验证或考核汽轮发电机定子线圈的F级绝缘寿命．在汽轮发电机的技术指标中，已经给出了室温下2倍额定电压（2UN）和3倍额定电压（3UN）的电老化加速寿命的下限值．按照国家能源行业标准［21］，如果在室温下定子线圈F级绝缘电老化加速寿命的试验值大于下限值，就可以判定该定子线圈的F级绝缘寿命完全能够满足其运行安全性的要求．

在核电汽轮发电机的技术指标中，要求3UN的电老化寿命大于10h，2UN的电老化寿命大于500 h．当额定电压分别为24kV、26kV和27kV时，核电汽轮发电机定子线圈F级绝缘的电老化寿命te及其运行30a和40a的电老化累积寿命损耗Eeo的计算结果列于表5．由表5可知：当2UN的电老化寿命的下限值为500h时，运行30a和40a的电老化累积寿命损耗Eeo均小于70%，考虑到F级绝缘广义热老化寿命损耗与F级绝缘冷热循环老化寿命损耗之和约为30%，核电汽轮发电机定子线圈F级绝缘运行40a是安全的，但当核电汽轮发电机运行60a时，其定子线圈F级绝缘的电老化累积寿命损耗Eeo大于100%，即对应该电老化寿命下限值的核电汽轮发电机定子线圈F级绝缘运行60a是不安全的．核电站业主要求1 000～1 500MW核电汽轮发电机的寿命为60a，定子线圈F级绝缘寿命的预测值为40a，因此工程上把核电汽轮发电机定子线圈F级绝缘的更换周期取为30a是合适的．

表5 核电汽轮发电机定子线圈F级绝缘电老化寿命的计算结果Tab．5 Electrical ageing life calculation on insulation of generator stator coils in nuclear power stations

在火电汽轮发电机的技术指标中，要求3UN的电老化寿命大于15h，2UN的电老化寿命大于600 h．经过与表5相同的计算，得出以下结果：当2UN的电老化寿命的下限值为600h时，运行30a的电老化累积寿命损耗Eeo小于70%，考虑到F级绝缘广义热老化寿命损耗与F级绝缘冷热循环老化寿命损耗之和约为30%，定子线圈F级绝缘运行30a是安全的；当2UN的电老化寿命的下限值为600h时，运行40a的电老化累积寿命损耗Eeo大于85%，考虑到还有F级绝缘广义热老化寿命损耗与F级绝缘冷热循环老化寿命损耗，定子线圈绝缘运行40 a的安全裕度不够．只有当2UN的电老化寿命的下限值超过650h时，运行40a的电老化累积寿命损耗Eeo小于70%，考虑到F级绝缘广义热老化寿命损耗与F级绝缘冷热循环老化寿命损耗之和约为30%，因此火电汽轮发电机定子线圈F级绝缘运行40a是安全的．

8 分析与讨论

根据可靠性物理和加速寿命试验理论［25］，电子与电气产品的寿命与电压的关系可用负幂定律模型描述，电子与电气产品的寿命与温度的关系可用阿伦尼乌斯方程描述．因此，对于汽轮发电机定子线圈的F级绝缘，采用负幂定律模型对绝缘的电老化或电热老化的加速寿命试验数据进行描述是合适的，而使用阿伦尼乌斯方程对绝缘的热老化或广义热老化的加速寿命试验数据进行描述也是合适的．

在汽轮发电机正常运行工况下，定子线圈绝缘的电热老化主要发生在带负荷稳定运行过程中，定子线圈绝缘的冷热循环老化主要发生在启动、停机或变负荷过程中．由于发电机带负荷稳定运行过程和启动、停机或变负荷过程不在同一时段出现，因此采用串联方式对定子线圈绝缘的电热老化和冷热循环老化加速寿命进行试验，这与发电机的正常运行工况相符．按照IEEE 1310对绝缘的冷热循环老化进行试验，按照IEEE 1403对绝缘的电热老化进行试验，将二者进行串联试验符合工程实际．

