CN112033660B - 一种发电机防晕系统应力测试分析方法 - Google Patents

一种发电机防晕系统应力测试分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种发电机防晕系统应力测试分析方法，包括以下步骤：(1)分别利用具有不同Hildebrand溶解度参数δ的溶剂，对发电机防晕系统进行浸泡，使其各层结构发生不同程度的软化；(2)将一系列软化后的发电机防晕系统表面擦干，采用光弹性贴片法获取其表面应力，同时采用脉冲激振法测定其表面杨氏模量；(3)以步骤(1)选择的各溶剂的Hildebrand溶解度参数δ对步骤(2)测得的杨氏模量作图，得到曲线的斜率SF和截距KF；(4)以各溶剂的Hildebrand溶解度参数δ对表面应力作图，得到曲线的斜率SH和截距KH；(5)采用以下公式计算得到衡量测试样品内应力大小的参数NTH：
Figure DDA0002670497820000011
本发明测试所得NTH的值越小，则说明测试样品的内部应力越小，离更换年限越久。

Description

一种发电机防晕系统应力测试分析方法
技术领域
本发明属于发电机防晕系统的应力监测技术领域，具体涉及一种发电机防晕系统应力测试分析方法。
背景技术
防晕系统是发电机内设置的一个必要结构，其在发电机组工作中起着重要作用。随着发电机组的额定电压越来越高，发电机定子线棒与绕组端部防晕系统的作用也越来越大，其主要功能是均匀化线棒端部表面的电场分布，防止施加电压时线棒端部因局部电场强度过高而发生电晕放电。在实际机组设计中，若线棒端部表面无防晕系统，由于主绝缘表面电阻率太高，线棒表面电位在靠近铁芯或低电阻层附近的电位将迅速降低，进而导致线棒端部出现极高的局部场强，将引起线棒端部表面的电晕放电现象。
发电机定子绕组由若干支定子线棒依照一定的电气连接方式构建而成，因此定子绕组防晕系统的关键是定子线棒端部防晕结构。对于大型发电机组定子线棒，目前主要采用一次成型防晕结构，即定子线棒主绝缘(若干层环氧玻璃丝粉云母带绕包)浸渍双酚A环氧树脂后(未固化)，绕包高电阻防晕带，再包扎防晕保护层(环氧玻璃丝粉云母带，与主绝缘材料一致)，经模具在高温下热压固化成型，使得防晕带与主绝缘、防晕保护层固化为一体结构。最后在固化的防晕保护层表面涂刷防晕漆，进一步优化端部电场分布。
发电机运行的起停使电机内部温度变化剧烈，在循环的温度升降作用下，电机内各部件也随之膨胀与收缩。定子绕组铜导线、高电阻防晕层及防晕漆层均因为存在焦耳损耗而发热，而防晕带及防晕漆层与主绝缘和防晕保护层材料在热力学性能上的差异，必将在粘接面处形成内应力，经长期内应力疲劳后，导致防晕系统出现分层，发生电晕放电。根据近些年现场统计发现，已出现多起因高电阻防晕层发生分层产生定子绕组电晕腐蚀问题，影响机组可靠运行。为了验证发电机定子线棒防晕结构的安全性，必须通过试验方法测量得到防晕系统的应力情况。
目前已有的对材料进行应力测量的方法主要有钻孔法、切片法、压痕应变法等，其原理是对材料表面进行破坏、安装传感器，然后获取应力数值。然而，由于发电机防晕系统结构复杂，材料结构状态稳定性强、对上述测试方法的响应性低，往往难以获得具有规律性和辨识度的结果，不适用于发电机防晕系统的应力检测。包括以上方法在内的现有方法均存在难以直接用于测试大型发电机组防晕系统的应力检测，且其检测结果准确度很低，耗费时间长。
因此，亟待提供一种能够适用于发电机防晕系统的应力测试方法。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述技术问题，而提供一种发电机防晕系统应力测试分析方法。本发明提供的应力测试分析方法能够很好用于发电机防晕系统的应力测试，其测试准确度高、测试效率高、花费时间较短；另一方面，本发明的方法还能够很好用于发电机防晕系统的应力监测和分析，通过对防晕系统应力测试的结果，可以很好获得发电机内部防晕系统的使用寿命等情形，方便及时掌握工况并进行更换，降低发生风险的可能。
