CN109375072B - 空间电荷法评估定子线棒绝缘老化状态的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空间电荷法评估定子线棒绝缘老化状态的方法。模拟机组运行时定子线棒受到电老化、热老化、机械老化的影响，由模拟铁心(1)和振动平台(2)组成综合老化试验装置，电老化试验时线棒放置在模拟铁心内进行水平振动，老化温度在80℃～90℃之间。参照线棒(3)进行1.6UN、2.0UN、2.5UN、3.0UN(UN为线棒的额定电压，单位kV)电老化试验，利用电压与击穿时间的关系作图，计算参照线棒使用寿命；试验线棒(4)进行1.0UN电老化试验，分别在0h、500h、1000h、1500h、2000h、2500h进行空间电荷检测、击穿试验。根据不同老化时间的空间电荷总量、空间电荷阈值场强与剩余击穿电压的函数关系，评估试验线棒的剩余使用寿命。

Description

空间电荷法评估定子线棒绝缘老化状态的方法
技术领域：
本发明涉及一种空间电荷法检测评估定子线棒绝缘老化状态的方法。
背景技术：
发电机是发电厂最重要的电气设备之一，其运行状态直接决定了电网的安全稳定运行。发电机定子线棒长期遭受热、电、机械和环境等多因子的联合作用而出现老化降级。研究表明，定子线圈的绝缘状态直接决定了发电机的运行状态，因此，准确评估定子线圈的绝缘状态，对于制订合理的检修计划，提高发电机的运行可靠性具有重要意义。目前，发电机定子线圈绝缘的检测方法主要有绝缘电阻、介质损耗、局部放电等常规测试方法。这些方法存在以下缺点：试验采用交流高压，会对绝缘造成累积性损伤；试验采用工频或直流电压，获取的绝缘信息单一，且易受现场干扰，测试结果分散性大，难以准确评估发电机的绝缘状态。近年来基于空间电荷动态分布的诊断技术应用于绝缘电介质的无损检测领域，获得了广泛关注。国内学者研究了空间电荷分布等与交流老化程度之间的关系，发现短路空间电荷可以反映老化过程中的陷阱的产生情况，短路过程中的空间电荷的积累与老化时间的线性关系较明显，这与老化过程中击穿场强的下降有对应关系，所以运用短路过程中的空间电荷的量来定量老化程度是完全可行的。
绝缘材料中的空间电荷阈值场强是指：当绝缘材料的外加电场低于某一个值(空间电荷积聚阈值场强)时，从一个电极注入的电荷将被另一个电极完全抽出，介质内不存在被捕获的空间电荷。在没有其他老化因素作用于绝缘材料的前提下，当绝缘材料的工作场强低于空间电荷阈值场强，具有较长的使用寿命以及较高的可靠性。随着电老化程度的加深，阈值场强呈逐渐下降的趋势。因此阈值场强可以定量研究绝缘材料的老化程度。
发明内容：
本发明的目的是提供一种空间电荷法评估定子线棒绝缘老化状态的方法，绝缘老化信息较丰富，具有检测准确、实用性强，是一种无损检测方法。本发明的技术方案为：
一种空间电荷法评估定子线棒绝缘老化状态的方法如下：
1)采用阻燃板做综合老化封闭室，以保持定子线棒电老化试验时产生的热量；
2)制作模拟定子铁心(1)，线棒放入模拟定子铁心内，进行综合老化试验；
3)制作水平方向振动平台(2)，综合老化试验时模拟定子铁心放在振动平台上，平台以倍频的频率进行振动，振幅为0.28mm；
4)参照线棒(3)分别施加1.6UN、2.0UN、2.5UN、3.0UN电压，UN为电机的额定电压，单位kV，进行综合老化试验，直至线棒绝缘击穿为止，利用电压与电老化时间的关系作图，预测线棒使用寿命；
5)试验线棒(4)施加1.0UN电压进行综合老化试验，分别在0h、500h、1000h、1500h、2000h、2500h进行空间电荷检测试验、击穿试验；其中0h的击穿电压为起始击穿电压U0，其余老化时间的击穿电压为各自的剩余击穿电压UBD；
