風力發電機絕緣系統可靠性評定方法探討

李園園

[1.上海電器科學研究所(集團)有限公司，上海 200063；2.上海電器設備檢測所有限公司，上海 201401]

0 引 言

風力發電是可再生能源領域中較成熟且具規模開發條件和商業化發展前景的發電方式之一，可利用的風能在全球范圍內分布廣泛、儲量巨大。隨著全球能源形勢趨緊及風電相關技術不斷成熟、設備不斷升級，加之保護和改善環境的需要，風力發電行業高速發展，近幾年風力發電機的制造呈現大規模發展之勢。隨著風力發電的快速發展，對風電機組系統的可靠性也提出了更高的要求。風力發電機是發電機組的重要組成部分，發電機絕緣系統的可靠性對整個風電機組的可靠性具有重要意義。絕緣系統作為發電機的“心臟”，其性能可靠性直接影響整機的運行壽命，因此，近年來逐步引起各整機廠的重視[1-2]。

由于引入了變流器，風力發電機絕緣系統與普通發電機絕緣系統所承受的應力不同，如高頻脈沖電壓、局部放電等，而絕緣系統的耐高頻沖擊能力對風力發電機尤為重要。風力發電機絕緣系統與普通發電機絕緣系統所使用的環境不同，有高溫高濕、鹽霧等特殊條件，因此絕緣系統的環境可靠性對風力發電機也特別重要[3-5]。

本文根據風力發電機的運行工況，參考國內外現行標準，對風力發電機的絕緣系統可靠性評定方法進行了介紹與分析，便于整機生產商根據需求選擇合適的評定方法。

1 評定方法概述

風力發電機長期使用過程中會存在較高的溫升，因此絕緣系統需要有較高的長期耐熱性。對絕緣系統進行長期耐熱性評定，可以獲得絕緣系統的溫度指數和熱壽命曲線。整機生產商設計時可根據實際運行溫升和壽命需求，選擇合適的絕緣系統。

變流器產生的重復脈沖電壓對風力發電機絕緣系統產生電損傷，長時間的電應力作用下絕緣系統會發生電擊穿，達到壽命終點。對絕緣系統進行電應力耐久性評定，可以獲得其電壽命方程。整機生產商根據發電機運行中的脈沖電壓，可以推算絕緣系統的理論電壽命，為評估設計可靠性和運行可靠性提供一定依據。

風力發電機的運行環境條件較為復雜，包括高濕度、高溫差、重鹽霧和高污穢等，因此對絕緣系統的環境可靠性評估也至關重要。

2 長期耐熱性評定方法

2.1 理論依據

阿倫尼烏斯方程用以評定化學反應速率與溫度之間的關系。熱氧化分解過程可以用阿倫尼烏斯方程描述：

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

(1)

對數形式如下：

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

(2)

式中：k(T)為反應速率常數；Ead為活化能，單位為J/mol；T為溫度，單位為K；R為氣體常數，單位為J/(mol·K)；C、CA為常數。

絕緣系統熱壽命與熱力學溫度符合阿倫尼烏斯方程，可表示為回歸線方程：

lgτ=A+B/T

(3)

式中：τ為熱壽命；A為常數；B為系數。

式(3)表明lgτ與1/T呈線性關系。對絕緣系統進行不同溫度下的熱壽命評估，可以對評估結果進行阿倫尼烏斯坐標(lgτ-1/T)的線性回歸分析，得到評估系統的熱壽命方程，并在回歸線上求出20 000 h對應的溫度，得到溫度指數(Ti)或根據實際運行溫度推算長期運行壽命。絕緣系統的耐熱等級劃分如表1所示。

表1 絕緣系統耐熱等級[6]

2.2 評定方法介紹

2.2.1 常規方法(三點法)

散繞繞組風力發電機絕緣系統的熱老化評定標準依據GB/T 17948.1—2018[7]，一般選擇散繞模擬線圈作為試驗樣品，需要至少在3個溫度，每個溫度至少10個試樣條件下對絕緣系統進行熱壽命評定。

成型繞組風力發電機絕緣系統的熱老化評定標準依據GB/T 17948.3—2017[8]，選擇成型模擬線圈作為試驗樣品，需要至少在3個溫度，每個溫度至少5個試樣條件下對絕緣系統進行熱壽命評定。