为了实现本发明的上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种发电机防晕系统应力测试分析方法，所述方法包括以下步骤：
(1)利用具有不同Hildebrand溶解度参数δ的溶剂组成的溶剂体系，对发电机防晕系统进行浸泡，使其分别在不同溶剂的作用下，发生不同程度的软化；
(2)将软化后的发电机防晕系统表面擦干，测量其表面应力，同时测定其表面的杨氏模量；
(3)以步骤(1)溶剂体系中选择的各溶剂的Hildebrand溶解度参数δ对步骤(2)测得的杨氏模量作图，得到曲线的斜率SF和截距 KF；
(4)以溶剂体系中各溶剂的Hildebrand参数δ对表面应力作图，得到曲线的斜率SH和截距KH；
(5)采用以下公式计算得到衡量测试样品内应力大小的参数NTH
Figure RE-GDA0002738712530000031
本发明的设计思路是：分别利用具有不同Hildebrand溶解度参数δ的溶剂，对发电机防晕系统同一样品进行浸泡，溶剂溶胀会导致绝缘系统的各层结构变软，从而使其内应力在各层之间的差异性被放大。而不同极性的溶剂对环氧绝缘有不同的溶胀效果，各层结构在不同溶剂的作用下，会发生不同程度的软化。通过调控对发电机防晕系统的“刺激”，使其发生不同程度软化后，再对其进行应力测试、杨氏模量测试，并结合测试所得到的各参数，拟定出可以直接评价材料内应力情况的计算公式如上，其基本规律为：材料内应力越大、对溶剂“刺激”的响应性就越强，根据该公式进行量化计算，所得参数就越大，从而能够定量、精准分析材料的内应力情况。由于该公式是以材料发生不同程度的软化后测试所得的各项参数进行计算，各项参数值测试准确，经公式计算后结果准确度高，因此本发明方法对发电机防晕系统的应力测试准确度高、测试效率高、花费时间短，并可进行系统分析，准确掌握发电机内部防晕系统的应力变化情况。
通过本发明的上述公式计算得到的NTH，符合NTH值越小时，样品的内应力越小；NTH值越大时，则样品的内应力越大的规律。
进一步的是，步骤(1)中所述溶剂包括十八氟辛烷、癸烷、正戊烷、己烷、正庚烷、正辛烷、环己烷、环戊烷、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、苯、甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、丙酮、甲基氰或碳酸丙烯，所述溶剂体系包括以上溶剂中的任意两种以上的组合。上述溶剂体系包含至少两种以上的溶剂组合指的是如下含义：分别选用不同的单一溶剂或者是不同的混合溶剂对同一样品进行浸泡，使得样品材料发生不同程度的软化，然后对经过不同程度软化的样品进行后续的表面应力和杨氏模量的测定，以及进行作图分析。只有组成的单一溶剂或者混合溶剂至少需要两种以上时，才能分别对同一样品进行浸泡后获得不同的软化测定值，从而作出步骤(3)和(4)所需要的图。所以溶剂体系中的溶剂组合方式是保证至少有两种以上不同的组合。
进一步的是，步骤(1)中所述浸泡的时间为0.1-100h。
较优先的是，步骤(1)中所述浸泡的温度为0.5-50h。
最优先的是，步骤(1)中所述浸泡的时间为1-10h。
上述浸泡时间可根据发电机防晕系统在不同溶剂体系下的软化难易程度来确定，绝缘材料在某些溶剂组合下比较容易软化，该类溶剂的沸点较高，此时浸泡软化的温度可以达到较高水平，从而能够快速将材料软化。而有些材料在某些溶剂组合下软化所需时间比较久，该类溶剂一般沸点较低，此时浸泡软化的温度也较低，所以将材料浸泡软化的时间也较长。为了经济考虑，可以选择合适的溶剂组合，来将浸泡时间限定在1-10h之内，即能达到很好的测试效果，测试数据的准确度也高。