6)以2UN+1kV为线棒寿命截止电压值Uend；
f(x)＝xa+b (1)
式中f(x)为试验线棒的剩余击穿电压函数，x为老化时间，a、b均为常数，根据剩余击穿电压值f(x)＝Uend值时，对应的老化时间x就是线棒寿命截止时间，根据式(1)的关系得到试验线棒的剩余使用寿命。
7)从不同老化时间的试验线棒上截取的试样预处理后，先经10kV/mm的直流电场预压60min，然后短路60min，测量短路后试样中的空间电荷密度分布，通过对空间电荷密度分布积分计算短路60min的空间电荷总量Q60min，将不同老化时间的Q60min与不同老化时间的剩余击穿电压U进行函数拟合，具体函数如下：
f(y)＝yc+d (2)
式(2)中，f(y)为试验线棒的剩余击穿电压函数，y为不同老化时间的Q60min，c、d均为常数；
以2UN+1kV为寿命截止电压值Uend，根据公式(2)，由任一老化时间的空间电荷总量Q60min均计算出剩余击穿电压值，再根据公式(1)计算得到剩余使用寿命。
参照线棒和试验线棒为大中小型水轮发电机、汽轮发电机、核电、燃气轮发电机、交流电机、直流电机的定子线棒，UN≥6.3kV。
从不同老化时间的试验线棒上截取的试样，试样规格为Ф25mm～Ф40mm，厚度为0.5mm～3mm，试样检测前需要进行预处理：真空压力为150Pa、温度为50℃条件下干燥4h。
从不同老化时间的试验线棒上截取的试样预处理后，阶梯式直流升压流程为：从0kV升压到某一固定电压M值，此值按照样品厚度计算的场强不超过60kV/mm，以免试样击穿，升压间隔为2kV，升压速率为3.5kV/min，在不同电场下加压极化1800s后进行短路1800s，并选取短路10s时的平均单位体积空间电荷密度用于阈值电场的获取，每个测量时间点进行1000次测量，取其平均值作为该时间点测量结果；
绘制不同老化时间的电场-空间电荷密度曲线，将曲线分为两段进行线性拟合能计算出空间电荷明显积累的阈值电场值Eth，将阈值电场Eth与不同老化时间的剩余击穿电压UBD进行函数拟合，具体函数如下：
f(z)＝zm+n (3)
式(3)中，f(z)为试验线棒的剩余击穿电压函数，z为不同老化时间的阈值电场值Eth，m、n均为常数；以2UN+1kV为寿命截止电压值Uend，根据公式(3)，由任一老化时间的阈值电场值Eth计算出剩余击穿电压值，再根据公式(1)计算得到剩余使用寿命。
技术效果：
目前国际上通用的评估定子线棒剩余使用寿命方法，就是进行额定电压不同倍数(如1.6UN、2.0UN、3.0UN)的电老化试验，直至绝缘击穿，然后推算出工作场强
Figure GDA0002820030220000051
下定子线棒使用寿命，此方法的缺点是试验时间较长，并且是破坏性试验。近几年又有一种D图像法评估定子线棒剩余寿命，此方法的缺点是需要进行较高电压下的交流耐压试验，尽管不需要线棒击穿，但是交流耐压试验对线棒绝缘有累积性破坏，限制了此方法的应用。因此需要一种无损检测评估定子线棒剩余使用寿命方法。
本发明中空间电荷法是利用电声脉冲法(Pulsed Electro-Acoustic，PEA)检测空间电荷动态分布，其基本原理是：在电声脉冲电压作用下由样品中的空间电荷产生的声波，通过检测声波的传递函数求得空间电荷沿试样厚度的分布。本发明利用空间电荷法评估定子线棒绝缘老化状态，考察定子线棒承受电老化、机械老化、热老化等综合老化因素影响，获得的绝缘老化信息丰富，并且PEA法对线棒绝缘没有破坏性。本发明将空间电荷动态分布法的特征参数与线棒剩余击穿电压关联起来，进一步提高了评估定子线棒剩余使用寿命的准确性。
当绝缘呈现的老化状态不同时，空间电荷总量及阈值场强随时间的变化会呈现不同的趋势，该趋势与绝缘剩余击穿场强有关联性，可以用于表征发电机定子线棒绝缘的老化状态，从而为发电机的检修提供指导。
