CN111426597A - 一种高压电机低阻防晕漆材料的寿命分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压电机低阻防晕漆材料的寿命分析方法，其步骤包括：低阻防晕漆材料的样品制备、空气热老化试验、热质量损失测定、表面电阻率测定、傅里叶红外光谱分析、防晕漆材料耐压试验等；通过对样品的热质量损失数据拟合出质量损失率随时间变化的曲线，同时在每个老化时间点都进行表面电阻率测定、傅里叶红外光谱分析和耐压试验，全面评价材料在各个老化时间和老化温度下的氧化情况和电学性质的变化，从而准确反应出该材料在真实使用环境中的使用寿命。同时，本发明中的样品采用平板涂覆式并预埋电极的设计，这种设计能更真实反应防晕漆材料的使用状态，并提高电学测试的准确性，从而能更真实更准确的评价材料的热氧老化特性。
Description
技术领域
本发明涉及高压电机绝缘材料运行评估技术领域，尤其是一种高压电机低阻防晕漆材料的寿命分析方法。
背景技术
随着发电机单机容量的提高，意味着其额定电压等级的升高。发电机中的绝缘系统在很大程度上决定着高压电机的运行寿命和可靠性，占有非常重要的地位。当电机的额定电压在6kv及以上时，空气隙中的电场强度高于空气中不均匀电场下的起晕场强8.1kv/mm，就会产生电晕。而线圈表面电位达到120伏以上时就会产生火花放电。
虽然目前6kv及以上电压等级的高压发电机和高压电动机线圈都配备了防电晕材料。但是在发电机的实际运行中，特别是与空气接触的低电阻防晕材料端(槽口端、线棒低阻段、上下层层间等)，存在严重的电腐蚀老化和绝缘失效现象。因此研究防晕漆材料的失效机理、老化机理、使用寿命，对改进防晕漆抗热氧老化特性有重要意义。
目前对高压电机低阻防晕漆材料已经开展了很多热氧老化的试验研究，取得了一定的研究成果。但传统试验方法都存在试验模型比较单一、试验考察影响因素比较单一的缺陷，不能很好的反映高压电机真实的运行条件下低阻绝缘漆的热氧老化特性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高压电机低阻防晕漆材料的寿命分析方法，该方法能准确模拟高压电机真实运行情况，全面评估低阻绝缘漆氧化特性、电学特性等状态变化，可以有效反映高压电机真实的运行条件下低阻绝缘漆的热氧老化特性。
本发明的技术方案如下：
一种高压电机低阻防晕漆材料的寿命分析方法，包括如下步骤：
步骤一：根据高压电机低阻绝缘漆的真实使用情况，截取N个尺寸适合的环氧玻璃布板作为基板，对基板加热烘干以除去基板中的水分，得到初步的样品，然后将样品编号，称重，得到每个样品的初始质量；其中，N至少为5个环氧玻璃布板，为了提高作为评价的可参考性，可以取10个或更多个(比如15个，或18个，或其他不同个数)。
步骤二：按照10：1的质量比，称取低阻防晕漆漆基和固化剂，进行充分混合搅拌，得到混合漆；然后将混合漆均匀的涂敷在步骤一得到的样品上，并固化，固化的时间不低于24h；将固化好的样品编号，并分为M组，每一组样品的个数几乎相同(主要是截取的N个环氧玻璃布板能否被均分，如果不能均分，每组个数相差也就一两个)；对编号好的所有样品进行称重，得到涂敷混合漆后的质量，算出样品的质量增加量。
步骤三：对步骤二涂敷混合漆后的所有样品进行表面电阻的测量，每个样品至少测量3个点，取其平均值为表面电阻，并通过下式计算其表面电阻率：
ρs＝4Rs
式中：ρs为表面电阻率，单位为Ω；Rs为表面电阻，单位为Ω。
步骤四：从每一组样品中分别取一个样品，作为傅立叶红外光谱分析专用样品，共M个样品。
首先，用小锉刀将样品锉下粉末，分别加入一定量的溴化钾并研磨成细粉，细粉的粒度范围为1～10μm。研磨时，不断用小不锈钢铲把样品刮至研钵中心，以便研磨得更细，避免颗粒不均匀产生散射，造成基线不平。研磨5～15min，将样品在红外灯下充分干燥即可压片，油压机压力为8000～15000kg/cm2，加压时间至少1min，得到M个透明或均匀半透明锭片。分别测试得到M个锭片的傅立叶红外图谱，由图谱数据分析可以得到样品的羰基指数，高分子材料在老化过程中，尤其是氧化降解过程中，其不饱和基团等易氧化的基团会发生氧化而转化为羰基，羰基指数的变化常常作为高分子老化程度的表征方法之一。