在汽轮发电机非正常（振动或事故）运行工况下，绝缘的机械振动老化或受潮环境老化与电热老化同时作用在汽轮发电机定子线圈上，但考虑到汽轮发电机定子线圈绝大多数时段处于正常工况下运行，只有极少数时段处于非正常工况下运行．当汽轮发电机出现非正常运行工况时，通过对其安排检修进行处理．若忽略汽轮发电机非正常工况下运行时绝缘的电热老化作用，把汽轮发电机的运行工况简化为正常工况下运行与非正常工况下运行交替出现，采用绝缘电热老化、振动机械老化或受潮环境老化等串联试验方法，这是一种绝缘老化试验的简化方法或近似方法．

在大型汽轮发电机研制和生产过程中，工程上既可以采用单因子老化加速寿命试验方法，也可以采用多因子老化加速寿命试验方法来考核或验证汽轮发电机定子线圈的绝缘寿命．通常，单因子绝缘老化加速寿命试验的考核目标值应大于多因子绝缘老化加速寿命试验的考核目标值．文献［31］给出的大型汽轮发电机定子线圈绝缘的2UN和3UN的室温电老化加速寿命试验的考核目标值分别为1 500h和30h，而冷热循环25次后的2UN和3UN的室温电老化加速寿命试验的考核目标值分别为800h和10h．绝缘单因子老化试验考核目标值与绝缘多因子老化试验考核目标值是发电机制造企业在多年技术积累的基础上得出的经验值．在大型汽轮发电机投入使用后，还需要对经过绝缘老化考核试验的同类定子线圈绝缘事故进行分析研究，并通过对退役的同类定子线圈的绝缘测试或试验来确定其剩余寿命．只有在大量在役汽轮发电机定子线圈绝缘状态跟踪以及退役定子线圈剩余寿命试验的基础上，才能确定出汽轮发电机定子绝缘老化加速寿命试验结果与定子绝缘实际运行寿命之间的映射关系．

汽轮发电机定子线圈绝缘的多因子老化加速寿命试验方法包括多因子同时进行的并联试验方法和多因子先后进行的串联试验方法．从理论上讲，同时进行的绝缘多因子老化加速寿命的并联试验结果更符合实际．对于成品定子线棒，除了采用电热多因子进行老化并联试验比较容易实施外，考虑机械振动老化、冷热循环老化和受潮环境老化等多因子同时作用的绝缘加速老化试验的技术难度大、技术复杂且缺少技术标准支持．工程上采用的绝缘多因子串联试验方法还只是一种简化方法和近似方法．例如，CGE要求定子线圈绝缘41．5kV（2．30UN）和120℃的电热老化加速试验寿命大于400h，［（40～150）±5］℃的冷热循环500次后的绝缘39kV（2．17UN）电热老化加速试验寿命大于250h［32］．一般绝缘热老化串联机械振动老化与受潮环境老化的广义热老化加速寿命的试验结果比热老化单因子加速寿命的试验结果更符合工程实际［24］．

文献［27］的试验结果表明，定子线圈F级绝缘的室温电老化加速寿命分布与180℃电热加速寿命分布几乎重合．在工程上，常把定子线圈绝缘的电热老化加速寿命试验简化为室温电老化加速寿命试验，忽略了次要老化因子的影响，这也是一种简化方法和近似方法．在工程上，由于绝缘多因子老化串联试验方法和绝缘单因子室温电老化加速寿命试验方法均只是近似方法，因此当采用该试验结果对汽轮发电机定子线圈绝缘寿命进行评定或预测时，需要留有一定的安全余量．

文中给出的汽轮发电机定子线圈多因子综合作用下绝缘寿命的预测方法，是根据材料寿命损耗累积理论，在假设汽轮发电机定子线圈绝缘的寿命损耗可以线性叠加的前提下得出的，虽然这种假设与实际相比仍然存在不足，且该方法还只是一种近似方法，但却是工程上比较实用的一种简化方法．

在技术研究的基础上，本文提出在服役年限内汽轮发电机的水冷定子线圈绝缘寿命损耗的分配方案：室温电老化累积寿命损耗为70%，广义热老化累积寿命损耗为25%，冷热循环老化累积寿命损耗为5%，并将此寿命损耗分配方案应用于设计、制造和使用阶段汽轮发电机定子线圈F级绝缘的寿命预测、试验考核和安全性评定．考虑到水冷定子线圈F级绝缘的广义热老化寿命损耗与冷热循环老化寿命损耗之和约为30%，因此汽轮发电机定子线圈F级绝缘的室温电老化累积寿命损耗应不超过70%．

