风力发电机绝缘系统可靠性评定方法探讨

李园园

[1.上海电器科学研究所(集团)有限公司，上海 200063；2.上海电器设备检测所有限公司，上海 201401]

0 引 言

风力发电是可再生能源领域中较成熟且具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一，可利用的风能在全球范围内分布广泛、储量巨大。随着全球能源形势趋紧及风电相关技术不断成熟、设备不断升级，加之保护和改善环境的需要，风力发电行业高速发展，近几年风力发电机的制造呈现大规模发展之势。随着风力发电的快速发展，对风电机组系统的可靠性也提出了更高的要求。风力发电机是发电机组的重要组成部分，发电机绝缘系统的可靠性对整个风电机组的可靠性具有重要意义。绝缘系统作为发电机的“心脏”，其性能可靠性直接影响整机的运行寿命，因此，近年来逐步引起各整机厂的重视[1-2]。

由于引入了变流器，风力发电机绝缘系统与普通发电机绝缘系统所承受的应力不同，如高频脉冲电压、局部放电等，而绝缘系统的耐高频冲击能力对风力发电机尤为重要。风力发电机绝缘系统与普通发电机绝缘系统所使用的环境不同，有高温高湿、盐雾等特殊条件，因此绝缘系统的环境可靠性对风力发电机也特别重要[3-5]。

本文根据风力发电机的运行工况，参考国内外现行标准，对风力发电机的绝缘系统可靠性评定方法进行了介绍与分析，便于整机生产商根据需求选择合适的评定方法。

1 评定方法概述

风力发电机长期使用过程中会存在较高的温升，因此绝缘系统需要有较高的长期耐热性。对绝缘系统进行长期耐热性评定，可以获得绝缘系统的温度指数和热寿命曲线。整机生产商设计时可根据实际运行温升和寿命需求，选择合适的绝缘系统。

变流器产生的重复脉冲电压对风力发电机绝缘系统产生电损伤，长时间的电应力作用下绝缘系统会发生电击穿，达到寿命终点。对绝缘系统进行电应力耐久性评定，可以获得其电寿命方程。整机生产商根据发电机运行中的脉冲电压，可以推算绝缘系统的理论电寿命，为评估设计可靠性和运行可靠性提供一定依据。

风力发电机的运行环境条件较为复杂，包括高湿度、高温差、重盐雾和高污秽等，因此对绝缘系统的环境可靠性评估也至关重要。

2 长期耐热性评定方法

2.1 理论依据

阿伦尼乌斯方程用以评定化学反应速率与温度之间的关系。热氧化分解过程可以用阿伦尼乌斯方程描述：

k(T)=Cexp[-Ead/(RT)]

(1)

对数形式如下：

ln[k(T)]=-Ead/(RT)+CA

(2)

式中：k(T)为反应速率常数；Ead为活化能，单位为J/mol；T为温度，单位为K；R为气体常数，单位为J/(mol·K)；C、CA为常数。

绝缘系统热寿命与热力学温度符合阿伦尼乌斯方程，可表示为回归线方程：

lgτ=A+B/T

(3)

式中：τ为热寿命；A为常数；B为系数。

式(3)表明lgτ与1/T呈线性关系。对绝缘系统进行不同温度下的热寿命评估，可以对评估结果进行阿伦尼乌斯坐标(lgτ-1/T)的线性回归分析，得到评估系统的热寿命方程，并在回归线上求出20 000 h对应的温度，得到温度指数(Ti)或根据实际运行温度推算长期运行寿命。绝缘系统的耐热等级划分如表1所示。

表1 绝缘系统耐热等级[6]

2.2 评定方法介绍

2.2.1 常规方法(三点法)

散绕绕组风力发电机绝缘系统的热老化评定标准依据GB/T 17948.1—2018[7]，一般选择散绕模拟线圈作为试验样品，需要至少在3个温度，每个温度至少10个试样条件下对绝缘系统进行热寿命评定。

成型绕组风力发电机绝缘系统的热老化评定标准依据GB/T 17948.3—2017[8]，选择成型模拟线圈作为试验样品，需要至少在3个温度，每个温度至少5个试样条件下对绝缘系统进行热寿命评定。

