孫福春 王安東 王繼豪 韓英喆 劉驥

摘 要：為探究環(huán)境濕度對發(fā)電機(jī)主絕緣介電特性的影響，同時(shí)消除溫度對介電譜測試的影響，本文制備不同老化狀態(tài)絕緣試樣，進(jìn)行受潮試驗(yàn)和變溫介電譜測試。研究結(jié)果表明：介損積分譜對絕緣受潮狀態(tài)十分敏感，可以穩(wěn)定表征絕緣受潮狀態(tài);引入頻溫平移因子，構(gòu)造不同老化狀態(tài)試樣的介質(zhì)損耗頻域譜主曲線，消除溫度對測試的影響，同時(shí)驗(yàn)證了頻溫平移理論在不同老化狀態(tài)下的普適性;通過計(jì)算活化能證實(shí)主曲線的可靠性。

關(guān)鍵詞：頻域介電譜;特征參量;介電損耗因數(shù)積分譜;環(huán)氧云母復(fù)合絕緣;定子線棒

DOI：10.15938/j.jhust.2021.03.002

中圖分類號： TM58

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2021）03-0013-06

Evaluation of Frequency Domain Dielectric Spectroscopy

of Generator Statorbar Insulation

SUN Fu-chun1， WANG An-dong1， WANG Ji-hao1， HAN Ying-zhe2， LIU Ji2

（1.Electric Power Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250002，China;

2.Key Laboratory of Engineering Dielectrics and Its Application Ministry Education， Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

Abstract：In order to investigate the influence of ambient humidity on the dielectric characteristics of the main insulation of the generator， and eliminate the influence of temperature on the dielectric spectrum test， insulation samples with different aging states were prepared in this paper， and subjected to moisture test and temperature-varying dielectric spectrum test. The research results show that the dielectric loss integral spectrum is very sensitive to the damp state of insulation， and can stably characterize the damp state of insulation. Introducing the frequency temperature shift factor and constructing the main curve can eliminate the influence of temperature on the test. At the same time， the universality of the theory of frequency temperature translation in different aging states is verified， confirming the reliability of the master curve by calculating the sample activation energy.

Keywords：frequency domain dielectric spectrum; characteristic parameters; dielectric loss factor integral spectrum; epoxy mica composite insulation; stator bar

0 引 言

定子線棒作為發(fā)電機(jī)核心部件，其運(yùn)行安全性一直受到眾多學(xué)者專家的高度關(guān)注[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由定子線棒主絕緣劣化導(dǎo)致的安全問題占發(fā)電機(jī)故障的一半以上[2-3]。目前國內(nèi)多膠桐馬酸酐F級主絕緣技術(shù)已具有較高的成熟度，并被國內(nèi)外電機(jī)行業(yè)認(rèn)可。5440-1型桐馬酸酐環(huán)氧粉云母帶具有良好的柔軟性，因介電性能強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于大、中型發(fā)電機(jī)定子主絕緣[4]。由于定子線棒絕緣采用固體絕緣介質(zhì)，工作環(huán)境不封閉，與外界空氣相互連通，復(fù)合絕緣材料中作為膠粘劑的環(huán)氧樹脂基團(tuán)具有強(qiáng)極性會(huì)吸附空氣中的水分子，引發(fā)絕緣受潮[5]。

近年來，以介質(zhì)響應(yīng)理論為基礎(chǔ)的回復(fù)電壓法、極化去極化電流法和頻域介電譜法，因無損檢測、攜帶絕緣信息豐富等優(yōu)點(diǎn)得到眾多國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。相比其他兩種方法，頻域介電譜法具有測試頻帶寬、測試電壓低等優(yōu)點(diǎn)，在高壓設(shè)備絕緣檢測中得到更多關(guān)注[6-9]。該方法可以實(shí)現(xiàn)在不破壞絕緣材料的前提下分析環(huán)氧樹脂復(fù)合絕緣的受潮狀態(tài)，為準(zhǔn)確評估電機(jī)定子絕緣性能及受潮情況提供可靠依據(jù)，近年來在國內(nèi)外學(xué)者中得到越來越高的關(guān)注度。

