定子線棒絕緣受潮對頻域介電譜影響實(shí)驗(yàn)研究

韓英喆，王安東，孫福春，王繼豪，劉 驥

（1.哈爾濱理工大學(xué) 工程電介質(zhì)及其應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

電機(jī)作為電力系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的設(shè)備之一，其運(yùn)行的安全性一直廣受關(guān)注[1]。定子線棒是電機(jī)的核心部件，占據(jù)整個(gè)電機(jī)生產(chǎn)成本的25%以上，因此定子的絕緣狀態(tài)幾乎決定了電機(jī)的使用壽命和運(yùn)行可靠性[2-3]。國際上存在兩種定子絕緣制造技術(shù)，一種是以西屋-西門子為代表的真空壓力浸漬（VPI）少膠絕緣制造技術(shù)，另一種是以美國通用電氣公司、哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司、東方電機(jī)股份有限公司、上海電氣電站設(shè)備有限公司發(fā)電機(jī)廠等為代表的多膠模壓絕緣制造技術(shù)。國內(nèi)多膠模壓絕緣制造技術(shù)經(jīng)過近50年的發(fā)展，制造的大型發(fā)電機(jī)定子線棒性能已達(dá)到國際先進(jìn)水平，其中F級多膠桐馬酸酐玻璃絲粉云母帶是大型發(fā)電機(jī)定子線棒的主絕緣材料。5440-1型桐馬酸酐環(huán)氧粉云母帶是國內(nèi)通用的多膠模壓主絕緣材料之一，具有良好的柔軟性，在定子線棒上按照半疊包且相鄰層垂直的方法包繞成型后，電氣性能和力學(xué)性能優(yōu)良，適合應(yīng)用在環(huán)境溫度為155℃的電機(jī)中[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，與外部空氣連通，電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部溫度高于外部，基本不受空氣濕度影響，不會(huì)導(dǎo)致絕緣受潮；但是當(dāng)電機(jī)暫停使用后，電機(jī)內(nèi)部會(huì)進(jìn)入大量空氣，絕緣吸收水分導(dǎo)致受潮[5-6]。因此，評估定子線棒主絕緣的受潮狀態(tài)十分重要。

介電響應(yīng)法是一種可以攜帶豐富信息的無損檢測手段，包括回復(fù)電壓法（return voltage method,RVM）、極化去極化電流法（polarization and depolarization current,PDC）和頻域介電譜法（frequency domain spectroscopy，F(xiàn)DS）。相比于RVM法和PDC法，F(xiàn)DS法的濾噪、抗干擾能力更強(qiáng)，同時(shí)FDS法可以得到介電參數(shù)在不同頻率點(diǎn)的變化趨勢，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)，近年來已引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[7-10]。ABB公司最先將介電響應(yīng)技術(shù)應(yīng)用到發(fā)電機(jī)絕緣現(xiàn)場檢測中[11]；付強(qiáng)等[12]研究了定子主絕緣材料的耐鹽霧濕熱能力，得到老化絕緣材料低頻下介電參數(shù)和吸水率的關(guān)系；劉驥等[13]基于介電響應(yīng)法研究了環(huán)氧云母復(fù)合絕緣的固化過程，得到時(shí)間與溫度對絕緣材料固化過程的影響；張征平等[14]研究了溫度對汽輪發(fā)電機(jī)主絕緣介電譜特性的影響，將不同溫度的測試結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，消除了溫度的影響。

目前，對定子主絕緣不同受潮狀態(tài)介電譜特性的研究鮮見報(bào)道。同時(shí)，雖有部分學(xué)者從FDS測試結(jié)果中嘗試提取了一些頻域介電特征量來定量分析絕緣狀態(tài)，但這些特征量攜帶信息匱乏、分散性大，因此有必要提取一些新的介電特征量。本文通過研究定子線棒絕緣結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理，模擬并制備環(huán)氧云母絕緣試樣。對不同受潮狀態(tài)試樣的頻域介電譜參數(shù)進(jìn)行研究，探究環(huán)境濕度對電機(jī)定子線棒主絕緣受潮特性的影響；引入頻域介質(zhì)損耗因數(shù)積分值，提出通過頻域介質(zhì)損耗因數(shù)積分值評估環(huán)氧云母絕緣受潮程度的新方法。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試樣制備