根據評定結果對3組或以上老化溫度和老化壽命進行擬合，得到熱壽命方程，計算絕緣系統的溫度指數。具體評定流程如圖1所示。

圖1 散繞/成型繞組長期耐熱性評定流程

熱老化分周期的加熱方式一般選擇烘箱加熱，且使用強制通風的烘箱，通風可將老化期間絕緣附件可能的殘存分解物帶走。雖然烘箱具有明顯的缺點，但經驗表明烘箱可提供方便且經濟的熱老化途徑。烘箱法可使絕緣結構所有部分經受完整的老化溫度，而在實際運行時大部分絕緣在比熱點低很多的溫度下運行。如果適合，可采用非常接近模擬運行條件的更直接的方法：電流直接加熱、正/反轉試驗(電機試驗)等。

熱老化分周期推薦的老化溫度和相對應的曝露周期如表2所示。表2中的數值是按老化溫度每降低10 K壽命加倍得到的近似值。應選擇合適的老化溫度和分周期的曝露時間，保證最低試驗溫度不超過設計等級溫度的25 K，且應獲得約5 000 h或更長的平均試驗壽命，最高試驗溫度下應獲得至少100 h的平均試驗壽命。每個老化溫度的分周期長度的選擇依據是可以產生約10個周期的平均壽命。老化溫度應分別至少有20 K間隔，但如果采用的老化溫度點多于3個，溫度間隔可降低10 K。

表2 推薦的熱老化溫度和分周期時間

散繞繞組和成型繞組風力發電機絕緣系統的電性能診斷試驗電壓分別如表3和表4所示。

表3 散繞繞組風力發電機絕緣系統的電性能診斷試驗電壓 V

表4 成型繞組風力發電機絕緣系統的電性能診斷試驗電壓

2.2.2 快速評定法(單點法)

JB/T 1544—2015[9]介紹了電氣絕緣浸漬漆和漆布的快速評定方法。依據此標準可以通過熱重分析(TGA)方法和單點熱老化試驗進行溫度指數的快速評定。此方法目前在絕緣系統的熱評定上進行了擴展使用，可以對長期耐熱性進行粗略估計。

依據標準JB/T 1544—2015的方法，對絕緣材料粉末在3 K/min或5 K/min的升溫速率下，在常壓干燥空氣氣氛中進行TGA分析。從熱重曲線上，取失重5%～50%(間隔5%)所對應的10個溫度數值，按經驗公式計算表觀裂解活化能Ep：

(4)

式中：E0為常數，單位為J/mol；R為氣體常數，取值8.314 J/(K·mol)；C0為系數；Tn為對應每個W/Wa的溫度值，單位為℃；ΔW為試樣在Tn下的失重質量，單位為mg；Wa為試樣總質量，單位為mg；ΔW/Wa為失重比例。

熱壽命曲線斜率按下式計算：

(5)

通過TGA分析，可得到壽命方程lgτ=a+b/T的斜率，然后對絕緣材料進行常規老化評定中高溫點的熱老化試驗，根據高溫點老化試驗溫度和高溫點壽命，結合壽命方程斜率即可推斷出絕緣材料的壽命方程。

3 電應力耐久性評定

3.1 理論依據

依據GB/T 22566—2017[10]進行絕緣系統電老化試驗，確定待評結構的脈沖電壓與壽命間的關系。一般情況下，電壓壽命與電壓幅值的關系可通過倒冪定律表示：

L=kU-n

(6)

式中：L為在給定概率下的試樣失效沖擊次數；U為所施加的脈沖電壓；n為電壓老化系數(VEC)；k為常數。

在所選擇的電壓下，對每個試樣進行耐久性試驗，確定失效沖擊次數或失效時間。使用兩參數韋布爾函數處理失效次數或失效時間(完整試驗或截尾試驗)。估計每個試驗電壓水平下的形狀參數(中值、平均值或其他規定的百分數)，在雙對數或半對數坐標系上作圖，得到電壽命方程，并推算運行電壓下的長期使用壽命。

3.2 試驗方法

3.2.1 工頻電壓耐久性試驗

依據標準GB/T 17948.4—2016[11]進行工頻電壓耐久性評定。電應力耐久性評定流程如圖2所示，一般選擇至少3個電壓點，每個電壓點至少5個試樣進行試驗。

