大型电机定子线棒主绝缘老化性能的介电响应研究现状

2018-02-02单志铎陈庆国

大电机技术 2018年1期

付强，单志铎，陈庆国

付强1,2，单志铎3，陈庆国3

（1. 水力发电设备国家重点实验室(哈尔滨大电机研究所)，哈尔滨 150040；2. 国家水力发电设备工程技术研究中心，哈尔滨 150040；3. 电介质工程国家重点实验室培育基地(哈尔滨理工大学)，哈尔滨 150080）

介电响应法（Dielectric Response Method，DRM）是一种近年蓬勃发展的绝缘体系无损检测技术，对确定发电设备绝缘体系老化状态具有十分重要的作用。目前利用极化/去极化电流法（PDC）、频域谱（FDS）、热刺激去极化电流（TSDC）等介电响应法研究电机绝缘老化状态已经成为热点方向。国内外学者利用介电响应法研究绝缘老化状态取得了较好的成果，为建立绝缘老化状态的介电响应无损检测方法、指导电力系统机组评估诊断绝缘老化状态奠定了理论基础。为提高我国制造业创新能力，掌握无损检测大型电机定子绝缘缺陷关键技术，国内需要在此方面深入开展研究工作。

发电机；绝缘老化状态；介电响应法；极化/去极化电流法；频域谱；热刺激去极化电流

0 前言

大型发电机组是经济发展的基础，其安全可靠对于经济的稳定发展至关重要。发电机的严重事故不但会导致自身的损坏，还会中断电力供应，给社会造成巨大的经济损失。现阶段我国许多大型电机由于运行了二、三十年以上的时间，绝缘老化问题日趋严重，容易出现停机事故，是威胁电网安全的重大隐患。瑞士丰罗公司Brutsch R[1]在其文章中提到，在水轮发电机69起事故中约56%的事故都是由绝缘老化引起的。因此研究确定大型机组定子线棒绝缘老化状态是十分重要的，可以提前了解绝缘老化状态，做好预防措施，避免突发事故出现造成巨大的经济损失。

击穿电压特征参量是衡量电力设备绝缘性能优劣唯一可靠的标准，但由于击穿电压是破坏性参量，不能用来衡量运行中的设备绝缘状态。其它传统的电气测量方法，如局部放电、泄漏电流、工频下的介质损耗、持续10min的绝缘电阻，提供的绝缘信息单一，并且测量结果容易受到外界因素的干扰，只能作为绝缘状态评估的参考指标[2]。实际上绝缘老化过程中，介电响应参数会在某个特定的频率范围变化[3, 4]，可为深入研究绝缘老化状态提供丰富的信息。因此，介电响应法近几年逐渐成为电机绝缘无损诊断的有效方法，国内外学者[5-10]相继开展了这方面的研究工作。随着绝缘材料逐渐老化，介电性能在特定频域或时域会发生改变，测量扩展到较宽的频率域或时域内，可以得到更多的信息去判断机组绝缘系统的实际状况[11, 12]。

1 国内外研究现状及发展动态分析

1.1 FDS法分析定子线圈/线棒绝缘状态

刘骥[13]研究结果表明，可以通过改变交流测试激励频率测得复电容实部、虚部等曲线的不同频率区间包含绝缘的电导率、极化损耗等信息，确定了各段与绝缘系统状态的关系，但是文章中没有深入研究不同运行年限电机绝缘的老化状态与介电响应参数的关系。刘骥等[6]采用频域介电谱（Frequency Domain Dielectric Spectroscopy，FDS）研究了电机线棒环氧/云母绝缘固化工艺条件对大型发电机绝缘质量影响的机理。瑞典的N. Taylor 与 H. Edin[5]利用频域介电谱研究线棒端部非线性防晕层的介电参数，建立了四种一维分布数据模型，但是这四种模型都不尽人意，需要进一步进行完善。YIN Xiaobing等[14]研究了湿度对电机环氧云母绝缘FDS试验的影响，结果表明界面极化弛豫时间常数1与湿度呈线性指数关系，这种关系可以评估湿度对FDS检测结果的影响。斯里兰卡Fernando M等[15]利用FDS分别对运行几十年的沥青绝缘体系和环氧粉云母绝缘体系的定子线棒进行无损检测，利用Davidson-Cole模型拟合不同老化时间FDS参数，但是没有建立其间的相关性。法国E. Obame等[16]制作了带有人工缺陷的7种电动机试验线圈，发现1kHz时各种线圈的电容值均具有各自的数值，可以作为可靠的鉴别缺陷类别的标准。