選用上海特翔絕緣材料生產(chǎn)的5440-1桐馬酸酐環(huán)氧粉云母帶，厚度為0.14 mm，參照GB/T 5019.8—2009粘合云母帶試樣制作方式，仿照電機(jī)線棒絕緣結(jié)構(gòu)制備方法，試驗(yàn)步驟如下：

（1）將厚度為0.14 mm、寬度為25 mm的云母帶仿照電機(jī)線棒絕緣結(jié)構(gòu)平行半疊搭且相鄰層垂直，層數(shù)分別為3、4、5層，不同層數(shù)的試樣各5個(gè)，分別命名為A、B、C組，試樣為邊長為130 mm的正方形。

（2）采用模壓方式在120℃環(huán)境下固化10 h成型，試樣的寬面、表面均平行于玻璃絲帶。

（3）材料內(nèi)的環(huán)氧樹脂基體含有極性基團(tuán)，會(huì)吸附水分子導(dǎo)致絕緣受潮。為探究不同環(huán)境濕度對絕緣受潮特性的影響，將固化后的試樣置于30℃恒濕環(huán)境中靜置受潮3 d，取出試樣進(jìn)行FDS測試，測試結(jié)束后在75℃環(huán)境中干燥30 h，進(jìn)行下一濕度受潮試驗(yàn)，試驗(yàn)相對濕度依次選擇10%、40%、70%、100%。

（4）高溫會(huì)使絕緣內(nèi)部膠黏劑粘結(jié)力下降，因此，基于實(shí)驗(yàn)室條件和JB/T 7589—2007《高壓電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)耐熱性評定方法》將試樣置于210℃烘箱內(nèi)進(jìn)行5 d的熱老化，將老化后的試樣重復(fù)上一步驟進(jìn)行受潮試驗(yàn)。

1.2 頻域介電譜測試

頻域介電譜法是一種以介電響應(yīng)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)電導(dǎo)與極化作用會(huì)引起介質(zhì)內(nèi)部能量損耗，介質(zhì)損耗因數(shù)（tanδ）反映了流經(jīng)電介質(zhì)的有功電流密度與無功電流密度之比。

試驗(yàn)中采用美國MEGGER公司IDAX-300型頻域介電譜測量儀對試樣進(jìn)行頻域介電譜測試，測試電壓有效值為140 V，測試頻率為10-3～104Hz。在實(shí)驗(yàn)室測試環(huán)境下，對正方形試樣上、下覆蓋直徑為100 mm的圓形電極進(jìn)行測試，測試原理圖如圖1所示。

圖1 FDS測試原理圖Fig.1 Schematic of FDS test

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 環(huán)境濕度對介電特性的影響

在研究環(huán)境濕度對介質(zhì)損耗因數(shù)（tanδ）曲線影響規(guī)律時(shí)，在同一濕度環(huán)境下對絕緣厚度相同的多組試樣進(jìn)行測試，求取平均值并繪制最終曲線，以減小測量誤差。試驗(yàn)測試溫度均為30℃，B組試樣老化前后在不同環(huán)境濕度下的頻域介質(zhì)損耗因數(shù)曲線如圖2所示。從圖2可以看出，老化前后環(huán)氧云母復(fù)合絕緣在不同環(huán)境濕度受潮后得到的FDS圖譜變化趨勢相同。試樣的tanδ均隨頻率降低整體增大，其原因是高頻段偶極子轉(zhuǎn)向極化、界面極化等松弛極化尚未充分建立，介質(zhì)損耗以電導(dǎo)損耗為主，當(dāng)外電場頻率降低時(shí)，松弛極化逐漸建立，tanδ出現(xiàn)抬升。

圖2 B組試樣老化前后在不同環(huán)境濕度下的頻域介質(zhì)損耗因數(shù)曲線Fig.2 FDS curves of class B samples with different moisture content before and after ageing

隨著環(huán)境濕度的增大，tanδ曲線向右上方平移。其原因是環(huán)境濕度的不斷增大，導(dǎo)致試樣內(nèi)部的水分含量不斷升高，試樣內(nèi)部的載流子不斷增多，電導(dǎo)損耗因此升高。