进一步的是，步骤(1)中所述浸泡的温度为20-240℃。该温度范围的选择是根据具体选择的不同溶剂的沸点来确定，有些溶剂的沸点较低，所以浸泡的温度设置也较低，有些溶剂的沸点较高，所以浸泡的温度设置也较高，但一般保证浸泡的温度要低于溶剂的沸点。
进一步的是，步骤(2)中所述表面应力的测量方法为采用光弹性贴片法进行测量。其中的光弹性贴片法为本领域常规的用于测量表面应力的方法，可参考实施例中列举的文献中的测量方法。
进一步的是，步骤(2)中所述杨氏模量的测定方法为采用脉冲激振法测定杨氏模量。脉冲激振法也是本领域常规的测定杨氏模量的方法，，可参考实施例中列举的文献中的测量方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明提供的应力测试分析方法能够很好用于发电机防晕系统的应力测试，其测试准确度高、测试效率高、花费时间较短；很好解决了现有材料的应力测试方法无法用于发电机防晕系统的问题；
(2)本发明的方法能够对发电机防晕系统的应力进行监测和分析，通过对防晕系统应力测试的结果，可以很好获得发电机内部防晕系统的使用寿命等情形，方便及时掌握工况并进行更换，降低发生风险的可能。
附图说明
图1为实施例1中的测试方法得到的Hildebrand溶解度参数δ与杨氏模量的关系曲线图；
图2为实施例1中的测试方法得到的Hildebrand溶解度参数δ与表面应力的关系曲线图；
图3为实施例2中的测试方法得到的Hildebrand溶解度参数δ与杨氏模量的关系曲线图；
图4为实施例2中的测试方法得到的Hildebrand溶解度参数δ与表面应力的关系曲线图；
图5为实施例3中的测试方法得到的Hildebrand溶解度参数δ与杨氏模量的关系曲线图；
图6为实施例3中的测试方法得到的Hildebrand溶解度参数δ与表面应力的关系曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要指出的是，以下实施例仅仅用于对本发明进行解释和说明，并不用于限定本发明。本领域技术人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本发明所列举的可供选择的溶剂体系中各溶剂的沸点和 Hildebrand溶解度参数δ如下表1所示：
表1
Figure RE-GDA0002738712530000071
Figure RE-GDA0002738712530000081
溶剂体系是从上述表1中选择不同的单一溶剂或混合溶剂的组合来分别浸泡同一样品，使该样品发生不同程度的软化，然后进行本发明方法的测试。
实施例1
采用以下测试方法对水力发电机场内的发电机防晕系统进行应力测试分析，该水力发电机场位于四川省雅安市石棉县境内，电站采用混流式水轮发电机组，单机容量650MW，总装机容量2600MW，发电机型号为SF650－48/1450(实施例2和3中的发电机组相同)，该发电机已正常运行1年。通过对该发电机防晕系统进行应力测试分析，其测试步骤和所得结果如下：
一种发电机防晕系统的应力测试分析方法，按照以下步骤进行：
(1)溶剂体系选择以表1中的正辛烷、二甲苯、碳酸二甲酯三种溶剂组成，采用上述3种溶剂分别对同一发电机防晕系统样品进行浸泡，浸泡温度均为55℃，浸泡时间均为3h。从而使其各层结构在不同溶剂的浸泡作用下，发生不同程度的软化；
(2)将经不同程度软化后的发电机防晕系统表面擦干，采用光弹性贴片法获取其表面应力(光弹性贴片法参考“应用光学，2014 年02期275-280页”文献的方法)，同时采用脉冲激振法测定其表面的杨氏模量(脉冲激振法参考“耐火材料，2020年03期，253-255 页”文献的方法)；
(3)以步骤(1)溶剂体系中选择的各溶剂的Hildebrand参数δ对步骤(2)测得的杨氏模量作图(见图1)，得到曲线的斜率SF和截距KF，斜率SF＝-0.313、截距KF＝11.0；