目前，國內(nèi)外應(yīng)用頻域介電譜法檢測定子主絕緣狀態(tài)的相關(guān)研究還比較少。文[10]簡要分析了水分含量對定子絕緣復(fù)介電常數(shù)實(shí)部、虛部和介質(zhì)損耗因數(shù)的影響;西南交通大學(xué)探究了溫度對定子主絕緣頻域介電譜特性的影響，基于Cole-Cole和德拜模型提取介電特征量與測試溫度建立聯(lián)系 [11-12];文[13]對老化后的定子線棒進(jìn)行變溫測試，建立幾何電容、復(fù)介電常數(shù)實(shí)部、介損與測試溫度的擬合關(guān)系，在特定頻率點(diǎn)消除了溫度對測試的影響。這些研究雖然大大推動(dòng)了頻域介電譜在定子絕緣特性方面的研究進(jìn)展，但仍面臨一些問題[14-16]。首先，雖然頻域介電譜曲線對定子主絕緣受潮狀態(tài)反映敏感，但曲線攜帶介電信息比較少，曲線畸變會(huì)影響絕緣受潮狀態(tài)的判斷，其次，如何更好的消除溫度對頻域譜測試帶來的影響，這些問題亟需解決[17-19]。

為解決上述問題，本文制備若干不同老化狀態(tài)定子主絕緣試樣，通過受潮試驗(yàn)探究環(huán)境濕度對絕緣試樣介質(zhì)損耗因數(shù)曲線的影響，通過變溫測試探究溫度對介質(zhì)損耗因數(shù)曲線的影響。選擇攜帶介電信息更豐富、穩(wěn)定性更好的介質(zhì)損耗積分譜反映絕緣受潮狀態(tài)。同時(shí)，引入頻溫平移因子，構(gòu)建溫度主曲線，通過Arrhenius方程計(jì)算試樣活化能，驗(yàn)證曲線可靠性。建立頻溫平移因子與測試溫度的擬合曲線，修正90℃以下的頻溫平移因子，使其在多種老化狀態(tài)下具有普遍適用性。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試樣制備

本文選用厚度0.15mm的5440-1桐馬酸酐環(huán)氧粉云母帶，參照GB/T5019.8-2009粘合云母帶試樣制作方式制備10個(gè)層壓板試樣：均分為A-E五組，組內(nèi)編號1、2，分別在210℃環(huán)境下進(jìn)行5d、10d、15d、20d、25d的加速熱老化試驗(yàn)。

老化后每組1號試樣進(jìn)行變溫介電譜測試，由于發(fā)電機(jī)定子最高允許運(yùn)行溫度為120℃，本文選擇30、60、90℃和120℃作為測試溫度。

將每組2號試樣置于30℃恒濕環(huán)境中靜置受潮3d，取出試樣進(jìn)行頻域介電譜測試，測試溫度30℃，測試結(jié)束后在75℃環(huán)境中烘干30h，進(jìn)行下一濕度受潮試驗(yàn)，試驗(yàn)濕度選擇10%RH、40%RH、70%RH和100%RH。

1.2 頻域介電譜測試

頻域介電譜法以介電響應(yīng)理論為基礎(chǔ)，在不同頻域范圍內(nèi)研究介質(zhì)極化理論的檢測方法。介質(zhì)內(nèi)部電導(dǎo)與極化過程會(huì)引起能量損耗，tanδ反映了流經(jīng)電介質(zhì)有功功率損耗與無功功率損耗之比。

試驗(yàn)采用美國MEGGER公司生產(chǎn)的IDAX-300測試儀進(jìn)行頻域介電譜測試，測試電壓有效值為140V，測試頻率范圍為10-3～104Hz，測試原理圖如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

2.1 環(huán)境濕度對介質(zhì)損耗因數(shù)的影響

為探究環(huán)境濕度對介電損耗因數(shù)曲線影響規(guī)律，考慮篇幅問題，本文只給出老化5d試樣受潮的介質(zhì)損耗因數(shù)曲線，如圖2所示。

