CN105137349B - 基于频域介电谱法的大型发电机定子绕组主绝缘老化状态测评方法 - Google Patents
基于频域介电谱法的大型发电机定子绕组主绝缘老化状态测评方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了基于频域介电谱法的大型发电机定子绕组主绝缘老化状态测评方法，包括发电机停运且与线路可靠断开，发电机降温至环境温度；试验接线：将发电机定子绕组与介电谱测试仪的测试电缆的高压端相连，将发电机外壳接地端与介电谱测试仪的测试电缆的接地端相连；设置参数并启动测试；测试发电机定子绕组主绝缘复介电常数的频率特性曲线ε‑f，通过公式计算获得当前主绝缘的介质损耗因数增量ΔtanδN；根据所述获得的介质损耗因数增量ΔtanδN，评估发电机定子绕组主绝缘的老化状态。本发明是一种非破坏性测试方法，其测试原理简单，接线方便，可以准确判断发电机定子绕组主绝缘的介质损耗因数增量ΔtanδN，从而有效评估发电机的老化状态。
Description
技术领域
本发明属于发电机定子绕组主绝缘状态评估和寿命预测技术领域，具体是指一种基于频域介电谱法的大型发电机定子绕组主绝缘老化状态测评方法。
背景技术
大型发电机是电力系统中最重要和最关键的设备之一，其运行的安全可靠性直接关系到电力系统的安全与稳定。发电机绕组主绝缘在电机运行期间要经受电、热、机械和各种环境因素等多因子应力的联合作用而逐渐老化。随着时间的增长，绝缘的老化不仅降低了发电机的机械强度和电气强度，甚至还会引起绝缘击穿导致电机的运行故障。因此，准确评估电机主绝缘系统的老化状态，对指导发电机安全、经济运行具有重要意义。
目前，发电机定子绕组主绝缘状态检测仍主要依赖于基于宏观性能测试的高压试验，包括发电机定子绕组绝缘电阻测量、介质损耗测量、交直流耐压等。在实际测量中存在问题：其一，部分试验需施加高压，容易对绝缘造成新的损伤，减少发电机的使用寿命；其二，这些检测方法局限于单一信息，提供的绝缘信息少，而且所受的干扰信息多，测试结果分散性很大，很难全面准确判断发电机的绝缘状态。
频域介电谱法(FDS，Frequency Domain Spectroscopy)是一种无损非破坏性测量方法，其利用介质在交流电压下的极化特性，通过外加正弦电压，测量流过试品的电流幅值与相位，从而得到相对介电常数、介质损耗角正切值tanδ、复电容率等与频率f有关的极化参数的变化情况，更能如实反映绝缘的实际情况，具有测量频带宽，抗干扰能力强，测试过程简单准确等优点。发电机定子绕组主绝缘主要为环氧-云母两相复合绝缘系统，随着绝缘老化程度的加重，其界面极化和偶极子极化弛豫过程的弛豫时间均会呈现规律性的变化。
因此，利用频域介电谱法测试并分析计算发电机定子绕组主绝缘的介质损耗因数增量ΔtanδN，能够反映出发电机定子绕组主绝缘的老化状态，为发电机的检修策略的具体实施提供指导性建议。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于频域介电谱法的大型发电机定子绕组主绝缘老化状态测评方法，该测评方法能够较为准确的评估绝缘老化状态，且测试过程不会对定子绕组主绝缘造成二次损伤。
本发明的上述目的通过如下技术方案来实现的：一种基于频域介电谱法的大型发电机定子绕组主绝缘老化状态测评方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：发电机准备，发电机停运且与线路可靠断开；发电机定子绕组主绝缘温度降至环境温度；将发电机定子绕组用铜线短接并接地，接地时间20min以上，拆除接地铜导线；
步骤二：将发电机定子绕组与介电谱测试装置的测试电缆的高压端相连，将发电机外壳接地端与介电谱测试装置的测试电缆的接地端相连并可靠接地；
步骤三：启动介电谱测试装置，设置测试参数，其中，变频电压Uf设定为140V，最高测试频率fmax设定为1×103Hz，最低测试频率fmin设定为1×10-3Hz；
步骤四：测量发电机定子绕组主绝缘的复介电常数的频率特性曲线ε-f，其包含频率特性实部曲线ε′-f和虚部曲线ε″-f；
步骤五：采用Cole-Cole模型方程，基于MATLAB函数库中的lsqcurvefit函数代码对所测复介电常数的频率特性曲线ε-f的数值进行非线性优化拟合，拟合方程如下：