优选地，样品粉末和加入的溴化钾的质量比是1：200。
步骤五：将所述M组样品分别放入对应的鼓风恒温箱，每台恒温箱放一组样品，进行空气热老化模拟实验。鼓风恒温箱设置多个温度，温度递增设置，并设置匹配的空气置换率。
步骤六：根据国际标准IEC 60811-1的规定，采用等比级数设定老化时间。到达相应的老化时间后，取出样品，冷却至室温，观察样品外观形貌和颜色，并拍照记录。然后称量样品重量，与初始质量对比，计算出质量损失率，如下式：
式中ηi为质量损失率，m0为试样初始质量，mi为；mi为在老化温度为Ti的环境中暴露老化时间为ti的试样质量。下标i为试样编号。
再分别在上述多组温度值下，对其他未作为傅立叶红外光谱分析专用样品的样品的质量损失率(即减少的质量和原始质量的比例)取平均数，以此平均数作为相应温度值下低阻绝缘漆的质量损失率。
测量每个样品的表面电阻率，每个样品测3个点，取平均值，以此平均值作为该温度下低阻绝缘漆的表面电阻率。
用锉刀刮取步骤三中同样编号的M个样品的粉末，重复步骤三中的傅立叶红外图谱测试，计算出相应温度值下各个样品的羰基指数。
步骤七：数据结果分析，对照每个老化时间样品的颜色外观，如果在该老化时间下有明显的变化，诸如颜色的变化、光泽度变化、发黏、脆化、变硬、粉化、起皮、褶皱、开裂、出现银纹、污渍、斑点等，记录下形貌照片，并作为对比参数。
分析不同温度不同老化时间下的表面电阻率，做出表面电阻率随老化时间变化的曲线，观察表面电阻率的变化趋势，如果在某个老化时间表面电阻率发生较大变化，超出103～105Ω的范围，则判断为绝缘失效。
由不同温度不同老化时间下的羰基指数数据分析，可以得到不同老化温度条件下，羰基指数随老化温度变化的曲线，从而可以从微观角度了解各个老化温度下不饱和基团发生氧化反应的速度，评价在不同老化温度下低阻防晕漆的抗热氧老化特性。
根据实验测试结果，可以得出三个不同温度下各个老化时间的质量损失率，用最小二乘法进行数据拟合，得到不同温度下，质量损失率和老化时间的关系曲线。IEC 216-2标准采用热质量损失率3.4％作为环氧树脂的失效标准。则可以由拟合曲线，计算出质量损失率达到3.4％时的老化时间，从而计算出不同老化温度下，低阻防晕漆材料的寿命。
本发明的有益效果如下：
本发明通过对样品的热质量损失数据拟合出质量损失率随时间变化的曲线，同时在每个老化时间点都进行表面电阻率测定、傅里叶红外光谱分析和耐压试验，全面评价材料在各个老化时间和老化温度条件下的氧化情况和电学性质的变化，从而准备的反应出该低阻防晕漆材料在真实使用环境中的使用寿命。该方法中使用的样品采用平板涂覆式设计，同时预埋电极以便后期电学测试，该方法相比于常规的块状浇注样品设计能更真实的反应防晕漆材料的使用状态，预埋电极的设计提高了电学测试的准确性，从而能更真实更准确的评价材料的热氧老化特性。
附图说明
图1为本发明的评价步骤流程示意图。
图2为实施例中测量电极结构的尺寸示意图。
具体实施方式
为便于更好的理解本发明，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例
一种高压电机低阻防晕漆材料的寿命分析方法，具体步骤如下：
步骤一：根据高压电机低阻绝缘漆的真实使用情况，制备实验样品：首先截取15个10cm×10cm的环氧玻璃布板作为绝缘基板，在100℃条件下烘干2小时，以除去基板中的水分，然后将基板编号，称重，得到初始质量。
步骤二：配制低阻防晕漆样品：称取80g低阻防晕漆漆基(该低阻防晕漆漆基的主要成分为环氧树脂与乙炔黑研磨而成)，再称取8g固化剂和低阻防晕漆漆基充分混合并搅拌10min，得到混合漆，混合气中：防晕漆漆基和固化剂的质量比为10：1；然后将混合漆均匀地涂敷在预先准备好的环氧玻璃布板上，室温固化24小时。再将固化好的样品进行编号：1-5号为一组，6-10号为一组，11-15号为一组，分别设置不同的试验条件。