圖2 電應力耐久性試驗流程

電老化分周期試驗后進行診斷分周期試驗。診斷分周期試驗具體試驗項目和參數如表5所示，可根據實際情況進行診斷項目選擇。

表5 診斷試驗參數(工頻電老化)

在電老化分周期試驗和診斷試驗期間，試樣任何部分的失效構成了整個結構的失效。記錄失效試樣的電老化累計時間；其他試樣繼續進行試驗，直至全部失效。

3.2.2 重復脈沖電壓耐久性試驗

依據標準GB/T 22566—2017[10]進行重復脈沖電壓耐久性評定。試驗沖擊電壓上升時間要求0.04～1.00 μs，重復頻率不超過10 kHz，波形為方波或三角波。重復脈沖電應力耐久性評定流程如圖2所示，其中質量保證試驗和診斷試驗可根據需求進行試驗項目和試驗參數選擇，具體項目包括工頻耐壓、介電損耗和局部放電等。

4 環境可靠性評定

由于風力發電機運行工況復雜性，涉及溫度變化、鹽霧、低氣壓、振動等，因此發電機絕緣系統的環境可靠性評定需要根據使用環境進行評定項目的選擇。風力發電一般分為陸地風電和海上風電。

依據使用條件，陸地風電用風力發電機絕緣系統的環境可靠性評定一般需進行的檢測項目包括溫度變化試驗、沙塵試驗、霉菌試驗等；海上風電用風力發電機絕緣系統的環境可靠性評定一般需進行的檢測項目包括溫度變化試驗、濕熱試驗、鹽霧試驗、霉菌試驗等[12]。

環境適應性試驗結束后需對試樣進行電氣性能診斷，具體項目可根據實際情況進行選擇。根據實際情況和標準要求，目前行業內使用較多的試驗參數如表6所示[13-17]。

表6 環境可靠性試驗參數

標準GB/T 37079—2018[18]中提到逆冪律模型。該模型既適用于恒溫條件下的機械疲勞循環，也適用于由溫度循環引起的機械應力產生的疲勞。恒溫機械疲勞模型為

(7)

式中：FA為加速因子；下標u和t分別表示使用和試驗；Δεt為試驗疲勞，Δεu為正常使用疲勞，二者均由彎曲產生的位移、拉緊產生的延伸或者其他機械疲勞決定；B為與材料相關的系數。

溫度循環疲勞模型為

(8)

式中：ΔTt為溫度循環試驗溫差；ΔTu為正常使用中的溫差。

以上模型僅可對絕緣結構單個環境應力耐受力進行評定，不能同時評定多個環境應力耐受力，因此無法對絕緣系統進行環境可靠性壽命評定。目前，評定絕緣結構環境可靠性時需要與已有運行經驗的系統進行對比，得到變更系統或新系統的評定結果。一般情況下，對所選試驗項目進行周期循環性試驗，通過對比絕緣系統的電性能診斷結果，達到評定目的。

5 風力發電機絕緣系統可靠性評定的方案及實施

5.1 可靠性評定方案

根據使用特性，風力發電機絕緣系統的可靠性評定需包含3部分：熱壽命評定、電壓耐久性評定、環境可靠性評定。

待評絕緣系統的預估溫度等級為180 ℃，額定電壓為1 kV，電壓峰-峰值Up-p=3 kV。

5.2 熱壽命評定-三點熱老化

5.2.1 試驗設備和試驗方法

本次試驗所用設備包括熱老化試驗箱、機械振動試驗臺、潮濕試驗箱以及交流耐壓設備等。

本次試驗依據GB/T 17948.3—2017進行長期耐熱性評定，根據預估溫度等級和推薦試驗溫度、分周期，選擇在以下3個溫度和分周期下進行熱老化試驗：205 ℃，35天；225 ℃，10天；245 ℃，3天。每個溫度下試驗5根完整的線圈。

振動和潮濕診斷試驗依據標準進行，電性能診斷試驗選擇匝間沖擊和對地耐壓試驗。匝間沖擊耐壓試驗電壓為0.65(4UN+5 kV)，持續5次；對地耐壓試驗施加的電壓為2UN，持續1 min。