式中，τ1、τ2分别表示界面极化和偶极子转向极化的弛豫时间，单位为s；fp1、fp2分别表示界面极化和偶极子转向极化对应的特征频率，单位Hz；Δε1、Δε2分别表示界面极化和偶极子转向极化弛豫强度；α1、α2分别表示界面极化和偶极子转向极化的分布参数；σdc表示绝缘体系的直流电导率，单位为pS·m-1；ε∞表示介质高频下的相对介电常数；
注：Δε1、Δε2、α1、α2、τ1、τ2、σdc、ε∞为待定系数，对实测频谱曲线数值进行最小二乘法拟合可得；
步骤六：将拟合得到的τm、τ0、fpm和y带入下述公式，即可得到x,继而求出当前测试试样的介质损耗因数增量ΔtanδN，根据所述获得的ΔtanδN值的范围区间，获得定子绕组主绝缘的老化状况；
x＝lgΔtanδN＝lg(tanδN-tanδ0)
式中，τ0为定子绕组出厂状态下其界面极化的弛豫时间；τm为测试状态下其界面极化的弛豫时间；fpm为测试状态下界面极化对应的特征频率；ΔtanδN为主绝缘的介质损耗因数增量，其指额定电压UN下tanδN和0.2UN下tanδ0的差值，单位％；y为测试温度，单位℃；A1-A7为通过实验验证所得参数，A1＝3.016×103，A2＝-4.325×104，A3＝2.718×104，A4＝-6.76×103，A5＝-1.31×10-1，A6＝6.8，A7＝-1×10-4。
其中，根据所述范围区间，获得所述待测定子绕组主绝缘的老化状态的步骤为：
若介质损耗因数增量ΔtanδN＜2.5，则合格，说明绝缘状况良好；
若介质损耗因数增量2.5＜ΔtanδN＜4，则合格，但绝缘状况应加强监视；
若介质损耗因数增量ΔtanδN＞4，则不合格，说明绝缘状况劣化，应进一步查明原因。
说明：若介质损耗因数增量ΔtanδN与上次试验值明显增大，且处于相同试验条件下，则本项试验不合格；电晕严重的发电机(包括无防晕处理的发电机)ΔtanδN值有时会超过规定值，鉴定时应注意不要和正常老化的机组混淆。
其中，所述频域介电谱测试仪为瑞典MEGGER公司的IDAX300介电谱测试仪。
其中，本检测方法适用于10.5～24kV的汽轮发电机定子绕组主绝缘老化状态评估，对于其他发电机类型，其可通过预先大量试验测量获得初始值并存储。
由于定子绕组在发电机实际运行中会长期经受电、热、机械振动及各种环境因素等共同作用而引起绝缘老化，通过测试其频域介电响应特性，确定其绝缘老化状态。
在测试时，将被试发电机定子绕组从原有电气连接线路中断开，将频域介电谱测试仪可靠接地，频域介电谱测试仪的高压端连接到定子绕组，频域介电谱测试仪的接地端与发电机外壳接地端连接后共同接地。
本发明中的频域介电谱测试仪基于频域介电响应原理，通过采集不同频率电压激励下相应的复介电常数值，并根据不同采样频率下对应的复介电常数值绘制曲线，得到所述发电机定子绕组主绝缘系统的复介电常数的频率特性曲线ε-f，其中复介电常数值由实部ε′和虚部ε″构成。采用Cole-Cole模型方程，基于最小二乘法，对实测得到的复介电常数实部和虚部数值进行拟合，从拟合结果中提取特征量。
与现有技术相比，本发明提供的测评方法可以在不施加高压、不破坏定子绕组主绝缘、现场测试干扰小的前提下评估发电机定子绕组主绝缘的老化状态，为准确评估发电机定子绕组主绝缘提供可靠依据。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
图1是本发明测评方法中所采用频域介电谱测试原理图；
图2是本发明发电机定子绕组主绝缘老化状态测评方法的流程图；
图3是本发明实施例中测试得到的定子绕组主绝缘的复介电常数实部频率特性曲线图；
图4是本发明实施例中测试得到的定子绕组主绝缘的复介电常数虚部频率特性曲线图。
具体实施方式
如图1所示，是本发明采用的频域介电谱测试原理图。本发明采用的是瑞典MEGGER公司生产的IDAX300介电谱测试仪，其测量原理：测试绝缘介质在交流电压下的极化特性，通过外加正弦电压，测量流过试品的电流幅值与相位，从而得到相对介电常数、介质损耗角正切值tanδ、复电容率等与频率f有关的极化参数。对发电机定子绕组主绝缘进行测量时的具体操作步骤如下：对被测试样施加变频电压激励，同时测量电流，根据不同频率下的电流和电压计算得到相应频率下的复介电常数。
如图2所示，本发明的测评方法包括发电机停运且与线路可靠断开，发电机降温至环境温度；试验接线；设置参数并启动测试；测试发电机定子绕组主绝缘复介电常数的频率特性曲线ε-f，通过公式计算获得当前主绝缘的介质损耗因数增量ΔtanδN；根据所述获得的介质损耗因数增量ΔtanδN，评估发电机定子绕组主绝缘的老化状态，其具体的测试和评估步骤如下：
