大型電機定子線棒主絕緣老化性能的介電響應研究現狀

付 強，單志鐸，陳慶國

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大型電機定子線棒主絕緣老化性能的介電響應研究現狀

付 強1,2，單志鐸3，陳慶國3

（1. 水力發電設備國家重點實驗室(哈爾濱大電機研究所)，哈爾濱 150040；2. 國家水力發電設備工程技術研究中心，哈爾濱 150040；3. 電介質工程國家重點實驗室培育基地(哈爾濱理工大學)，哈爾濱 150080）

介電響應法（Dielectric Response Method，DRM）是一種近年蓬勃發展的絕緣體系無損檢測技術，對確定發電設備絕緣體系老化狀態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）等介電響應法研究電機絕緣老化狀態已經成為熱點方向。國內外學者利用介電響應法研究絕緣老化狀態取得了較好的成果，為建立絕緣老化狀態的介電響應無損檢測方法、指導電力系統機組評估診斷絕緣老化狀態奠定了理論基礎。為提高我國制造業創新能力，掌握無損檢測大型電機定子絕緣缺陷關鍵技術，國內需要在此方面深入開展研究工作。

發電機；絕緣老化狀態；介電響應法；極化/去極化電流法；頻域譜；熱刺激去極化電流

0 前言

大型發電機組是經濟發展的基礎，其安全可靠對于經濟的穩定發展至關重要。發電機的嚴重事故不但會導致自身的損壞，還會中斷電力供應，給社會造成巨大的經濟損失。現階段我國許多大型電機由于運行了二、三十年以上的時間，絕緣老化問題日趨嚴重，容易出現停機事故，是威脅電網安全的重大隱患。瑞士豐羅公司Brutsch R[1]在其文章中提到，在水輪發電機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組定子線棒絕緣老化狀態是十分重要的，可以提前了解絕緣老化狀態，做好預防措施，避免突發事故出現造成巨大的經濟損失。

擊穿電壓特征參量是衡量電力設備絕緣性能優劣唯一可靠的標準，但由于擊穿電壓是破壞性參量，不能用來衡量運行中的設備絕緣狀態。其它傳統的電氣測量方法，如局部放電、泄漏電流、工頻下的介質損耗、持續10min的絕緣電阻，提供的絕緣信息單一，并且測量結果容易受到外界因素的干擾，只能作為絕緣狀態評估的參考指標[2]。實際上絕緣老化過程中，介電響應參數會在某個特定的頻率范圍變化[3, 4]，可為深入研究絕緣老化狀態提供豐富的信息。因此，介電響應法近幾年逐漸成為電機絕緣無損診斷的有效方法，國內外學者[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域會發生改變，測量擴展到較寬的頻率域或時域內，可以得到更多的信息去判斷機組絕緣系統的實際狀況[11, 12]。

1 國內外研究現狀及發展動態分析

1.1 FDS法分析定子線圈/線棒絕緣狀態

劉驥[13]研究結果表明，可以通過改變交流測試激勵頻率測得復電容實部、虛部等曲線的不同頻率區間包含絕緣的電導率、極化損耗等信息，確定了各段與絕緣系統狀態的關系，但是文章中沒有深入研究不同運行年限電機絕緣的老化狀態與介電響應參數的關系。劉驥等[6]采用頻域介電譜（Frequency Domain Dielectric Spectroscopy，FDS）研究了電機線棒環氧/云母絕緣固化工藝條件對大型發電機絕緣質量影響的機理。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，建立了四種一維分布數據模型，但是這四種模型都不盡人意，需要進一步進行完善。YIN Xiaobing等[14]研究了濕度對電機環氧云母絕緣FDS試驗的影響，結果表明界面極化弛豫時間常數1與濕度呈線性指數關系，這種關系可以評估濕度對FDS檢測結果的影響。斯里蘭卡Fernando M等[15]利用FDS分別對運行幾十年的瀝青絕緣體系和環氧粉云母絕緣體系的定子線棒進行無損檢測，利用Davidson-Cole模型擬合不同老化時間FDS參數，但是沒有建立其間的相關性。法國E. Obame等[16]制作了帶有人工缺陷的7種電動機試驗線圈，發現1kHz時各種線圈的電容值均具有各自的數值，可以作為可靠的鑒別缺陷類別的標準。

哈爾濱大電機研究所聯合哈爾濱理工大學首次利用頻域介電譜研究大型電機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了老化前后試樣微觀結構變化；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[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。顯然這只是初步分析了大型電機定子線棒絕緣耐鹽霧濕熱老化狀態的介電響應變化，沒有進一步分析電老化時絕緣材料的介電響應變化，但是這項研究工作開辟了國內應用介電響應法分析大型機組定子線棒絕緣狀態的先例。另外，介電響應法在檢測定子線棒絕緣制造缺陷方面[6, 17]，例如檢測絕緣未完全固化的缺陷，已經成為很有效果的方法，預計今后能常規應用于監測線棒絕緣制造工藝方面。