哈尔滨大电机研究所联合哈尔滨理工大学首次利用频域介电谱研究大型电机定子线棒绝缘耐盐雾湿热老化性能[9]，如图1所示利用扫描电镜观测了老化前后试样微观结构变化；图2和图3是不同老化周期绝缘材料的频域介电谱的特征量的变化。文献[9]利用频域介电谱从微观角度分析了绝缘材料老化的状态。显然这只是初步分析了大型电机定子线棒绝缘耐盐雾湿热老化状态的介电响应变化，没有进一步分析电老化时绝缘材料的介电响应变化，但是这项研究工作开辟了国内应用介电响应法分析大型机组定子线棒绝缘状态的先例。另外，介电响应法在检测定子线棒绝缘制造缺陷方面[6, 17]，例如检测绝缘未完全固化的缺陷，已经成为很有效果的方法，预计今后能常规应用于监测线棒绝缘制造工艺方面。

陈庆国、付强等[18]利用FDS方法初步研究了电老化对电机VPI（Vacuum Pressure Impregnating，真空压力浸渍）绝缘体系的介电性能的影响规律。结果表明电老化使VPI绝缘材料介电性能下降，其中环氧胶所受影响最为明显，粘接性能下降，在绝缘结构中形成更多介质分界面，同时使绝缘材料中极性分子活性增强，加剧了界面极化与转向极化，使介损及介电常数随电老化时间延长而增大。但是多胶模压绝缘体系与VPI少胶绝缘体系材料有区别，多胶绝缘材料老化对绝缘体系的介电性能影响需要进行深入研究。何景彦[8]利用介电谱评估了变频牵引电机匝间聚酰亚胺绝缘老化特征。德国Farahani M等[19]利用小型电机（U=10kV）的VPI绝缘线棒进行介电响应法分析绝缘老化状态，研究结果表明介损信号的差别可以作为诊断电机绝缘吸潮和老化的一个重要依据。张征平、吴广宁与王兵等[20-22]对大型发电机20 kV定子线棒绝缘进行频域介电谱研究，分析了温度和水分对介损、复介电常数及复电容的影响。张征平等[23]研究了温度对发电机环氧云母绝缘频域介电谱特性的影响，结果表明应用介电响应法评估环氧云母绝缘老化状态时，必须考虑温度的影响。

图1 盐雾湿热老化45天前后的绝缘微观结构变化

图2 不同老化时间下多胶模压绝缘材料的介质损耗因数tanδ

图3 不同老化时间下多胶模压绝缘材料的电导率σv

1.2 PDC法分析定子线圈/线棒绝缘状态

加拿大Lamarre L等学者[24]于2006年在利用极化/去极化电流法（Polarization and Depolarization Current，PDC）测试13.8kV定子线棒环氧云母绝缘性能时，发现测试结果与IEEE（IEEE Std 43-2000）标准计算的绝缘电阻修正系数有偏差，提出了更正修正系数的建议。奥地利Sumereder C.等[25]研究两种绝缘体系(多胶绝缘体系和VPI绝缘体系)的PDC性能，发现两种绝缘体系的去极化电流有区别，因此每种绝缘体系应该分开评估。加拿大David E等[4]在小型交流电机定子线圈加速电热老化试验中，使用了介电响应测试技术分析老化线圈和未老化线圈的绝缘状态。