在測試頻率范圍內(nèi)，介質(zhì)損耗因數(shù)曲線隨著頻率的增加呈下降的趨勢。當(dāng)頻率較低時(shí)，由于偶極子轉(zhuǎn)向極化、界面極化等松弛極化充分建立，極化損耗較低，因此介質(zhì)損耗以電導(dǎo)損耗為主。隨著頻率不斷增大，電導(dǎo)損耗以指數(shù)的形式迅速下降，雖然外加電場變化速率加快，導(dǎo)致松弛極化難以建立，帶來更多的極化損耗，但電導(dǎo)損耗的下降速率更快，介質(zhì)損耗因數(shù)曲線呈下降趨勢。

介質(zhì)損耗因數(shù)曲線隨環(huán)境濕度增大整體上移。是因?yàn)樵嚇觾?nèi)部的水分含量隨環(huán)境濕度增大不斷升高，介質(zhì)內(nèi)部載流子增多，電導(dǎo)損耗升高。

2.2 環(huán)境濕度對介質(zhì)損耗因數(shù)積分值的影響

介質(zhì)損耗因數(shù)積分值可以反映特定頻域段內(nèi)的介損因數(shù)累積值，與單純一個(gè)頻率下的介質(zhì)損耗因數(shù)相比，介質(zhì)損耗因數(shù)積分值攜帶介電信息更豐富，同時(shí)還可消除曲線畸變的影響，更具穩(wěn)定性。因此，利用該積分值表征環(huán)氧云母復(fù)合絕緣具有有效性。定義介質(zhì)損耗因數(shù)的積分值為Itanδ，對圖2的介質(zhì)損耗因數(shù)曲線求積分，取對數(shù)坐標(biāo)，所得介質(zhì)損耗因數(shù)積分譜如圖3所示。

由圖3可知，介質(zhì)損耗因數(shù)積分值在高頻迅速增大在中低頻趨于穩(wěn)定。積分值是介質(zhì)損耗和頻率差的乘積，在高頻段介質(zhì)損耗因數(shù)較低，雖然頻率差比較大，介質(zhì)損耗因數(shù)積分值仍比較小。當(dāng)頻率逐漸降低至110Hz時(shí)，介質(zhì)極化時(shí)間變長，介質(zhì)損耗升高，雖然頻率差變小，但是介質(zhì)損耗的積分仍升高，當(dāng)頻率小于110Hz時(shí)，頻率差與介質(zhì)損耗因數(shù)的乘積基本達(dá)到穩(wěn)定。介質(zhì)損耗因數(shù)積分值在同一頻率點(diǎn)下，隨著環(huán)境濕度增大而增大，對環(huán)境濕度十分敏感，因此可以使用更具穩(wěn)定性的介損積分值表征絕緣受潮狀態(tài)。

2.3 溫度對介質(zhì)損耗因數(shù)的影響

由于篇幅限制，只給出老化15d不同測試溫度試樣的介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ頻域譜如圖4。可以發(fā)現(xiàn)，介質(zhì)損耗因數(shù)隨溫度升高顯著增大，同時(shí)，曲線整體隨著溫度升高向高頻方向平移，主要原因是溫度升高，介質(zhì)內(nèi)分子活性得到加強(qiáng)，松弛極化建立時(shí)間變短，松弛損耗變大。

2.4 構(gòu)建頻溫平移主曲線

國內(nèi)學(xué)者王兵等提出通過頻溫平移理論消除溫度對定子主絕緣介電測試的影響，但并未驗(yàn)證該方法的可靠性[11]，文[19]引入頻溫疊加理論構(gòu)造不同溫度下、某一老化狀態(tài)試樣的復(fù)電容實(shí)部和虛部標(biāo)準(zhǔn)主曲線，遺憾的是，上述研究既沒有證明頻溫平移理論應(yīng)用在tanδ頻域譜上的可靠性，也未提及該方法對不同老化程度的絕緣樣品是否仍然有效。為了驗(yàn)證該方法的在tanδ頻域譜上的有效性和可靠性，從而更好的將頻域介電譜技術(shù)應(yīng)用于定子主絕緣狀態(tài)評估。