陳慶國、付強等[18]利用FDS方法初步研究了電老化對電機VPI（Vacuum Pressure Impregnating，真空壓力浸漬）絕緣體系的介電性能的影響規律。結果表明電老化使VPI絕緣材料介電性能下降，其中環氧膠所受影響最為明顯，粘接性能下降，在絕緣結構中形成更多介質分界面，同時使絕緣材料中極性分子活性增強，加劇了界面極化與轉向極化，使介損及介電常數隨電老化時間延長而增大。但是多膠模壓絕緣體系與VPI少膠絕緣體系材料有區別，多膠絕緣材料老化對絕緣體系的介電性能影響需要進行深入研究。何景彥[8]利用介電譜評估了變頻牽引電機匝間聚酰亞胺絕緣老化特征。德國Farahani M等[19]利用小型電機（U=10kV）的VPI絕緣線棒進行介電響應法分析絕緣老化狀態，研究結果表明介損信號的差別可以作為診斷電機絕緣吸潮和老化的一個重要依據。張征平、吳廣寧與王兵等[20-22]對大型發電機20 kV定子線棒絕緣進行頻域介電譜研究，分析了溫度和水分對介損、復介電常數及復電容的影響。張征平等[23]研究了溫度對發電機環氧云母絕緣頻域介電譜特性的影響，結果表明應用介電響應法評估環氧云母絕緣老化狀態時，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構變化

圖2 不同老化時間下多膠模壓絕緣材料的介質損耗因數tanδ

圖3 不同老化時間下多膠模壓絕緣材料的電導率σv

1.2 PDC法分析定子線圈/線棒絕緣狀態

加拿大Lamarre L等學者[24]于2006年在利用極化/去極化電流法（Polarization and Depolarization Current，PDC）測試13.8kV定子線棒環氧云母絕緣性能時，發現測試結果與IEEE（IEEE Std 43-2000）標準計算的絕緣電阻修正系數有偏差，提出了更正修正系數的建議。奧地利Sumereder C.等[25]研究兩種絕緣體系(多膠絕緣體系和VPI絕緣體系)的PDC性能，發現兩種絕緣體系的去極化電流有區別，因此每種絕緣體系應該分開評估。加拿大David E等[4]在小型交流電機定子線圈加速電熱老化試驗中，使用了介電響應測試技術分析老化線圈和未老化線圈的絕緣狀態。

加拿大Stone G C等[26]研究表明PDC除了檢測臟污和吸潮的絕緣問題外，還能檢測防暈層問題，但是還需要更多試驗去驗證PDC的作用。加拿大David E.等[27]利用PDC評估帶有防暈層的環氧云母絕緣體系的質量，研究表明防暈層對低電壓（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法診斷高壓電動機繞組絕緣缺陷時，新西蘭Bhumiwat S A[29]發現VPI電動機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.認為根據在線無損介電響應技術（時域介電譜、頻域介電譜）能及早檢測出絕緣缺陷信息。隨后Bhumiwat S A[30]利用介電響應法分別分析了小型電動機在幾種繞組狀態下（新絕緣狀態、潮濕狀態、熱老化狀態、導電性污染物等）絕緣的PDC譜圖的變化。PDC檢測結果不但能反映絕緣材料極化和電導引起的問題，而且還能區分特殊的狀況如熱老化或導電性污染物引起的問題。但是Bhumiwat S A.沒有進一步擴展研究定子絕緣老化過程與介電響應的關聯性。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電雜質或吸潮）會引起絕緣吸收比及極化指數降低，但是對PDC的介電參數影響不大，而PDC檢測結果可以評估主絕緣的固化不完全、老化等弊病對絕緣狀態的影響。

1.3 TSDC法分析定子線圈/線棒絕緣狀態

TSDC（Thermally Stimulated Depolarization Current，TSDC）法是研究絕緣材料內部陷阱參數、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]檢測了納米復合絕緣材料TSDC譜圖，分析了不同納米含量的絕緣材料的陷阱能級、陷阱密度、陷阱深度等微觀特性。李聰[10]利用TSDC法檢測復合絕緣材料老化過程中的陷阱密度及陷阱能級的變化，開辟了診斷及評價復合絕緣子老化程度的新方向。法國Castellon J等[34]在小型交流電機定子繞組熱老化（150℃/219h）、電熱老化（150℃/500V/23h）試驗后，利用TSDC法檢測絕緣中空間電荷、陷阱能級，為進一步研究交流電機定子絕緣使用壽命奠定了基礎。