根据评定结果对3组或以上老化温度和老化寿命进行拟合，得到热寿命方程，计算绝缘系统的温度指数。具体评定流程如图1所示。

图1 散绕/成型绕组长期耐热性评定流程

热老化分周期的加热方式一般选择烘箱加热，且使用强制通风的烘箱，通风可将老化期间绝缘附件可能的残存分解物带走。虽然烘箱具有明显的缺点，但经验表明烘箱可提供方便且经济的热老化途径。烘箱法可使绝缘结构所有部分经受完整的老化温度，而在实际运行时大部分绝缘在比热点低很多的温度下运行。如果适合，可采用非常接近模拟运行条件的更直接的方法：电流直接加热、正/反转试验(电机试验)等。

热老化分周期推荐的老化温度和相对应的曝露周期如表2所示。表2中的数值是按老化温度每降低10 K寿命加倍得到的近似值。应选择合适的老化温度和分周期的曝露时间，保证最低试验温度不超过设计等级温度的25 K，且应获得约5 000 h或更长的平均试验寿命，最高试验温度下应获得至少100 h的平均试验寿命。每个老化温度的分周期长度的选择依据是可以产生约10个周期的平均寿命。老化温度应分别至少有20 K间隔，但如果采用的老化温度点多于3个，温度间隔可降低10 K。

表2 推荐的热老化温度和分周期时间

散绕绕组和成型绕组风力发电机绝缘系统的电性能诊断试验电压分别如表3和表4所示。

表3 散绕绕组风力发电机绝缘系统的电性能诊断试验电压 V

表4 成型绕组风力发电机绝缘系统的电性能诊断试验电压

2.2.2 快速评定法(单点法)

JB/T 1544—2015[9]介绍了电气绝缘浸渍漆和漆布的快速评定方法。依据此标准可以通过热重分析(TGA)方法和单点热老化试验进行温度指数的快速评定。此方法目前在绝缘系统的热评定上进行了扩展使用，可以对长期耐热性进行粗略估计。

依据标准JB/T 1544—2015的方法，对绝缘材料粉末在3 K/min或5 K/min的升温速率下，在常压干燥空气气氛中进行TGA分析。从热重曲线上，取失重5%～50%(间隔5%)所对应的10个温度数值，按经验公式计算表观裂解活化能Ep：

(4)

式中：E0为常数，单位为J/mol；R为气体常数，取值8.314 J/(K·mol)；C0为系数；Tn为对应每个W/Wa的温度值，单位为℃；ΔW为试样在Tn下的失重质量，单位为mg；Wa为试样总质量，单位为mg；ΔW/Wa为失重比例。

热寿命曲线斜率按下式计算：

(5)

通过TGA分析，可得到寿命方程lgτ=a+b/T的斜率，然后对绝缘材料进行常规老化评定中高温点的热老化试验，根据高温点老化试验温度和高温点寿命，结合寿命方程斜率即可推断出绝缘材料的寿命方程。

3 电应力耐久性评定

3.1 理论依据

依据GB/T 22566—2017[10]进行绝缘系统电老化试验，确定待评结构的脉冲电压与寿命间的关系。一般情况下，电压寿命与电压幅值的关系可通过倒幂定律表示：

L=kU-n

(6)

式中：L为在给定概率下的试样失效冲击次数；U为所施加的脉冲电压；n为电压老化系数(VEC)；k为常数。

在所选择的电压下，对每个试样进行耐久性试验，确定失效冲击次数或失效时间。使用两参数韦布尔函数处理失效次数或失效时间(完整试验或截尾试验)。估计每个试验电压水平下的形状参数(中值、平均值或其他规定的百分数)，在双对数或半对数坐标系上作图，得到电寿命方程，并推算运行电压下的长期使用寿命。

3.2 试验方法

3.2.1 工频电压耐久性试验

依据标准GB/T 17948.4—2016[11]进行工频电压耐久性评定。电应力耐久性评定流程如图2所示，一般选择至少3个电压点，每个电压点至少5个试样进行试验。