加拿大Stone G C等[26]研究表明PDC除了检测脏污和吸潮的绝缘问题外，还能检测防晕层问题，但是还需要更多试验去验证PDC的作用。加拿大David E.等[27]利用PDC评估带有防晕层的环氧云母绝缘体系的质量，研究表明防晕层对低电压（1～5kV）的电流影响较大。伊朗Mahdi Shadmand等[28]研究了多胶模压和少胶VPI两种绝缘体系的PDC曲线，研究结果表明VPI绝缘体系有较好的PDC性能。在利用PDC法诊断高压电动机绕组绝缘缺陷时，新西兰Bhumiwat S A[29]发现VPI电动机定子绕组绝缘性能失效越快，极化电流与去极化电流谱图分离的越早，因此Bhumiwat S.A.认为根据在线无损介电响应技术（时域介电谱、频域介电谱）能及早检测出绝缘缺陷信息。随后Bhumiwat S A[30]利用介电响应法分别分析了小型电动机在几种绕组状态下（新绝缘状态、潮湿状态、热老化状态、导电性污染物等）绝缘的PDC谱图的变化。PDC检测结果不但能反映绝缘材料极化和电导引起的问题，而且还能区分特殊的状况如热老化或导电性污染物引起的问题。但是Bhumiwat S A.没有进一步扩展研究定子绝缘老化过程与介电响应的关联性。David E等[31]研究表明端部绕组表面脏污（如端部绕组表面有导电杂质或吸潮）会引起绝缘吸收比及极化指数降低，但是对PDC的介电参数影响不大，而PDC检测结果可以评估主绝缘的固化不完全、老化等弊病对绝缘状态的影响。

1.3 TSDC法分析定子线圈/线棒绝缘状态

TSDC（Thermally Stimulated Depolarization Current，TSDC）法是研究绝缘材料内部陷阱参数、偶极子松弛等绝缘微观特性的重要手段。1987年王力衡等[32]为了检测云母纸性能，首次利用TSDC方法研究了云母纸的荷电粒子特性。张豪[33]检测了纳米复合绝缘材料TSDC谱图，分析了不同纳米含量的绝缘材料的陷阱能级、陷阱密度、陷阱深度等微观特性。李聪[10]利用TSDC法检测复合绝缘材料老化过程中的陷阱密度及陷阱能级的变化，开辟了诊断及评价复合绝缘子老化程度的新方向。法国Castellon J等[34]在小型交流电机定子绕组热老化（150℃/219h）、电热老化（150℃/500V/23h）试验后，利用TSDC法检测绝缘中空间电荷、陷阱能级，为进一步研究交流电机定子绝缘使用寿命奠定了基础。

瑞士Zaengl W S[35]研究指出单一频域或时域分析都不能获得全面的绝缘介电特征，介电谱分析的关键在于得到介电响应函数的表达式，才可以获得绝缘的真实状况。新西兰Bhumiwat S A[36]将极化去极化电流、介质损耗因数、电容比（所有频率的电容值与50Hz电容值的比）三种介电相应方法结合在一起，初步探讨分析了绝缘热劣化、绝缘磨损等问题，但是对于绝缘老化问题没有进行深入研究。王兵[37]将传统老化特征电参量（绝缘电阻、吸收比、介质损耗测试、局部放电试验）与介电谱特性关联，开展汽轮发电机定子线棒主绝缘老化程度研究工作，但是在Debye模型参数变化对频域谱参数的影响方面没有进一步研究。

2 发展趋势及应用前景

定子绕组使用寿命受到电老化、热老化、机械振动、环境等因素影响，其中电老化是主要的因素，这几项因素都考虑将是十分复杂的科研项目。因此针对上述应用介电响应技术评估电机绝缘状态中存在尚未解决的问题及有待进一步深入研究的问题。哈电将在近年来研究工作的基础上，综合利用多种介电响应测量技术深入开展基础研究工作，对电机绝缘老化状态进行评估，力争从根本上解决老化过程中介电响应特征参量与老化状态的关系及介电响应特征参量与线棒绝缘剩余寿命定量关系的问题。