(4)以溶剂体系中各溶剂的Hildebrand参数δ对表面应力作图 (见图2)，得到曲线的斜率SH和截距KH，斜率SH＝0.0155、截距 KH＝-0.0898；
(5)采用以下公式计算得到衡量测试样品内应力大小的参数NTH
Figure RE-GDA0002738712530000091
最终计算得到：NTH＝21.14
上述计算结果表明：NTH的值很小，说明测试样品的内部应力很小，不需要更换防晕系统，且使用年限还很长。由于该发电机实际正常运行才满1年，其防晕系统的内部应力应该很小，计算结果表明测试样品的内部应力也很小，完全不需要更换，符合客观规律，测试结果准确。
实施例2
采用以下测试方法对水力发电机场内的发电机防晕系统进行应力测试分析，该发电机已正常运行18年。通过对该发电机防晕系统进行应力测试分析，其测试步骤和所得结果如下：
一种发电机防晕系统的应力测试分析方法，按照以下步骤进行：
(1)溶剂体系选择以表1中的正庚烷和丙酮组成，采用上述2 种溶剂分别对同一发电机防晕系统样品进行浸泡，浸泡温度为25℃，浸泡时间为1h。从而使其各层结构在不同溶剂的作用下，发生不同程度的软化；
(2)将软化后的发电机防晕系统表面擦干，采用光弹性贴片法获取其表面应力(光弹性贴片法参考“应用光学，2014年02期275-280 页”文献的方法)，同时采用脉冲激振法测定其表面的杨氏模量(脉冲激振法参考“耐火材料，2020年03期，253-255页”文献的方法)；
(3)以步骤(1)溶剂体系中选择的各溶剂的Hildebrand参数δ对步骤(2)测得的杨氏模量作图(如图3)，得到曲线的斜率SF和截距KF，斜率SF＝-1.442、截距KF＝30.679。
(4)以溶剂体系中各溶剂的Hildebrand参数δ对表面应力作图 (如图4)，得到曲线的斜率SH和截距KH，斜率SH＝0.127、截距 KH＝-1.636。
(5)采用以下公式计算得到衡量测试样品内应力大小的参数NTH
Figure RE-GDA0002738712530000101
最终计算得到：NTH＝531.4
上述计算结果表明：NTH的值较大，说明测试样品的内部应力很大，已接近更换年限。由于该发电机已工作运行满18年，其防晕系统的内部应力确实很大，到了需要更换的年限，计算结果也表明该测试样品的内部应力很大，到了该更换的年限，符合客观规律，测试结果准确。
实施例3
采用以下测试方法对火力发电机场内的发电机防晕系统进行应力测试分析，该发电机已正常运行9年。通过对该发电机防晕系统进行应力测试分析，其测试步骤和所得结果如下：
一种发电机防晕系统的应力测试分析方法，按照以下步骤进行：
(1)溶剂体系选择以癸烷、乙酸乙酯、苯、碳酸二甲酯组成，采用上述4种溶剂组合分别对同一发电机防晕系统样品进行浸泡，浸泡温度为66℃，浸泡时间为10h。从而使其各层结构在不同溶剂的作用下，发生不同程度的软化；
(2)将软化后的发电机防晕系统表面擦干，采用光弹性贴片法获取其表面应力(光弹性贴片法参考“应用光学，2014年02期275-280 页”文献的方法)，同时采用脉冲激振法测定其表面的杨氏模量(脉冲激振法参考“耐火材料，2020年03期，253-255页”文献的方法)；
(3)以步骤(1)溶剂体系中选择的各溶剂的Hildebrand参数δ对步骤(2)测得的杨氏模量作图(见图5)，得到曲线的斜率SF和截距KF，斜率SF＝-0.556、截距KF＝17.174。
(4)以溶剂体系中各溶剂的Hildebrand参数δ对表面应力作图 (见图6)，得到曲线的斜率SH和截距KH，斜率SH＝0.0159、截距 KH＝-0.102。
(5)采用以下公式计算得到衡量测试样品内应力大小的参数NTH
Figure RE-GDA0002738712530000111
最终计算得到：NTH＝53.5