图2 电应力耐久性试验流程

电老化分周期试验后进行诊断分周期试验。诊断分周期试验具体试验项目和参数如表5所示，可根据实际情况进行诊断项目选择。

表5 诊断试验参数(工频电老化)

在电老化分周期试验和诊断试验期间，试样任何部分的失效构成了整个结构的失效。记录失效试样的电老化累计时间；其他试样继续进行试验，直至全部失效。

3.2.2 重复脉冲电压耐久性试验

依据标准GB/T 22566—2017[10]进行重复脉冲电压耐久性评定。试验冲击电压上升时间要求0.04～1.00 μs，重复频率不超过10 kHz，波形为方波或三角波。重复脉冲电应力耐久性评定流程如图2所示，其中质量保证试验和诊断试验可根据需求进行试验项目和试验参数选择，具体项目包括工频耐压、介电损耗和局部放电等。

4 环境可靠性评定

由于风力发电机运行工况复杂性，涉及温度变化、盐雾、低气压、振动等，因此发电机绝缘系统的环境可靠性评定需要根据使用环境进行评定项目的选择。风力发电一般分为陆地风电和海上风电。

依据使用条件，陆地风电用风力发电机绝缘系统的环境可靠性评定一般需进行的检测项目包括温度变化试验、沙尘试验、霉菌试验等；海上风电用风力发电机绝缘系统的环境可靠性评定一般需进行的检测项目包括温度变化试验、湿热试验、盐雾试验、霉菌试验等[12]。

环境适应性试验结束后需对试样进行电气性能诊断，具体项目可根据实际情况进行选择。根据实际情况和标准要求，目前行业内使用较多的试验参数如表6所示[13-17]。

表6 环境可靠性试验参数

标准GB/T 37079—2018[18]中提到逆幂律模型。该模型既适用于恒温条件下的机械疲劳循环，也适用于由温度循环引起的机械应力产生的疲劳。恒温机械疲劳模型为

(7)

式中：FA为加速因子；下标u和t分别表示使用和试验；Δεt为试验疲劳，Δεu为正常使用疲劳，二者均由弯曲产生的位移、拉紧产生的延伸或者其他机械疲劳决定；B为与材料相关的系数。

温度循环疲劳模型为

(8)

式中：ΔTt为温度循环试验温差；ΔTu为正常使用中的温差。

以上模型仅可对绝缘结构单个环境应力耐受力进行评定，不能同时评定多个环境应力耐受力，因此无法对绝缘系统进行环境可靠性寿命评定。目前，评定绝缘结构环境可靠性时需要与已有运行经验的系统进行对比，得到变更系统或新系统的评定结果。一般情况下，对所选试验项目进行周期循环性试验，通过对比绝缘系统的电性能诊断结果，达到评定目的。

5 风力发电机绝缘系统可靠性评定的方案及实施

5.1 可靠性评定方案

根据使用特性，风力发电机绝缘系统的可靠性评定需包含3部分：热寿命评定、电压耐久性评定、环境可靠性评定。

待评绝缘系统的预估温度等级为180 ℃，额定电压为1 kV，电压峰-峰值Up-p=3 kV。

5.2 热寿命评定-三点热老化

5.2.1 试验设备和试验方法

本次试验所用设备包括热老化试验箱、机械振动试验台、潮湿试验箱以及交流耐压设备等。

本次试验依据GB/T 17948.3—2017进行长期耐热性评定，根据预估温度等级和推荐试验温度、分周期，选择在以下3个温度和分周期下进行热老化试验：205 ℃，35天；225 ℃，10天；245 ℃，3天。每个温度下试验5根完整的线圈。

振动和潮湿诊断试验依据标准进行，电性能诊断试验选择匝间冲击和对地耐压试验。匝间冲击耐压试验电压为0.65(4UN+5 kV)，持续5次；对地耐压试验施加的电压为2UN，持续1 min。