附图说明：
图1：定子线棒绝缘综合老化的试验装置的俯视图
图2：定子线棒绝缘综合老化的试验装置的侧视图
具体实施方式：
一种空间电荷法评估定子线棒绝缘老化状态的方法如下：采用阻燃板做综合老化封闭室，以保持定子线棒电老化试验时产生的热量；制作模拟定子铁心(1)，线棒放入模拟定子铁心内，进行综合老化试验；制作水平方向振动平台(2)，综合老化试验时模拟定子铁心放在振动平台上，平台以倍频的频率进行振动，振幅为0.28mm；参照线棒(3)分别施加1.6UN、2.0UN、2.5UN、3.0UN电压，UN为电机的额定电压，单位kV，进行综合老化试验，直至线棒绝缘击穿为止，利用电压与电老化时间的关系作图，预测线棒使用寿命；试验线棒(4)施加1.0UN电压进行综合老化试验，分别在0h、500h、1000h、1500h、2000h、2500h进行空间电荷检测试验、击穿试验；其中0h的击穿电压为起始击穿电压U0，其余老化时间的击穿电压为各自的剩余击穿电压UBD；以2UN+1kV为线棒寿命截止电压值Uend；
f(x)＝xa+b (1)
式中f(x)为试验线棒的剩余击穿电压函数，x为老化时间，a、b均为常数，根据剩余击穿电压值f(x)＝Uend值时，对应的老化时间x就是线棒寿命截止时间，根据式(1)的关系得到试验线棒的剩余使用寿命。
从不同老化时间的试验线棒上截取的试样预处理后，先经10kV/mm的直流电场预压60min，然后短路60min，测量短路后试样中的空间电荷密度分布，通过对空间电荷密度分布积分计算短路60min的空间电荷总量Q60min，将不同老化时间的Q60min与不同老化时间的剩余击穿电压U进行函数拟合，具体函数如下：
f(y)＝yc+d (2)
式(2)中，f(y)为试验线棒的剩余击穿电压函数，y为不同老化时间的Q60min，c、d均为常数；以2UN+1kV为寿命截止电压值Uend，根据公式(2)，由任一老化时间的空间电荷总量Q60min均计算出剩余击穿电压值，再根据公式(1)计算得到剩余使用寿命。
参照线棒和试验线棒为大中小型水轮发电机、汽轮发电机、核电、燃气轮发电机、交流电机、直流电机的定子线棒，额定电压UN≥6.3kV。
从不同老化时间的试验线棒上截取的试样，试样规格为Ф25mm～Ф40mm，厚度为0.5mm～3mm，试样检测前需要进行预处理：真空压力为150Pa、温度为50℃条件下干燥4h。
从不同老化时间的试验线棒上截取的试样预处理后，阶梯式直流升压流程为：从0kV升压到某一固定电压M值，此值按照样品厚度计算的场强不超过60kV/mm，以免试样击穿，升压间隔为2kV，升压速率为3.5kV/min，在不同电场下加压极化1800s后进行短路1800s，并选取短路10s时的平均单位体积空间电荷密度用于阈值电场的获取，每个测量时间点进行1000次测量，取其平均值作为该时间点测量结果；
绘制不同老化时间的电场-空间电荷密度曲线，将曲线分为两段进行线性拟合能计算出空间电荷明显积累的阈值电场值Eth，将阈值电场Eth与不同老化时间的剩余击穿电压UBD进行函数拟合，具体函数如下：
f(z)＝zm+n (3)
式(3)中，f(z)为试验线棒的剩余击穿电压函数，z为不同老化时间的阈值电场值Eth，m、n均为常数；
以2UN+1kV为寿命截止电压值Uend，根据公式(3)，由任一老化时间的阈值电场值Eth计算出剩余击穿电压值，再根据公式(1)计算得到剩余使用寿命。
本发明是一种无损检测绝缘老化状态的方法，比目前使用的定子线棒绝缘寿命评估方法更具有发展前景。本发明参照线棒和试验线棒的额定电压UN≥6.3kV。本发明适用于大中小型水轮发电机、汽轮发电机、核电、燃气轮发电机、交流电机、直流电机的定子线棒。