步骤一：选取试验对象，选取600MW/20kV大型汽轮发电机，定子绕组主绝缘采用环氧-云母复合材料，绝缘厚度宽面0.62cm，窄面0.84cm，绝缘等级F；发电机准备，发电机停运且与线路可靠断开；发电机定子绕组主绝缘温度降至环境温度；将发电机定子绕组用铜线短接并接地，接地时间20min以上，拆除接地铜导线。
步骤二：将发电机定子绕组与介电谱测试装置的测试电缆的高压端相连，将发电机外壳接地端与介电谱测试装置的测试电缆的接地端相连并可靠接地。
步骤三：启动介电谱测试装置，设置测试参数，其中，变频电压Uf设定为140V，最高测试频率fmax设定为1×103Hz，最低测试频率fmin设定为1×10-3Hz。
步骤四：测量发电机定子绕组主绝缘的复介电常数的频率特性曲线ε-f，其包含频率特性实部曲线ε′-f和虚部曲线ε″-f；具体数值见表1、表2。
表1：定子绕组主绝缘的复介电常数实部数值
表2：定子绕组主绝缘的复介电常数虚部数值
步骤五：采用Cole-Cole模型方程，基于MATLAB函数库中的lsqcurvefit函数代码对所测复介电常数的频率特性曲线ε-f的数值进行非线性优化拟合，拟合方程如下：
式中，τ1、τ2分别表示界面极化和偶极子转向极化的弛豫时间，单位为s；fp1、fp2分别表示界面极化和偶极子转向极化对应的特征频率，单位Hz；Δε1、Δε2分别表示界面极化和偶极子转向极化弛豫强度；α1、α2分别表示界面极化和偶极子转向极化的分布参数；σdc表示绝缘体系的直流电导率，单位为pS·m-1；ε∞表示介质高频下的相对介电常数。
上式中Δε1、Δε2、α1、α2、τ1、τ2、σdc、ε∞为待定系数，对实测频率特性曲线数值采用基于MATLAB函数库中的lsqcurvefit函数代码拟合可得，具体参数详见表3。
表3：对实测频率特性曲线数值采用lsqcurvefit函数代码拟合得到的参数
步骤六：将拟合得到的τm、τ0、fpm和y带入下述公式，即可得到x,继而求出当前测试试样的介质损耗因数增量ΔtanδN，根据所述获得的ΔtanδN值的范围区间，获得定子绕组主绝缘的老化状况，其中fpm的求取过程为采用Cole-Cole模型方程，对所测复介电常数的频率特性曲线ε-f的数值进行非线性优化拟合，基于MATLAB函数库中的lsqcurvefit函数代码获得界面极化的弛豫时间τm，取其倒数，即得到弛豫过程对应的特征频率fpm。计算得到的发电机定子绕组主绝缘的相关参量见表4。
表4：计算得到的发电机定子绕组主绝缘的相关参量
| 运行状态 | τ0/s | τm/s | fpm/Hz | y/℃ | x | ΔtanδN/％ |
| 运行初期 | 5045.5 | 5045.5 | 1.98×10-4 | 28 | 0.0729 | 1.1828 |
| 运行中期 | 5045.5 | 8459.4 | 1.18×10-4 | 28 | 0.1268 | 1.3391 |
| 运行后期 | 5045.5 | 28673.3 | 3.48×10-5 | 28 | 0.6910 | 4.9100 |
x＝lgΔtanδN＝lg(tanδN-tanδ0)
式中，τ0为定子绕组出厂状态下其界面极化的弛豫时间；τm为测试状态下其界面极化的弛豫时间；fpm为测试状态下界面极化对应的特征频率；ΔtanδN为主绝缘的介质损耗因数增量，其指额定电压UN下tanδN和0.2UN下tanδ0的差值，单位％；y为测试温度，单位℃；A1-A7为通过实验验证所得参数，A1＝3.016×103，A2＝-4.325×104，A3＝2.718×104，A4＝-6.76×103，A5＝-1.31×10-1，A6＝6.8，A7＝-1×10-4。
其中，根据所述范围区间，判断所述待测定子绕组主绝缘的老化状态。由上表可知，定子绕组在运行初期和中期，其介质损耗因数增量分别为1.1828和1.3391，均处于绝缘状态良好阶段，但在运行后期，其介损增量达到4.9100，远超过规定合格值，判断此时发电机定子绕组主绝缘处于裂化状态。同时申请人经过传统参量测量，得到相同的测量结果，验证其正确性。
图3、图4是本发明实施例中测试得到的定子绕组主绝缘的复介电常数实部频率特性曲线图和虚部频率特性曲线图，由图中明显可见定子绕组运行后期其频谱图与之前状态发生明显异常，定应引起重视。
本发明测试原理简单，并且是一种非破坏性测试方法，接线方便，可以准确判断发电机定子绕组主绝缘的介质损耗因数增量ΔtanδN，从而有效评估发电机的老化状态，为发电机定子绕组主绝缘的无损评估提供了新的检测手段，应用前景广阔。