9 结 论

（1）通过对大型汽轮发电机定子线圈F级绝缘进行加速老化寿命试验，可以确定汽轮发电机定子线圈F级绝缘寿命计算公式的特征参数，并将其用于预测F级绝缘寿命和评定F级绝缘的运行安全性．

（2）在制造和使用阶段，采用汽轮发电机F级绝缘的2倍额定电压2UN和3倍额定电压3UN的室温电老化加速寿命试验的评定方法，忽略了次要老化因子的影响．为了保障汽轮发电机定子线圈F级绝缘的使用安全性，F级绝缘的室温电老化累积寿命损耗应不大于70%，应留有30%的安全余量．

（3）利用汽轮发电机定子线圈绝缘老化加速寿命试验数据与定子线圈F级绝缘寿命预测方法和评定方法，可以实现在设计、制造和运行阶段对大型汽轮发电机定子线圈F级绝缘寿命进行定量分析和安全性评定，为汽轮发电机定子线圈F级绝缘的定寿与延寿提供技术依据．所提出的发电机定子线圈F级绝缘寿命预测方法原则上也可以应用于大型水轮发电机定子线圈绝缘寿命的预测和评定．

［1］金英兰．三峡机组发电机绝缘的国产化［J］．发电设备，1999，13（6）：37－40．JIN Yinglan．Production localization of generator insulators for the"Three Gorge"generating sets［J］．Power Equipment，1999，13（6）：37－40．

［2］李伟清．汽轮发电机故障检查分析及预防［M］．北京：中国电力出版社，2002．

［3］高波．300MW汽轮发电机故障分析及对策［J］．华东电力，1998（1）：1－3．GAO Bo．Fault analysis of the 300MW tubo－generators and the countermeasures suggested［J］．East China Electric Power，1998（1）：1－3．

［4］成永红．电力设备绝缘检测与诊断［M］．北京：中国电力出版社，2001．

［5］速水敏幸．电力设备的绝缘诊断［M］．刘晓萱，译．北京：科学出版社，2003．

［6］汪耕，李希明．大型汽轮发电机设计、制造与运行［M］．上海：上海科学技术出版社，2012．

［7］史进渊，施峻，杨宇，等．4台300MW火电机组寿命管理系统的设计与应用［J］．动力工程学报，2010，30（6）：456－461．SHI Jinyuan，SHI Jun，YANG Yu，et al．Design and application of a life management system for 4×300MW coal－fired power generation units［J］．Journal of Chinese Society of Power Engineering，2010，30（6）：456－461．

［8］HOOF M，LAIRD T．Assessed condition trending system（ACTS）a tool for generator on－line diagnostics［C］／／Electrical Insulation Conference and Electrical Manufacturing and Coil Winding Conference．Cincinnati，OH，USA：［s．n．］，2001：16－18．

［9］IEEE Dielectrics，Electrical Insulation Society．Conference proceedings［C］／／Conference Record of the 2004IEEE International Symposium on Electrical Insulation．Indianapolis，USA：IEEE，2004：19－22．

［10］STONE G C，CULBERT I．Prediction of stator winding remaining life from diagnostic measurements［C］／／2010IEEE International Symposium on Elec－trical Insulation．San Diego，USA：IEEE，2010．

［11］Mandal，Tanuj Kumar．Study on health assessment of generator winding insulation［C］／／IEEE Electric Ship Technologies Symposium．Philadelphia，USA：IEEE，2005：25－27．

［12］张百华，高乃奎，马小芹，等．基于运行历史的大电机主绝缘老化特性的研究［J］．中国电机工程学报，2004，24（8）：134－137．ZHANG Baihua，GAO Naikui，MA Xiaoqin，et al．Study on the aging characteristics of stator winding insulation in large generator based on operating history［J］．Proceedings of the CSEE，2004，24（8）：134－137．

［13］李锐华，孟国香，谢恒堃，等．基于最小二乘神经网络的大电机定子绝缘击穿电压混合预测方法［J］．中国电机工程学报，2007，27（3）：100－105．LI Ruihua，MENG Guoxiang，XIE Hengkun，et al．A hybrid prediction approach for stator insulation breakdown voltage of large generator based on PLS combined with artificial neural network［J］．Proceedings of the CSEE，2007，27（3）：100－105．