Claims (4)

1.一种空间电荷法评估定子线棒绝缘老化状态的方法，其特征是：
1)采用阻燃板做综合老化封闭室，以保持定子线棒电老化试验时产生的热量；
2)制作模拟定子铁心(1)，线棒放入模拟定子铁心内，进行综合老化试验；
3)制作水平方向振动平台(2)，综合老化试验时模拟定子铁心放在振动平台上，平台以倍频的频率进行振动，振幅为0.28mm；
4)参照线棒(3)分别施加1.6UN、2.0UN、2.5UN、3.0UN电压，UN为电机的额定电压，单位kV，进行综合老化试验，直至线棒绝缘击穿为止，利用电压与电老化时间的关系作图，预测线棒使用寿命；
5)试验线棒(4)施加1.0UN电压进行综合老化试验，分别在0h、500h、1000h、1500h、2000h、2500h进行空间电荷检测试验、击穿试验；其中0h的击穿电压为起始击穿电压U0，其余老化时间的击穿电压为各自的剩余击穿电压UBD；
6)以2UN+1kV为线棒寿命截止电压值Uend；
f(x)＝xa+b (1)
式中f(x)为试验线棒的剩余击穿电压函数，x为老化时间，a、b均为常数，根据剩余击穿电压值f(x)＝Uend值时，对应的老化时间x就是线棒寿命截止时间，根据式(1)的关系得到试验线棒的剩余使用寿命；
7)从不同老化时间的试验线棒上截取的试样预处理后，先经10kV/mm的直流电场预压60min，然后短路60min，测量短路后试样中的空间电荷密度分布，通过对空间电荷密度分布积分计算短路60min的空间电荷总量Q60min，将不同老化时间的Q60min与不同老化时间的剩余击穿电压U进行函数拟合，具体函数如下：
f(y)＝yc+d (2)
式(2)中，f(y)为试验线棒的剩余击穿电压函数，y为不同老化时间的Q60min，c、d均为常数；
以2UN+1kV为寿命截止电压值Uend，根据公式(2)，由任一老化时间的空间电荷总量Q60min均计算出剩余击穿电压值，再根据公式(1)计算得到剩余使用寿命。
2.根据权利要求1所述的一种空间电荷法评估定子线棒绝缘老化状态的方法，其特征是：参照线棒和试验线棒为大中小型水轮发电机、汽轮发电机、核电、燃气轮发电机、交流电机、直流电机的定子线棒，UN≥6.3kV。
3.根据权利要求1所述的一种空间电荷法评估定子线棒绝缘老化状态的方法，其特征是：从不同老化时间的试验线棒上截取的试样，试样规格为Ф25mm～Ф40mm，厚度为0.5mm～3mm，试样检测前需要进行预处理：真空压力为150Pa、温度为50℃条件下干燥4h。
4.根据权利要求1所述的一种空间电荷法评估定子线棒绝缘老化状态的方法，其特征是：从不同老化时间的试验线棒上截取的试样预处理后，阶梯式直流升压流程为：从0kV升压到某一固定电压M值，此值按照样品厚度计算的场强不超过60kV/mm，以免试样击穿，升压间隔为2kV，升压速率为3.5kV/min，在不同电场下加压极化1800s后进行短路1800s，并选取短路10s时的平均单位体积空间电荷密度用于阈值电场的获取，每个测量时间点进行1000次测量，取其平均值作为该时间点测量结果；
绘制不同老化时间的电场-空间电荷密度曲线，将曲线分为两段进行线性拟合能计算出空间电荷明显积累的阈值电场值Eth，将阈值电场Eth与不同老化时间的剩余击穿电压UBD进行函数拟合，具体函数如下：
f(z)＝zm+n (3)
式(3)中，f(z)为试验线棒的剩余击穿电压函数，z为不同老化时间的阈值电场值Eth，m、n均为常数；以2UN+1kV为寿命截止电压值Uend，根据公式(3)，由任一老化时间的阈值电场值Eth计算出剩余击穿电压值，再根据公式(1)计算得到剩余使用寿命。
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