然后将所有样品称重，得到涂敷后的质量，算出质量增加量。
步骤三：采用万用表对所有的样品进行表面电阻的测量，每个样品至少测3个点，取其平均值为表面电阻。其中，测量的电极结构如图2所示。
计算表面电阻率时，按下式计算：
ρs＝4Rs
式中：ρs为表面电阻率，单位为Ω，Rs为表面电阻，单位为Ω。
步骤四：取1、6、11号样品作为傅立叶红外光谱分析专用样品，用小锉刀将样品锉下约1～2mg细粉加100～200mg溴化钾，在玛瑙研钵中研磨成细粉。研磨时，不断用小不锈钢铲把样品刮至研钵中心，以便研磨得更细，避免颗粒不均匀产生散射，造成基线不平。研磨5～15min，将样品在红外灯下充分干燥即可压片，油压机压力为8000～15000kg/cm2，加压时间至少1min，得到透明锭片。
再分别测试得到1、6、11号样品的傅立叶红外图谱，由图谱数据分析可以得到样品的羰基指数。因为，高分子材料在老化过程中，尤其是氧化降解过程中，其不饱和基团等易氧化的基团会发生氧化而转化为羰基，羰基指数的变化常常作为高分子老化程度的表征方法之一。
步骤五：将三组样品分别放入三台鼓风恒温箱，每台恒温箱放一组样品，进行空气热老化模拟。鼓风恒温箱设置温度分别为80℃、100℃、120℃，空气置换率均为3～10次/小时。
步骤六：根据国际标准IEC 60811-1的规定，采用等比级数将老化时间设定为0、72、168、336、696、838、1154h。到达相应的老化时间后，取出样品，冷却至室温，观察样品外观形貌和颜色，并拍照记录。然后称量样品重量，与初始质量对比，计算出质量损失率，如下式：
式中ηi为质量损失率，m0为试样初始质量，mi为；mi为在温度为Ti的环境中暴露ti时间的试样质量。下标i为试样编号。
分别对80、100、120℃下2-5号、7-10号、12-15号样品的质量损失率取平均数，以此平均数作为该温度下低阻绝缘漆的质量损失率。
测量每个样品的表面电阻率，每个样品测3个点，取平均值，以此平均值作为该温度下低阻绝缘漆的表面电阻率。
用锉刀刮取1、6、11号样品1～2mg，重复步骤三中的傅立叶红外图谱测试，计算出该温度下各个样品的羰基指数。
步骤七：数据结果分析，对照每个老化时间样品的颜色外观，如果在该老化时间下有明显的变化，诸如颜色的变化、光泽度变化、发黏、脆化、变硬、粉化、起皮、褶皱、开裂、出现银纹、污渍、斑点等，记录下形貌照片，并作为对比参数。
分析不同温度不同老化时间下的表面电阻率，做出表面电阻率随老化时间变化的曲线，观察表面电阻率的变化趋势，如果在某个老化时间表面电阻率发生较大变化，超出103～105Ω的范围，则判断为绝缘失效。
由不同温度不同老化时间下的羰基指数数据分析，可以得到不同老化温度条件下，羰基指数随老化温度变化的曲线，从而可以从微观角度了解各个老化温度下不饱和基团发生氧化反应的速度，评价在不同老化温度下低阻防晕漆的抗热氧老化特性。
根据实验测试结果，可以得出三个不同温度下各个老化时间的质量损失率，用最小二乘法进行数据拟合，得到不同温度下，质量损失率和老化时间的关系曲线。
根据IEC 216-2标准，采用热质量损失率3.4％作为环氧树脂的失效标准。则可以由拟合曲线，计算出质量损失率达到3.4％时的老化时间，从而计算出不同老化温度下，低阻防晕漆材料的寿命。
Claims (10)
1.一种高压电机低阻防晕漆材料的寿命分析方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：根据高压电机低阻绝缘漆的真实使用情况，截取N个尺寸适合的环氧玻璃布板作为基板，对基板加热烘干以除去基板中的水分，得到初步的样品，然后将样品编号，称重，得到每个样品的初始质量；
步骤二：按照10：1的质量比，称取低阻防晕漆漆基和固化剂，进行充分混合搅拌，得到混合漆；然后将混合漆均匀的涂敷在步骤一得到的样品上，并固化；将固化好的样品编号，并分为M组，每一组样品的个数几乎相同；对编好号的所有样品进行称重，得到涂敷混合漆后的质量，算出样品的质量增加量；
步骤三：对步骤二涂敷混合漆后的所有样品进行表面电阻的测量，每个样品至少测量3个点，取其平均值为表面电阻，并计算表面电阻率；