无论是发电设备制造企业还是发电企业，都亟待高效的无损介电响应技术的应用。对于该技术的研究，不仅需要有一定的电气测试、电介质理论知识、复合材料结构及性能分析的基础知识，更为重要的是要求有扎实的处理大型电机故障的基础知识，具有一定的挑战性。目前介电响应分析技术距实际应用的距离还很远，亟待有效地利用电介质理论、电气测试理论、复合材料结构分析理论，开发可用于诊断大型电机定子绝缘老化状态的介电响应技术，并对绝缘材料老化状态进行量化的研究。这不仅有利于分析定子线棒绝缘制作质量，为更有效地分析绝缘老化状态提供必要的理论指导，同时也为解决介电响应无损检测分析绝缘老化状态的关键科学问题作出贡献，提高我国制造业创新能力，为我国掌握无损检测大型电机定子绝缘缺陷关键核心技术奠定基础，力争在此方面的研究工作走在世界前列。

[1] Brutsch R, Tari M, Frohlich K, Weiers T. Insulation failure mechanisms of power generators[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2008, 24(4):17-25.

[2] 贡春艳. 极化去极化电流法和回复电压法融合的油纸绝缘老化状态评估[D]. 重庆大学, 2013.

[3] 汤明杰,等. 采用向量匹配法的油纸绝缘系统扩展Debye模型参数识别[J]. 高电压技术, 2014, 40(2):548-556.

[4] David E. Low-frequency dielectric response of epoxy-mica insulated generator bars during multi-stress aging[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2007, 14(1):212-226.

[5] Taylor N, Edin H. Stator end-winding currents in frequency-domain dielectric response measurements[J]. IEEE Transactions on Dielectrics & Electrical Insulation, 2010, 17: 1489-1498.

[6] 刘骥, 李秀婧. 环氧-云母复合绝缘固化过程介电响应特性[J]. 电机与控制学报, 2014, 18(6):22-28.

[7] Sumereder C, Muhr M. Polarization-depolarization measurements at insulation systems for rotating machines[C]. Proceedings of the 2005 International Symposium on Electrical Insulating Materials, 2005, 3:706-709.

[8] 何景彦. 基于介电谱的变频牵引电机匝间绝缘老化研究[D]. 成都, 西南交通大学, 2008.

[9] 付强孔繁荣陈庆国. 桐马环氧玻璃丝粉云母绝缘材料的耐盐雾湿热老化特性[J]. 复合材料学报, 2014, 31(3):851-858.

[10] 李聪. 复合绝缘子热刺激电流测量的实现与应用[D]. 北京, 华北电力大学, 2013.

[11] 张征平, 郝长金,等. 大型汽轮发电机主绝缘的频域介电响应研究[J]. 大电机技术, 2017, (3):27-31.

[12] Zaengl W S. Dielectric spectroscopy in time and frequency domain for HV power equipment. I. Theoretical considerations[J]. Electrical Insulation Magazine, IEEE, 2003, 19(5):5-19.

[13] 刘骥. 基于PDC分析的时频混合绝缘诊断方法研究[D]. 哈尔滨理工大学, 2014.

[14] YIN Xiaobing, CAO Baojiang. Effect of humidity on the properties of frequency domain spectroscopy of rotating machines epoxy/mica insulation[C]//2016 IEEE International Conference on High Voltage Engineering and Application, 2016:1-4.

[15] Fernando M, Naranpanawa W, Rathnayake R. Condition assessment of stator insulation during drying, wetting and electrical ageing[J]. Dielectrics and Electrical Insulation, IEEE Transactions on, 2013, 20(6):2081-2090.

[16] Obame E, et al. Detection of artificial insulation defects in a medium-voltage motor by dielectric spectroscopy analysis[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2012, 27(2):270-276.

[17] Subocz J. Application of the FDS method for assessment of HV epoxy-mica-glass insulation[J]. Materials Science (0137-1339), 2009, 27(4):1230-1236.

[18] 陈庆国, 单志铎, 付强,等. 基于FDS的电机线棒环氧云母绝缘电老化特性[J]. 复合材料学报, 2017, 34(9):1926-1933.