將圖2(b)中tanδ隨環(huán)境濕度和頻率的變化繪制成三維圖，如圖3所示，可以同時(shí)觀察到頻率和環(huán)境濕度對tanδ的影響程度。將頻率與對應(yīng)的介質(zhì)損耗因數(shù)取對數(shù)，可以更直觀地觀察到圖像的變化規(guī)律。

圖3 介質(zhì)損耗因數(shù)隨環(huán)境濕度、頻率的變化關(guān)系Fig.3 The variation of dielectric loss factor with ambient humidity and frequency

從圖3可以看出，曲面隨著頻率的升高呈指數(shù)下降的趨勢，且曲面下降速率逐漸平緩，隨著環(huán)境濕度的增大，tanδ呈現(xiàn)線性增長趨勢。環(huán)境濕度和頻率對tanδ不是單一方面的影響，因此，在進(jìn)行變頻的介質(zhì)損耗測量時(shí)要充分考慮試樣的受潮程度。

2.2 環(huán)境濕度對介質(zhì)損耗因數(shù)積分值的影響

頻域介電譜法經(jīng)常以現(xiàn)場實(shí)際測量得到的曲線與實(shí)驗(yàn)室測量的標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行擬合從而對試樣絕緣狀態(tài)進(jìn)行評估，并將標(biāo)準(zhǔn)曲線作為評判絕緣狀態(tài)的重要依據(jù)，但是實(shí)際中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)測試曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線不一致的情況，這種情況下頻域介電譜無法提供準(zhǔn)確的信息，為此本研究提取測試頻域段內(nèi)介質(zhì)損耗因數(shù)的積分值（Itanδ）作為評估參量[15-16]。Itanδ同時(shí)考慮了頻率與tanδ兩個(gè)特征量，所得結(jié)果能夠充分反映試樣的絕緣狀態(tài)。與特定頻率下的tanδ相比，Itanδ可以反映特定頻率范圍段內(nèi)的介質(zhì)損耗累計(jì)值。因此，利用該積分值表征環(huán)氧云母復(fù)合絕緣的絕緣狀態(tài)具有有效性。

設(shè)某函數(shù)f(x)在區(qū)間[a,b]上連續(xù)，將這個(gè)連續(xù)區(qū)間均勻劃分成n個(gè)子區(qū)間[x1,x2],[x1,x3]…[x1,xn],其中x1=a，xn=b，對區(qū)間內(nèi)的f(x)求定積分，分別對應(yīng)I1,I2,...,In,In的表達(dá)式如式（1）所示。

對頻域介電譜來說，頻率f為自變量，對應(yīng)的tanδ就是因變量，將其劃分成多個(gè)小區(qū)間求取積分值，如圖4所示，在本研究中x1選取104Hz，xn選取10-3Hz。根據(jù)頻域介電譜測量儀得到的數(shù)據(jù)，利用式（1）計(jì)算積分值，將圖2(b)中各頻率點(diǎn)對應(yīng)的積分值繪制成反映介質(zhì)損耗因數(shù)積分值（Itanδ）與頻率之間的關(guān)系曲線。

圖4 介質(zhì)損耗因數(shù)與頻率的關(guān)系Fig.4 The relationship between dielectric loss factor and frequency

圖5 不同環(huán)境濕度的介質(zhì)損耗因數(shù)積分圖Fig.5 Integral diagram of dielectric loss factor in different humidity environments

Itanδ與頻率的曲線可以反映在各個(gè)頻域段內(nèi)的介質(zhì)損耗累計(jì)值，變化規(guī)律包含這一頻率段內(nèi)的介質(zhì)損耗累計(jì)值與頻率兩種特性，對頻率和tanδ取對數(shù)得到圖5。從圖5可以看出，Itanδ隨著頻率的減小逐漸增大，并趨于穩(wěn)定。積分值是tanδ和頻率差的乘積，在高頻段，頻率差較大但是由于介質(zhì)極化尚未完全建立，tanδ較低，因此Itanδ比較小。當(dāng)頻率逐漸降低至110 Hz時(shí)，介質(zhì)極化時(shí)間變長，tanδ升高，雖然頻率差變小，但是Itanδ仍升高；當(dāng)頻率小于110 Hz時(shí)，頻率差與tanδ的乘積基本達(dá)到穩(wěn)定，且在雙對數(shù)坐標(biāo)下曲線體現(xiàn)出飽和性。在同一頻率點(diǎn)下，Itanδ隨著環(huán)境濕度的增大而增大。對10-3～104Hz頻率段的Itanδ與環(huán)境濕度進(jìn)行擬合，在擬合時(shí)基于最小二乘法，即在擬合時(shí)設(shè)立一個(gè)目標(biāo)函數(shù)，使得實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)I與擬合曲線數(shù)據(jù)Ifit之間誤差的平方和最小，如式（2）所示。