步骤四：从每一组样品中分别取一个样品，共M个样品，分别从样品上取下少量样品粉末，分别加入一定量的溴化钾并研磨成细粉，细粉的粒度范围为1～10μm；再将研磨好的细粉状的样品进行红外干燥，并压片，得到M个透明或均匀半透明锭片；然后，分别测试得到M个锭片的傅立叶红外图谱，由图谱数据分析得到样品的羰基指数；
步骤五：将所述M组样品分别进行空气热老化模拟实验，在每一组样品的空气热老化模拟实验中，设置多组递增的温度值和匹配的空气置换率；
步骤六：将每一组样品的空气热老化模拟实验，设置多个递增的老化时间，每达到相应的老化时间，则将样品均冷却至室温，观察样品的外观形貌和颜色，并拍照记录；并将每个样品再次进行称量，与初始质量对比，计算出质量损失率；
在同样多组递增的温度条件下，将未做为傅立叶红外光谱分析专用样品的N-M个样品，测出相应温度下的质量损失量，进而求出质量损失率，并取平均数，并以此平均数作为相应温度值下低阻绝缘漆的质量损失率；
接着，测量每个样品的表面电阻率，每个样品至少测3个点，取平均值，以此平均值作为相应温度值下低阻绝缘漆的表面电阻率；
按照步骤四，继续取同样编号的M个样品，重复同样的傅立叶红外图谱测试，计算出相应温度值下各个样品的羰基指数；
步骤七：对照每个老化时间样品的颜色外观，如果在相应老化时间下有明显的变化，记录下形貌照片，作为对比参数；
分析不同温度不同老化时间下的表面电阻率，做出表面电阻率随老化时间变化的曲线，观察表面电阻率的变化趋势，如果在某个老化时间表面电阻率发生较大变化，超出一定的范围，则判断为绝缘失效；
由不同温度不同老化时间下的羰基指数数据分析，得到不同老化温度条件下，羰基指数随老化温度变化的曲线，从微观角度了解各个老化温度下不饱和基团发生氧化反应的速度，评价在不同老化温度下低阻防晕漆的抗热氧老化特性；
从而，根据实验测试结果，得出不同温度下各个老化时间的质量损失率，用最小二乘法进行数据拟合，得到不同温度下，质量损失率和老化时间的关系曲线；设定热质量损失率达到一定的值作为环氧树脂的失效标准，则由拟合曲线，计算出质量损失率达到该值时的老化时间，从而计算出不同老化温度下，低阻防晕漆材料的寿命。
2.根据权利要求1所述的高压电机低阻防晕漆材料的寿命分析方法，其特征在于，步骤一中，根据高压电机低阻绝缘漆的真实使用情况，至少需要截取10个环氧玻璃布板作为基板。
3.根据权利要求1所述的高压电机低阻防晕漆材料的寿命分析方法，其特征在于，步骤三中，所述表面电阻率按下式计算：
ρs＝4Rs
式中：ρs为表面电阻率，单位为Ω；Rs为表面电阻，单位为Ω。
4.根据权利要求1所述的高压电机低阻防晕漆材料的寿命分析方法，其特征在于，步骤六中，所述质量损失率按下式计算：
式中：ηi为质量损失率，m0为样品初始质量，mi为在温度为老化温度Ti的环境中暴露老化时间ti的样品质量，下标i为样品编号。
5.根据权利要求1所述的高压电机低阻防晕漆材料的寿命分析方法，其特征在于，所述步骤二中，样品涂敷了混合漆后，进行固化的时间至少为24h。
6.根据权利要求1所述的高压电机低阻防晕漆材料的寿命分析方法，其特征在于，所述步骤四中，样品粉末和加入的溴化钾的质量比是1：200。
7.根据权利要求1所述的高压电机低阻防晕漆材料的寿命分析方法，其特征在于，所述步骤五中，将M组样品分别放入M个鼓风恒温箱，将鼓风恒温箱的温度分别设置多个递增的温度值。
8.根据权利要求1所述的高压电机低阻防晕漆材料的寿命分析方法，其特征在于，所述步骤六中，老化时间根据国际标准IEC 60811-1的规定，采用等比级数进行设定。
9.根据权利要求1所述的高压电机低阻防晕漆材料的寿命分析方法，其特征在于，所述步骤七中，判断绝缘失效的判断原则是：表面电阻率超出103～105Ω范围的均为绝缘失效。
10.根据权利要求1所述的高压电机低阻防晕漆材料的寿命分析方法，其特征在于，所述步骤七中，采用热质量损失率3.4％作为环氧树脂的失效标准。
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