［14］LI Ruihua，MENG Guoxiang，GAO Naikui，et al．Combined use of partial least－squares regression and neural network for residual life estimation of large generator stator insulation［J］．Measurement Science and Technology，2007，18（7）：2074－2082．

［15］宋建成，乐波，谢恒堃．大型发电机主绝缘多因子老化系统的研究［J］．中国电机工程学报，2000，20（7）：9－18．SONG Jiancheng，YUE Bo，XIE Hengkun．Study on multi－stress aging test system for stator winding insulation of large generator［J］．Proceedings of the CSEE，2000，20（7）：9－18．

［16］全国旋转电机标准化技术委员会．GB／T 20112—2006．电气绝缘结构的评定与鉴别［S］．北京：中国国家标准化管理委员会，2006．

［17］IEEE．1310—2012IEEE recommended practice for thermal cycle testing of form－wound stator bars and coils for large generators［S］．New York，USA：IEEE，1996．

［18］黄定忠，李国平．核电站电气贯穿芯棒热老化寿命评定技术的研究［J］．动力工程，2008，28（3）：493－496．HUANG Dingzhong，LI Guoping．Thermal aging life assessment of electric feedthrough poles for nuclear power stations［J］．Journal of Power Engineering，2008，28（3）：493－496．

［19］IEEE．1043—1996IEEE recommended practice for voltage－endurance testing of form－wound bars and coils［S］．New York，USA：IEEE，1996．

［20］IEEE．1553—2002IEEE trial－use standard for voltage－endurance testing of form－wound bars and coils for hydro－generators［S］．New York，USA：IEEE，2002．

［21］全国电器绝缘材料与绝缘系统评定标准技术委员会．高压交流电机定子线圈对地绝缘电老化评定方法（征求意见稿）［S］．北京：中国电器工业协会，2011．

［22］隋银德，赫铣，满宇光．二滩水轮发电机绝缘系统的特点［J］．大电机技术，2004（3）：1－5．SUI Yinde，HE Xin，MAN Yuguang．Characteristics of insulation system on Ertan hydrogenerator［J］．Large Electric Machine and Hydraulic Turbine，2004（3）：1－5．

［23］梁智明，漆临生，皮如贵．绝缘电老化试验研究［J］．东方电气评论，2001，15（4）：212－217．LIANG Zhiming，QI Linsheng，PI Rugui．Study on electrical－heating aging test of insulation［J］．Dongfang Electric Review，2001，15（4）：212－217．

［24］段林生，韩少坤．国内几种大型发电机线圈F级主绝缘可靠性评定情况［J］．电气应用，1988（9）：47－48．DUAN Linsheng，HAN Shaokun．Reliability assessment for class F insulation of domestic several large stator coils ［J］．Electrotechinical Application，1988（9）：47－48．

［25］茆诗松，王铃铃．可靠性统计［M］．上海：华东师范大学出版社，1984．

［26］方开泰，金辉，陈庆云．实用回归分析［M］．北京：科学出版社，1988．

［27］KIMURA K，KANEDA Y．The role of microscopic defects in multi－stress aging of micaceous insulation［J］．IEEE Transaction on Dielectric and Electrical Insulation，1995，2（3）：426－432．

［28］美国机械工程师学会．ASME核电规范与标准BPVC－III第1册NH分卷：高温使用的一级部件［S］．上海：上海科学技术文献出版社，2007．

［29］史进渊，杨宇，邓志成，等．大功率汽轮机的寿命预测与可靠性设计［M］．北京：中国电力出版社，2011．

［30］史进渊，杨宇，邓志成，等．一种汽轮发电机定子绕组绝缘寿命的评价方法：中国，ZL200710044604．6［P］．2011－01－12．

［31］漆临生，皮如贵，梁智明．发电机单只线棒绝缘系统研究［J］．东方电气评论，2009，23（4）：33－38．QI Linsheng，PI Rugui，LIANG Zhiming．Study on the single bar VPI system in DFEM［J］．Dongfang E－lectric Review，2009，23（4）：33－38．

［32］隋银德，袁晓红，崔永生，等．空冷汽轮发电机绝缘系统的特点 ［J］．大电机技术，2004（7）：11－17．SUI Yinde，YUAN Xiaohong，CUI Yongsheng，et al．The features of the insulation systems on aircooled turbogenerator［J］．Large Electric Machine and Hydraulic Turbine，2004（7）：11－17．