對該頻段的Itanδ做散點(diǎn)圖，結(jié)果如圖6所示，可見Itanδ和環(huán)境濕度之間呈有規(guī)律的線性關(guān)系，擬合曲線公式如式（3）所示。

式（3）中，x為環(huán)境濕度，其擬合優(yōu)度達(dá)0.99，可見環(huán)境濕度和Itanδ最大值具有良好的線性擬合關(guān)系。Itanδ隨著濕度增加呈線性增長。

圖6 濕度和介質(zhì)損耗因數(shù)積分值的擬合曲線Fig.6 Fitting result of humidity and integral of dielectric loss factor

2.3 絕緣厚度對受潮試樣介電特性的影響

由于電機(jī)定子線棒絕緣厚度隨著電機(jī)容量的變化而變化，本研究制作了3組不同厚度的環(huán)氧云母絕緣試樣，在不同濕度環(huán)境下進(jìn)行受潮試驗(yàn)，圖7和圖8分別為試樣在相對濕度為40%的環(huán)境下受潮后的頻域介電譜和介質(zhì)損耗因數(shù)積分圖。

圖7 不同厚度試樣的頻域介電譜Fig.7 FDS curves of samples with different thickness

圖8 不同厚度試樣的介質(zhì)損耗因數(shù)積分圖Fig.8 Integral diagram of dielectric loss factor of samples with different thickness

從圖7和圖8可以看出，隨著試樣厚度的增加，tanδ和Itanδ都向下平移，tanδ是復(fù)介電常數(shù)虛部和實(shí)部的比值，介電常數(shù)只與材料特性有關(guān)，與材料的厚度、大小均不相關(guān)，因此不同厚度的tanδ和Itanδ應(yīng)該相同。但是實(shí)驗(yàn)測得tanδ和Itanδ隨著厚度的增大反而降低，這是由于試樣制作采用了模壓的方法，模壓過程中會(huì)有少量空氣殘留在絕緣材料內(nèi)形成氣隙，導(dǎo)致試樣的復(fù)電容相應(yīng)降低，介電常數(shù)減小。而且含有氣隙的絕緣在運(yùn)行過程中更容易發(fā)生局部放電，導(dǎo)致絕緣失效。

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)隨絕緣厚度和環(huán)境濕度的變化規(guī)律，同時(shí)引入頻域介質(zhì)損耗因數(shù)積分值的方法診斷環(huán)氧云母絕緣的受潮程度，得出以下主要結(jié)論：

（1）老化不會(huì)對環(huán)氧云母復(fù)合絕緣受潮的介質(zhì)損耗特性帶來影響。介質(zhì)損耗特性主要受界面極化和偶極子轉(zhuǎn)向極化影響，因此隨著頻率升高，介質(zhì)損耗逐漸下降。隨著外界環(huán)境濕度的升高，介質(zhì)的水分含量增大，界面極化會(huì)得到加強(qiáng)。

（2）介質(zhì)損耗因數(shù)積分值隨著環(huán)境濕度的增大而增大，對10-3～104Hz頻率段的介質(zhì)損耗因數(shù)積分值和環(huán)境濕度利用線性函數(shù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)積分值與環(huán)境濕度間具有良好的線性關(guān)系。

（3）雖然介質(zhì)損耗因數(shù)反映材料的絕緣特性，不隨試樣厚度的改變而改變，但是由于試樣制造工藝無法達(dá)到實(shí)際模壓工藝的水平，試樣內(nèi)部不可避免存在氣隙，隨著厚度的增加，介質(zhì)損耗反而降低，相應(yīng)的局部放電增強(qiáng)，最終會(huì)導(dǎo)致試樣的絕緣壽命降低。