[19] Farahani M, Borsi H. Dielectric response studies on insulating systems of rotating machines[J]. IEEE Transaction on Dielectrics and Electrical Insulation, 2006, 13(1):383-393.

[20] 张征平, 王兵, 涂小涛,等. 温度对汽轮发电机主绝缘频域介电谱特性的影响分析[J]. 绝缘材料, 2016, 49(4):55-60, 68.

[21] 张征平, 尹小兵, 涂小涛, 等. 水分对大型汽轮发电机定子线棒主绝缘FDS测试的影响研究[J]. 绝缘材料, 2016, 49(6):45-50.

[22] 王兵,等. 温度和水分对大型发电机主绝缘FDS特性影响的试验研究[J]. 电网技术, 2016, 40(2): 626-633.

[23] 张征平, 郝长金, 涂小涛,等. 大型发电机主绝缘的 Cole-Cole 模型频域介电温度特性研究[J]. 电工电能新技术, 2016, 35(6):29-35.

[24] Lamarre L, David E. Dielectric response of rotating machine stator insulation system[C]//Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 2006 IEEE Conference on. IEEE, 2006:549-552.

[25] Sumereder C, Woschitz R, Muhr M. Condition evaluation of generator bars[C]//2005 5th IEEE International Symposium on Diagnostics for Electric Machines, Power Electronics and Drives, Vienna, Austria, 7-9 September, 2005:1-4.

[26] Stone G C, Sasic M. Experience with DC polarization

-depolarization measurements on stator winding insulation[C]//2013 Electrical Insulation Conference, Ottawa, Ontario, Canada, 2 to 5 June, 2013:7-10.

[27] David E, Lamarre L, Nguyen D N. Measurements of Polarization/Depolarization Currents for Modem Epoxy-Mica Bars in Different Conditions[C]//Electrical Insulation Conference and Electrical Manufacturing Expo. 22-24 October. 2007:189-193.

[28] Shadmand M, Goudarzi H M, Kazemi S. PDC characteristics of modern stator insulation systems[C]//2015 IEEE 11th International Conference on the Properties and Applications of Dielectric Materials (ICPADM), 2015:1015-1018.

[29] Bhumiwat S A. Field experience in insulation diagnosis of industrial high voltage motors using dielectric response technique[C]// Electrical Insulation Conference, Montreal, Canada. 2009:454-457.

[30] Bhumiwat S A. On-site non-destructive dielectric response diagnosis of rotating machines[J]. Dielectrics and Electrical Insulation, IEEE Transactions on, 2010, 17(5):1453-1460.

[31] David E, Lamarre L. PDC measurements to assess machine insulation[J]. Dielectrics and Electrical Insulation, IEEE Transactions on, 2010, 17(5):1461-1469.

[32] 王力衡, 陈培基. 云母纸中的载流子及其某些电性能[J]. 电子元件与材料, 1987, 6(3):18-22.

[33] 张豪. PE-MMT纳米复合材料空间电荷行为的研究[D]. 哈尔滨, 哈尔滨理工大学, 2011.

[34] Castellon J, Bouquart J, Reboul J P, Toureille A. A new tool to study the ageing of the winding insulation of electrical machines[C]//IEEE Annual Report-Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, Minneapolis, October 1997:19-22.

[35] Zaengl W S. Applications of dielectric spectroscopy in time and frequency domain for HV power equipment [J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2003, 19(6):9-22.

[36] Bhumiwat S A. Depolarization index for dielectric aging indicator of rotating machines[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2015, 22(6): 3126-3132.

[37] 王兵. 汽轮发电机主绝缘多因子老化的介电响应特性研究[D]. 成都, 西南交通大学, 2016.

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

1000-3983(2018)01-0010-05

2017-07-22

付强（1968-），2008年毕业于哈尔滨工业大学，博士，主要从事电机绝缘技术、绝缘检测和防电晕技术方面的研究工作，教授级高工，硕导。