5.2.2 试验结果

分别在3个温度点下进行热老化试验，每个温度点的试样数量为5个。

失效时间确认过程如下。

各温度点进行分周期(τ)诊断试验：0=τ0<τ1<τ2<…<τl。

在某温度应力水平下进行寿命试验，时间到τj时(0

(9)

式中：tj-1未失效热老化周期的总累计时间；tj-tj-1为失效周期的时间。

各温度下的试验结果如表7所示。

表7 热老化试验结果

上述失效时间确认方法为可靠性领域常用方法。耐热性评定标准中失效时间计算依据为，每个试样热寿命为未失效热老化周期的总累计时间与失效周期的一半时间之和。

根据热老化试验结果，利用阿伦尼乌斯原理对试验温度和热寿命进行拟合，即可得到表8所示分析结果。试样热寿命曲线如图3所示。

表8 分析结果

图3 热寿命曲线

5.3 电压耐久性评定-重复脉冲电压

5.3.1 试验设备和试验方法

工频耐压设备：输入电压220 V，输入电流22.7 A，额定容量5 kVA，输出电压25 kV，输出电流100 mA。

高频脉冲绝缘结构测试仪：最高试验电压峰-峰值20 kV；脉冲频率1 kHz；上升时间(1)≤100 ns(负载总容量≤500 pF)，(2)≤200 ns(负载总容量≤1 500 pF)，(3)≤300 ns(负载总容量≤2 500 pF)；脉冲占空比50%，脉冲波形为方波，脉冲极性双极性。

依据标准GB/T 22566—2017[10]分别选择在2Up-p、4Up-p、6Up-p下进行重复脉冲耐久性试验，试验频率为1 kHz。先进行耐压诊断试验，通过后在选定电压下进行老化试验，直至试样击穿失效，记录累计电老化寿命。

5.3.2 试验结果及分析

重复脉冲电老化试验结果如表9所示。

表9 电老化试验结果

绝缘系统在对应电压下90%置信界限下的特征电寿命分析图如图4所示。

图4 特征电寿命分析图

对以上电老化试验结果进行线性回归分析，得到绝缘结构的电寿命方程，计算电压峰-峰值下的电寿命，分析结果如表10所示。绘出电寿命曲线图，如图5所示。

表10 电寿命方程及电寿命

图5 电寿命曲线图

5.4 环境可靠性评定

根据风电发电机实际使用环境调研以及其使用情况，选择环境可靠性评定项目及参数。海上风电发电机绝缘系统的环境可靠性评定内容主要包括温度变化试验、振动试验、盐雾试验、沙尘试验等。具体试验参数和流程如图6所示。

图6 环境可靠性评定流程

环境可靠性评定目前尚未有成熟的模型用于寿命计算，因此主要是与已有一定运行经验的系统进行对比评价，确认新型系统的环境可靠性。

6 结 语

风力发电机是发电机组的重要组成部分，其绝缘系统的可靠性对于整个风电机组的可靠性具有重要意义。目前常用的可靠性评定包括长期耐热性、电应力耐久性以及环境可靠性。

长期耐热性的评定主要依据原理为阿伦尼乌斯方程，根据评定结果可以得到绝缘系统的热寿命方程，推算出使用温度下的热寿命。具体评定方法主要包括常规方法和快速方法。其中前者评定周期较长，资源消耗较大，但准确性较高，国内国际认可度高；后者评定周期短，但准确度较低，国际认可度较低，只能作为初步筛选的方法。

电压耐久性的评定主要依据电压寿命与电压幅值的倒幂定律，根据评定结果可以得到绝缘系统的电寿命方程，推算额定电应力下的电寿命。主要包括工频电压耐久性评定和重复脉冲电压耐久性评定。工频耐久性评定结果一致性较好，但评定的电应力和绝缘结构实际承受的脉冲电应力有一定区别。重复脉冲电压耐久性评定模拟绝缘结构实际承受的脉冲应力，但目前设备制造技术不稳定，设备偏差容易引起一定的结果误差。

环境可靠性评定目前没有成熟的理论依据，因此一般通过与已有运行经验的系统进行对比，对变更系统或新系统进行评定，评定项目和参数需根据实际使用情况进行选择。