电机定子线棒绝缘频域介电谱评估

孙福春 王安东 王继豪 韩英喆 刘骥

摘 要：为探究环境湿度对发电机主绝缘介电特性的影响，同时消除温度对介电谱测试的影响，本文制备不同老化状态绝缘试样，进行受潮试验和变温介电谱测试。研究结果表明：介损积分谱对绝缘受潮状态十分敏感，可以稳定表征绝缘受潮状态;引入频温平移因子，构造不同老化状态试样的介质损耗频域谱主曲线，消除温度对测试的影响，同时验证了频温平移理论在不同老化状态下的普适性;通过计算活化能证实主曲线的可靠性。

关键词：频域介电谱;特征参量;介电损耗因数积分谱;环氧云母复合绝缘;定子线棒

DOI：10.15938/j.jhust.2021.03.002

中图分类号： TM58

文献标志码： A

文章编号： 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

定子線棒作为发电机核心部件，其运行安全性一直受到众多学者专家的高度关注[1]。据统计，由定子线棒主绝缘劣化导致的安全问题占发电机故障的一半以上[2-3]。目前国内多胶桐马酸酐F级主绝缘技术已具有较高的成熟度，并被国内外电机行业认可。5440-1型桐马酸酐环氧粉云母带具有良好的柔软性，因介电性能强、机械强度高等优点广泛应用于大、中型发电机定子主绝缘[4]。由于定子线棒绝缘采用固体绝缘介质，工作环境不封闭，与外界空气相互连通，复合绝缘材料中作为胶粘剂的环氧树脂基团具有强极性会吸附空气中的水分子，引发绝缘受潮[5]。

近年来，以介质响应理论为基础的回复电压法、极化去极化电流法和频域介电谱法，因无损检测、携带绝缘信息丰富等优点得到众多国内外学者关注。相比其他两种方法，频域介电谱法具有测试频带宽、测试电压低等优点，在高压设备绝缘检测中得到更多关注[6-9]。该方法可以实现在不破坏绝缘材料的前提下分析环氧树脂复合绝缘的受潮状态，为准确评估电机定子绝缘性能及受潮情况提供可靠依据，近年来在国内外学者中得到越来越高的关注度。

目前，国内外应用频域介电谱法检测定子主绝缘状态的相关研究还比较少。文[10]简要分析了水分含量对定子绝缘复介电常数实部、虚部和介质损耗因数的影响;西南交通大学探究了温度对定子主绝缘频域介电谱特性的影响，基于Cole-Cole和德拜模型提取介电特征量与测试温度建立联系 [11-12];文[13]对老化后的定子线棒进行变温测试，建立几何电容、复介电常数实部、介损与测试温度的拟合关系，在特定频率点消除了温度对测试的影响。这些研究虽然大大推动了频域介电谱在定子绝缘特性方面的研究进展，但仍面临一些问题[14-16]。首先，虽然频域介电谱曲线对定子主绝缘受潮状态反映敏感，但曲线携带介电信息比较少，曲线畸变会影响绝缘受潮状态的判断，其次，如何更好的消除温度对频域谱测试带来的影响，这些问题亟需解决[17-19]。

为解决上述问题，本文制备若干不同老化状态定子主绝缘试样，通过受潮试验探究环境湿度对绝缘试样介质损耗因数曲线的影响，通过变温测试探究温度对介质损耗因数曲线的影响。选择携带介电信息更丰富、稳定性更好的介质损耗积分谱反映绝缘受潮状态。同时，引入频温平移因子，构建温度主曲线，通过Arrhenius方程计算试样活化能，验证曲线可靠性。建立频温平移因子与测试温度的拟合曲线，修正90℃以下的频温平移因子，使其在多种老化状态下具有普遍适用性。

1 实验设计

1.1 试样制备

本文选用厚度0.15mm的5440-1桐马酸酐环氧粉云母带，参照GB/T5019.8-2009粘合云母带试样制作方式制备10个层压板试样：均分为A-E五组，组内编号1、2，分别在210℃环境下进行5d、10d、15d、20d、25d的加速热老化试验。

老化后每组1号试样进行变温介电谱测试，由于发电机定子最高允许运行温度为120℃，本文选择30、60、90℃和120℃作为测试温度。

将每组2号试样置于30℃恒湿环境中静置受潮3d，取出试样进行频域介电谱测试，测试温度30℃，测试结束后在75℃环境中烘干30h，进行下一湿度受潮试验，试验湿度选择10%RH、40%RH、70%RH和100%RH。

1.2 频域介电谱测试

频域介电谱法以介电响应理论为基础，在不同频域范围内研究介质极化理论的检测方法。介质内部电导与极化过程会引起能量损耗，tanδ反映了流经电介质有功功率损耗与无功功率损耗之比。

试验采用美国MEGGER公司生产的IDAX-300测试仪进行频域介电谱测试，测试电压有效值为140V，测试频率范围为10-3～104Hz，测试原理图如图1所示。

2 实验及结果

2.1 环境湿度对介质损耗因数的影响

为探究环境湿度对介电损耗因数曲线影响规律，考虑篇幅问题，本文只给出老化5d试样受潮的介质损耗因数曲线，如图2所示。

在测试频率范围内，介质损耗因数曲线随着频率的增加呈下降的趋势。当频率较低时，由于偶极子转向极化、界面极化等松弛极化充分建立，极化损耗较低，因此介质损耗以电导损耗为主。随着频率不断增大，电导损耗以指数的形式迅速下降，虽然外加电场变化速率加快，导致松弛极化难以建立，带来更多的极化损耗，但电导损耗的下降速率更快，介质损耗因数曲线呈下降趋势。