本文根據(jù)A.K.Jinscher的普適弛豫理論，引入頻溫平移因子

αT=fTfref（1）

式中：fT為溫度T時(shí)平移前介質(zhì)損耗因子頻域譜對應(yīng)的頻率;fref為平移到主曲線溫度點(diǎn)時(shí)介質(zhì)損耗因子頻域譜對應(yīng)的頻率。選取30℃為目標(biāo)溫度，設(shè)30℃主曲線對應(yīng)的平移因子為1，根據(jù)變溫介電譜測試結(jié)果，計(jì)算得到的4種絕緣狀態(tài)試樣在不同溫度下的αT，如表1所示。

根據(jù)表1對構(gòu)造不同絕緣狀態(tài)試樣介質(zhì)損耗因數(shù)頻域介電譜主曲線，如圖5?？梢钥吹?，主曲線的頻率范圍由10-3～104Hz最高擴(kuò)展到10-7～104Hz，借助頻溫平移因子可以獲得介質(zhì)損耗因數(shù)頻域譜更低頻的信息。

通過頻溫平移理論，可獲得不同溫度、不同老化狀態(tài)下的平移因子αT，將不同老化狀態(tài)試樣在不同測試溫度的頻域介電譜推算至目標(biāo)溫度下，驗(yàn)證了該方法的普適性。為驗(yàn)證其可靠性，引入Arrhenius方程進(jìn)行驗(yàn)證：

αT=eEαR1Tref-1T（2）

方程兩邊求對數(shù)得

lnαT=EαR1Tref-1T（3）

式中：Eα為絕緣試樣的活化能，kJ/mol;R為理想氣體常數(shù)，R=8.314kJ/mol;T為測試溫度，K;Tref為所需平移的標(biāo)準(zhǔn)測試溫度，K。由式3可知，lnαT與1Tref-1T之間呈線性相關(guān)關(guān)系，斜率為活化能Eα與理想氣體常數(shù)的比值，由此可計(jì)算試樣活化能Eα。求解不同老化狀態(tài)試樣的活化能，如表2所示。

文[20]依據(jù)動(dòng)態(tài)力學(xué)曲線計(jì)算不同老化狀態(tài)的發(fā)電機(jī)主絕緣活化能范圍在50-120kJ/mol，表2計(jì)算得到的絕緣試樣活化能均在此范圍內(nèi)，結(jié)論具有一致性。通過頻溫平移因子構(gòu)造主曲線，消除溫度對不同老化狀態(tài)試樣介質(zhì)損耗因數(shù)曲線的影響，這一方法具有可靠性。

需要指出的是，考慮到儀器本身的測試精度，介質(zhì)損耗因數(shù)平移主曲線不能達(dá)到100%重合度，特別是高頻段重合率稍低。但是這并不會(huì)影響頻域譜評估定子主絕緣的絕緣狀態(tài)。同時(shí)頻溫平移理論的應(yīng)用可以消除溫度對頻域譜測試的影響，為現(xiàn)場評估定子主絕緣狀態(tài)奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié) 論

本文研究了環(huán)氧云母復(fù)合絕緣的介電響應(yīng)特性參數(shù)隨環(huán)境濕度變化的規(guī)律，同時(shí)引入頻溫平移因子消除溫度對測試的影響，得出以下主要結(jié)論：

1）深入分析環(huán)境濕度對介質(zhì)損耗因數(shù)頻域譜和積分譜的影響，提出對定子絕緣受潮狀態(tài)更敏感，攜帶介電信息更豐富，更具穩(wěn)定性的介損積分譜反映定子主絕緣受潮狀態(tài)。

2）深入探究測試溫度對介質(zhì)損耗因數(shù)頻域譜特性的影響。為更好消除溫度的影響，引入頻溫平移因子構(gòu)建目標(biāo)溫度下不同老化狀態(tài)試樣的介質(zhì)損耗因數(shù)頻域譜主曲線，驗(yàn)證了頻溫平移理論的普適性?；贏rrhenius方程計(jì)算不同老化狀態(tài)試樣的活化能，對頻溫平移因子構(gòu)造主曲線的可靠性進(jìn)行證實(shí)。

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（編輯：王 萍）