本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.基于频域介电谱法的大型发电机定子绕组主绝缘老化状态测评方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：发电机准备，发电机停运且与线路可靠断开；发电机定子绕组主绝缘温度降至环境温度；将发电机定子绕组用铜线短接并接地，接地时间20min以上，拆除接地铜导线；
步骤二：将发电机定子绕组与介电谱测试装置的测试电缆的高压端相连，将发电机外壳接地端与介电谱测试装置的测试电缆的接地端相连并可靠接地；
步骤三：启动介电谱测试装置，进行测试参数初始化设置，其中，变频电压Uf设定为140V，最高测试频率fmax设定为1×103Hz，最低测试频率fmin设定为1×10-3Hz；
步骤四：测量发电机定子绕组主绝缘的复介电常数的频率特性曲线ε-f，其包含频率特性实部曲线ε′-f和虚部曲线ε″-f；
步骤五：采用Cole-Cole模型方程，基于MATLAB函数库中的lsqcurvefit函数代码对所测复介电常数的频率特性曲线ε-f的数值进行非线性优化拟合，拟合方程如下：
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式中，τ1、τ2分别表示界面极化和偶极子转向极化的弛豫时间，单位为s；fp1、fp2分别表示界面极化和偶极子转向极化对应的特征频率，单位Hz；Δε1、Δε2分别表示界面极化和偶极子转向极化弛豫强度；α1、α2分别表示界面极化和偶极子转向极化的分布参数；σdc表示绝缘体系的直流电导率，单位为pS·m-1；ε∞表示介质高频下的相对介电常数；
其中：Δε1、Δε2、α1、α2、τ1、τ2、σdc、ε∞为待定系数，通过对实测频谱曲线数值进行最小二乘法拟合可得；
步骤六：将拟合得到的τm、τ0、fpm和y代入下述公式，即可得到x,继而求出当前测试试样的介质损耗因数增量ΔtanδN，根据所述获得的ΔtanδN值的范围区间，获得定子绕组主绝缘的老化状况；
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x＝lgΔtanδN＝lg(tanδN-tanδ0)
式中，τ0为定子绕组出厂状态下其界面极化的弛豫时间；τm为测试状态下其界面极化的弛豫时间；fpm为测试状态下界面极化对应的特征频率，fpm的求取过程为采用Cole-Cole模型方程，对所测复介电常数的频率特性曲线ε-f的数值进行非线性优化拟合，基于MATLAB函数库中的lsqcurvefit函数代码获得界面极化的弛豫时间τm，取其倒数，即得到弛豫过程对应的特征频率fpm；ΔtanδN为主绝缘的介质损耗因数增量，其指额定电压UN下tanδN和0.2UN下tanδ0的差值，单位％；y为测试温度，单位℃。
2.如权利要求1所述的基于频域介电谱法的大型发电机定子绕组主绝缘老化状态测评方法，其特征在于：所述步骤三中的测试参数初始化设置包括变频电压Uf设定为140V，最高测试频率fmax＝1×103Hz，最低测试频率fmin＝1×10-3Hz。
3.如权利要求1所述的基于频域介电谱法的大型发电机定子绕组主绝缘老化状态测评方法，其特征在于：所述步骤六中公式的各参数为：A1＝3.016×103，A2＝-4.325×104，A3＝2.718×104，A4＝-6.76×103，A5＝-1.31×10-1，A6＝6.8，A7＝-1×10-4。
4.如权利要求1所述的基于频域介电谱法的大型发电机定子绕组主绝缘老化状态测评方法，其特征在于：所述步骤六中，根据获得的介质损耗因数增量ΔtanδN范围区间，获得所述待测定子绕组主绝缘的老化状态的步骤为：
若介质损耗因数增量ΔtanδN＜2.5，则合格，说明绝缘状况良好；
若介质损耗因数增量2.5＜ΔtanδN＜4，则合格，但绝缘状况应加强监视；
若介质损耗因数增量ΔtanδN＞4，则不合格，说明绝缘状况劣化，应进一步查明原因。
5.如权利要求1所述的基于频域介电谱法的大型发电机定子绕组主绝缘老化状态测评方法，其特征在于：所述频域介电谱测试仪为瑞典MEGGER公司的IDAX300介电谱测试仪。
6.如权利要求1所述的基于频域介电谱法的大型发电机定子绕组主绝缘老化状态测评方法，其特征在于：所述的大型发电机定子绕组是指电压为10.5～24kV的汽轮发电机定子绕组。
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