介质损耗因数曲线随环境湿度增大整体上移。是因为试样内部的水分含量随环境湿度增大不断升高，介质内部载流子增多，电导损耗升高。

2.2 环境湿度对介质损耗因数积分值的影响

介质损耗因数积分值可以反映特定频域段内的介损因数累积值，与单纯一个频率下的介质损耗因数相比，介质损耗因数积分值携带介电信息更丰富，同时还可消除曲线畸变的影响，更具稳定性。因此，利用该积分值表征环氧云母复合绝缘具有有效性。定义介质损耗因数的积分值为Itanδ，对图2的介质损耗因数曲线求积分，取对数坐标，所得介质损耗因数积分谱如图3所示。

由图3可知，介质损耗因数积分值在高频迅速增大在中低频趋于稳定。积分值是介质损耗和频率差的乘积，在高频段介质损耗因数较低，虽然频率差比较大，介质损耗因数积分值仍比较小。当频率逐渐降低至110Hz时，介质极化时间变长，介质损耗升高，虽然频率差变小，但是介质损耗的积分仍升高，当频率小于110Hz时，频率差与介质损耗因数的乘积基本达到稳定。介质损耗因数积分值在同一频率点下，随着环境湿度增大而增大，对环境湿度十分敏感，因此可以使用更具稳定性的介损积分值表征绝缘受潮状态。

2.3 温度对介质损耗因数的影响

由于篇幅限制，只给出老化15d不同测试温度试样的介质损耗因数tanδ频域谱如图4。可以发现，介质损耗因数随温度升高显著增大，同时，曲线整体随着温度升高向高频方向平移，主要原因是温度升高，介质内分子活性得到加强，松弛极化建立时间变短，松弛损耗变大。

2.4 构建频温平移主曲线

国内学者王兵等提出通过频温平移理论消除温度对定子主绝缘介电测试的影响，但并未验证该方法的可靠性[11]，文[19]引入频温叠加理论构造不同温度下、某一老化状态试样的复电容实部和虚部标准主曲线，遗憾的是，上述研究既没有证明频温平移理论应用在tanδ频域谱上的可靠性，也未提及该方法对不同老化程度的绝缘样品是否仍然有效。为了验证该方法的在tanδ频域谱上的有效性和可靠性，从而更好的将频域介电谱技术应用于定子主绝缘状态评估。

本文根据A.K.Jinscher的普适弛豫理论，引入频温平移因子

αT=fTfref（1）

式中：fT为温度T时平移前介质损耗因子频域谱对应的频率;fref为平移到主曲线温度点时介质损耗因子频域谱对应的频率。选取30℃为目标温度，设30℃主曲线对应的平移因子为1，根据变温介电谱测试结果，计算得到的4种绝缘状态试样在不同温度下的αT，如表1所示。

根据表1对构造不同绝缘状态试样介质损耗因数频域介电谱主曲线，如图5。可以看到，主曲线的频率范围由10-3～104Hz最高扩展到10-7～104Hz，借助频温平移因子可以获得介质损耗因数频域谱更低频的信息。

通过频温平移理论，可获得不同温度、不同老化状态下的平移因子αT，将不同老化状态试样在不同测试温度的频域介电谱推算至目标温度下，验证了该方法的普适性。为验证其可靠性，引入Arrhenius方程进行验证：

αT=eEαR1Tref-1T（2）

方程两边求对数得

lnαT=EαR1Tref-1T（3）

式中：Eα為绝缘试样的活化能，kJ/mol;R为理想气体常数，R=8.314kJ/mol;T为测试温度，K;Tref为所需平移的标准测试温度，K。由式3可知，lnαT与1Tref-1T之间呈线性相关关系，斜率为活化能Eα与理想气体常数的比值，由此可计算试样活化能Eα。求解不同老化状态试样的活化能，如表2所示。

文[20]依据动态力学曲线计算不同老化状态的发电机主绝缘活化能范围在50-120kJ/mol，表2计算得到的绝缘试样活化能均在此范围内，结论具有一致性。通过频温平移因子构造主曲线，消除温度对不同老化状态试样介质损耗因数曲线的影响，这一方法具有可靠性。

需要指出的是，考虑到仪器本身的测试精度，介质损耗因数平移主曲线不能达到100%重合度，特别是高频段重合率稍低。但是这并不会影响频域谱评估定子主绝缘的绝缘状态。同时频温平移理论的应用可以消除温度对频域谱测试的影响，为现场评估定子主绝缘状态奠定基础。

3 结 论

本文研究了环氧云母复合绝缘的介电响应特性参数随环境湿度变化的规律，同时引入频温平移因子消除温度对测试的影响，得出以下主要结论：

1）深入分析环境湿度对介质损耗因数频域谱和积分谱的影响，提出对定子绝缘受潮状态更敏感，携带介电信息更丰富，更具稳定性的介损积分谱反映定子主绝缘受潮状态。

2）深入探究测试温度对介质损耗因数频域谱特性的影响。为更好消除温度的影响，引入频温平移因子构建目标温度下不同老化状态试样的介质损耗因数频域谱主曲线，验证了频温平移理论的普适性。基于Arrhenius方程计算不同老化状态试样的活化能，对频温平移因子构造主曲线的可靠性进行证实。

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（编辑：王 萍）