瑞士Zaengl W S[35]研究指出單一頻域或時域分析都不能獲得全面的絕緣介電特征，介電譜分析的關鍵在于得到介電響應函數的表達式，才可以獲得絕緣的真實狀況。新西蘭Bhumiwat S A[36]將極化去極化電流、介質損耗因數、電容比（所有頻率的電容值與50Hz電容值的比）三種介電相應方法結合在一起，初步探討分析了絕緣熱劣化、絕緣磨損等問題，但是對于絕緣老化問題沒有進行深入研究。王兵[37]將傳統老化特征電參量（絕緣電阻、吸收比、介質損耗測試、局部放電試驗）與介電譜特性關聯，開展汽輪發電機定子線棒主絕緣老化程度研究工作，但是在Debye模型參數變化對頻域譜參數的影響方面沒有進一步研究。

2 發展趨勢及應用前景

定子繞組使用壽命受到電老化、熱老化、機械振動、環境等因素影響，其中電老化是主要的因素，這幾項因素都考慮將是十分復雜的科研項目。因此針對上述應用介電響應技術評估電機絕緣狀態中存在尚未解決的問題及有待進一步深入研究的問題。哈電將在近年來研究工作的基礎上，綜合利用多種介電響應測量技術深入開展基礎研究工作，對電機絕緣老化狀態進行評估，力爭從根本上解決老化過程中介電響應特征參量與老化狀態的關系及介電響應特征參量與線棒絕緣剩余壽命定量關系的問題。

無論是發電設備制造企業還是發電企業，都亟待高效的無損介電響應技術的應用。對于該技術的研究，不僅需要有一定的電氣測試、電介質理論知識、復合材料結構及性能分析的基礎知識，更為重要的是要求有扎實的處理大型電機故障的基礎知識，具有一定的挑戰性。目前介電響應分析技術距實際應用的距離還很遠，亟待有效地利用電介質理論、電氣測試理論、復合材料結構分析理論，開發可用于診斷大型電機定子絕緣老化狀態的介電響應技術，并對絕緣材料老化狀態進行量化的研究。這不僅有利于分析定子線棒絕緣制作質量，為更有效地分析絕緣老化狀態提供必要的理論指導，同時也為解決介電響應無損檢測分析絕緣老化狀態的關鍵科學問題作出貢獻，提高我國制造業創新能力，為我國掌握無損檢測大型電機定子絕緣缺陷關鍵核心技術奠定基礎，力爭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] 貢春艷. 極化去極化電流法和回復電壓法融合的油紙絕緣老化狀態評估[D]. 重慶大學, 2013.

[3] 湯明杰,等. 采用向量匹配法的油紙絕緣系統擴展Debye模型參數識別[J]. 高電壓技術, 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] 劉驥, 李秀婧. 環氧-云母復合絕緣固化過程介電響應特性[J]. 電機與控制學報, 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] 何景彥. 基于介電譜的變頻牽引電機匝間絕緣老化研究[D]. 成都, 西南交通大學, 2008.

[9] 付強孔繁榮陳慶國. 桐馬環氧玻璃絲粉云母絕緣材料的耐鹽霧濕熱老化特性[J]. 復合材料學報, 2014, 31(3):851-858.

[10] 李聰. 復合絕緣子熱刺激電流測量的實現與應用[D]. 北京, 華北電力大學, 2013.

[11] 張征平, 郝長金,等. 大型汽輪發電機主絕緣的頻域介電響應研究[J]. 大電機技術, 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] 劉驥. 基于PDC分析的時頻混合絕緣診斷方法研究[D]. 哈爾濱理工大學, 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] 陳慶國, 單志鐸, 付強,等. 基于FDS的電機線棒環氧云母絕緣電老化特性[J]. 復合材料學報, 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] 張征平, 王兵, 涂小濤,等. 溫度對汽輪發電機主絕緣頻域介電譜特性的影響分析[J]. 絕緣材料, 2016, 49(4):55-60, 68.

[21] 張征平, 尹小兵, 涂小濤, 等. 水分對大型汽輪發電機定子線棒主絕緣FDS測試的影響研究[J]. 絕緣材料, 2016, 49(6):45-50.

[22] 王兵,等. 溫度和水分對大型發電機主絕緣FDS特性影響的試驗研究[J]. 電網技術, 2016, 40(2): 626-633.

[23] 張征平, 郝長金, 涂小濤,等. 大型發電機主絕緣的 Cole-Cole 模型頻域介電溫度特性研究[J]. 電工電能新技術, 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, 陳培基. 云母紙中的載流子及其某些電性能[J]. 電子元件與材料, 1987, 6(3):18-22.

[33] 張豪. PE-MMT納米復合材料空間電荷行為的研究[D]. 哈爾濱, 哈爾濱理工大學, 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. 汽輪發電機主絕緣多因子老化的介電響應特性研究[D]. 成都, 西南交通大學, 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

A

1000-3983(2018)01-0010-05

2017-07-22

付強（1968-），2008年畢業于哈爾濱工業大學，博士，主要從事電機絕緣技術、絕緣檢測和防電暈技術方面的研究工作，教授級高工，碩導。

水力發電設備國家重點實驗室基金資助項目（820-03-1705）