上述计算结果表明：NTH的值较小，说明测试样品的内部应力还不够大。由于该发电机正常运行有9年，其防晕系统的内部应力有所增大，但仍能很好满足使用要求，尚还不需要更换，计算结果也表明测试样品内部应力只是有所增长，但还不需要更换，符合其客观规律，测试结果准确。
结果准确性分析：
(一)通过本发明实施例1-3的方法测试获得的发电机防晕系统的内部应力大小符合其使用年限客观规律，能够很好反应出发电机防晕系统内应力的变化规律，可很好用于防晕系统使用情况的监测，具备快速高效准确的特点。且本发明提供的方法能够在1-10h内即可完成对多个样品的应力测试分析，其测试效率高、花费时间短；而现有的钻孔法、切片法、压痕应变法，其不仅测试准确率低，而且测试时间长，无法被应用于发电机防晕系统的应力测试分析。
(二)准确率分析：
将实施例1-3所测得的NTH值进行准确率评估，以发电机防晕系统最终损坏，无法正常工作的使用年限为准，发现通过本发明的方法测得所得NTH值所表征出的防晕系统达到需要更换的年限与实际使用年限相吻合(一般使用寿命为18-20年)，经过对多个样品的多次测试，其误差在5％以内。
采用传统钻孔法对实施例1-3中的发电机防晕绝缘系统进行内应力测试，所得结果分别为1.3±0.2MPa、9.2±1.4MPa、3.9±0.7MPa，该方法下测试所得内应力的大小规律与本发明方法测试的大小规律相吻合。但采用上述钻孔法对达到更换年限的发动机防晕系统的内应力测得结果显示其需要更换的年限与实际使用年限相比有20％的误差，表明其准确率比本发明方法更低。

Claims (8)

1.一种发电机防晕系统应力测试分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)利用具有不同Hildebrand溶解度参数δ的溶剂组成的溶剂体系，对发电机防晕系统进行浸泡，使其分别在不同溶剂的作用下，发生不同程度的软化；
(2)将软化后的发电机防晕系统表面擦干，测量其表面应力，同时测定其表面的杨氏模量；
(3)以步骤(1)溶剂体系中选择的各溶剂的Hildebrand溶解度参数δ对步骤(2)测得的杨氏模量作图，得到曲线的斜率SF和截距KF；
(4)以溶剂体系中各溶剂的Hildebrand溶解度参数δ对表面应力作图，得到曲线的斜率SH和截距KH；
(5)采用以下公式计算得到衡量测试样品内应力大小的参数NTH
Figure FDA0002670497790000011
2.根据权利要求1所述的发电机防晕系统应力测试分析方法，其特征在于，步骤(1)中所述溶剂包括十八氟辛烷、癸烷、正戊烷、己烷、正庚烷、正辛烷、环己烷、环戊烷、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、苯、甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、丙酮、甲基氰或碳酸丙烯，所述溶剂体系包括以上溶剂中的任意两种以上的组合。
3.根据权利要求1所述的发电机防晕系统应力测试分析方法，其特征在于，步骤(1)中所述浸泡的时间为0.1-100h。
4.根据权利要求3所述的发电机防晕系统应力测试分析方法，其特征在于，步骤(1)中所述浸泡的时间为0.5-50h。
5.根据权利要求4所述的发电机防晕系统应力测试分析方法，其特征在于，步骤(1)中所述浸泡的时间为1-10h。
6.根据权利要求1所述的发电机防晕系统应力测试分析方法，其特征在于，步骤(1)中所述浸泡的温度为20-240℃。
7.根据权利要求1所述的发电机防晕系统应力测试分析方法，其特征在于，步骤(2)中所述表面应力的测量方法为采用光弹性贴片法进行测量。
8.根据权利要求1所述的发电机防晕系统应力测试分析方法，其特征在于，步骤(2)中所述杨氏模量的测定方法为采用脉冲激振法测定杨氏模量。
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