5.2.2 試驗結果

分別在3個溫度點下進行熱老化試驗，每個溫度點的試樣數量為5個。

失效時間確認過程如下。

各溫度點進行分周期(τ)診斷試驗：0=τ0<τ1<τ2<…<τl。

在某溫度應力水平下進行壽命試驗，時間到τj時(0

(9)

式中：tj-1未失效熱老化周期的總累計時間；tj-tj-1為失效周期的時間。

各溫度下的試驗結果如表7所示。

表7 熱老化試驗結果

上述失效時間確認方法為可靠性領域常用方法。耐熱性評定標準中失效時間計算依據為，每個試樣熱壽命為未失效熱老化周期的總累計時間與失效周期的一半時間之和。

根據熱老化試驗結果，利用阿倫尼烏斯原理對試驗溫度和熱壽命進行擬合，即可得到表8所示分析結果。試樣熱壽命曲線如圖3所示。

表8 分析結果

圖3 熱壽命曲線

5.3 電壓耐久性評定-重復脈沖電壓

5.3.1 試驗設備和試驗方法

工頻耐壓設備：輸入電壓220 V，輸入電流22.7 A，額定容量5 kVA，輸出電壓25 kV，輸出電流100 mA。

高頻脈沖絕緣結構測試儀：最高試驗電壓峰-峰值20 kV；脈沖頻率1 kHz；上升時間(1)≤100 ns(負載總容量≤500 pF)，(2)≤200 ns(負載總容量≤1 500 pF)，(3)≤300 ns(負載總容量≤2 500 pF)；脈沖占空比50%，脈沖波形為方波，脈沖極性雙極性。

依據標準GB/T 22566—2017[10]分別選擇在2Up-p、4Up-p、6Up-p下進行重復脈沖耐久性試驗，試驗頻率為1 kHz。先進行耐壓診斷試驗，通過后在選定電壓下進行老化試驗，直至試樣擊穿失效，記錄累計電老化壽命。

5.3.2 試驗結果及分析

重復脈沖電老化試驗結果如表9所示。

表9 電老化試驗結果

絕緣系統在對應電壓下90%置信界限下的特征電壽命分析圖如圖4所示。

圖4 特征電壽命分析圖

對以上電老化試驗結果進行線性回歸分析，得到絕緣結構的電壽命方程，計算電壓峰-峰值下的電壽命，分析結果如表10所示。繪出電壽命曲線圖，如圖5所示。

表10 電壽命方程及電壽命

圖5 電壽命曲線圖

5.4 環境可靠性評定

根據風電發電機實際使用環境調研以及其使用情況，選擇環境可靠性評定項目及參數。海上風電發電機絕緣系統的環境可靠性評定內容主要包括溫度變化試驗、振動試驗、鹽霧試驗、沙塵試驗等。具體試驗參數和流程如圖6所示。

圖6 環境可靠性評定流程

環境可靠性評定目前尚未有成熟的模型用于壽命計算，因此主要是與已有一定運行經驗的系統進行對比評價，確認新型系統的環境可靠性。

6 結 語

風力發電機是發電機組的重要組成部分，其絕緣系統的可靠性對于整個風電機組的可靠性具有重要意義。目前常用的可靠性評定包括長期耐熱性、電應力耐久性以及環境可靠性。

長期耐熱性的評定主要依據原理為阿倫尼烏斯方程，根據評定結果可以得到絕緣系統的熱壽命方程，推算出使用溫度下的熱壽命。具體評定方法主要包括常規方法和快速方法。其中前者評定周期較長，資源消耗較大，但準確性較高，國內國際認可度高；后者評定周期短，但準確度較低，國際認可度較低，只能作為初步篩選的方法。

電壓耐久性的評定主要依據電壓壽命與電壓幅值的倒冪定律，根據評定結果可以得到絕緣系統的電壽命方程，推算額定電應力下的電壽命。主要包括工頻電壓耐久性評定和重復脈沖電壓耐久性評定。工頻耐久性評定結果一致性較好，但評定的電應力和絕緣結構實際承受的脈沖電應力有一定區別。重復脈沖電壓耐久性評定模擬絕緣結構實際承受的脈沖應力，但目前設備制造技術不穩定，設備偏差容易引起一定的結果誤差。

環境可靠性評定目前沒有成熟的理論依據，因此一般通過與已有運行經驗的系統進行對比，對變更系統或新系統進行評定，評定項目和參數需根據實際使用情況進行選擇。