CN114002532B - 抽水蓄能发电电动机vpi线棒绝缘热机械劣化的判定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及线棒绝缘热机械劣化判定技术领域，特指抽水蓄能发电电动机VPI线棒绝缘热机械劣化的判定方法，包括：周期性地对线棒进行冷热循环试验，每个周期前后进行绝缘介质损耗因数试验及结果判读，并获得对应数据；若判读结果为数据合格，进行冷热循环试验；若判读结果为数据不合格，用铜锤敲打线棒，并用声音采集与分析系统进行信号处理，确定热机械劣化状态下的频谱特征，作为劣化判据。在本发明中，将抽水蓄能发电电动机特有的绝缘热机械劣化的电气特征与铜锤敲击法的声学特征建立对应的关系，适用于抽水蓄能发电电动机定子线棒及绕组、变速抽水蓄能发电电动机定转子绕组及线棒绝缘的热机械劣化状态评估，可有效检验绝缘的热机械劣化状态。
Description
技术领域
本发明涉及线棒绝缘热机械劣化判定技术领域，特指抽水蓄能发电电动机VPI线棒绝缘热机械劣化的判定方法。
背景技术
当前我国正处于能源绿色低碳转型发展的关键时期，风力发电、光伏发电等新能源大规模高质量发展对调节电源的需求更加迫切；抽水蓄能发电作为当前技术最成熟、全生命周期碳减排效益最显著、经济性最好且最具大规模开发的可调节电源，将迎来大发展的阶段。
与常规水轮发电机组起提供基础电力负荷不同，抽水蓄能发电电动机的主要作用包括电网调峰功能和填谷功能，因而需要机组频繁启停，在频繁启停的过程中定速抽水蓄能发电电动机线棒和变速抽水蓄能发电电动机定转子线棒铜导体的电流将发生剧烈变化而导致温度的突变，由于铜导体和环氧云母绝缘的热膨胀系数不同而产生内剪切应力，使绝缘发生热机械劣化，产生局部放电，严重时将导致绝缘产生贯穿性放电，引发严重事故的发生，威胁电网的安全运行。
热机械劣化是抽水蓄能机组特有的绝缘劣化特征，检验该特征的冷热循环试验方法也是基于国内外运行多年的抽水蓄能机组绝缘失效故障特性而制定。冷热循环试验是国内外公认的产生绝缘机械劣化的方法，可通过绝缘电气诊断试验判定机械劣化状态，由于电站现场条件的限制(无法对单支线棒进行“三电极”介质损耗因数试验)，而不能通过电气诊断试验判定运行机组绝缘的热机械劣化状态；铜锤敲击法是简便的、适用于电站现场的绝缘状态检测方法，该方法通过“人耳”识别的方式判定绝缘是否“发空”,其中发空意味着绝缘内存在气隙，在运行过程中容易产生局部放电，其缺点是不能确定绝缘劣化的类型和放电的严重程度，因而到目前位置，尚未找到适用于电站现场抽水蓄能机组绝缘热机械劣化判定的合适方法。
发明内容
本发明的发明目的在于：为了解决现有技术中所存在的问题，本发明提供了抽水蓄能发电电动机VPI线棒绝缘热机械劣化的判定方法。
为了解决现有技术中所存在的问题，本发明采用以下技术方案：
抽水蓄能发电电动机VPI线棒绝缘热机械劣化的判定方法，包括有以下步骤：
周期性地对线棒进行冷热循环试验，每个周期前后进行绝缘介质损耗因数试验及结果判读，并获得对应数据；
若判读结果为数据合格，继续进行冷热循环试验；
若判读结果为数据不合格，用铜锤敲打线棒，并用声音采集与分析系统进行信号处理，确定热机械劣化状态下的频谱特征，作为劣化判据。
作为本发明抽水蓄能发电电动机VPI线棒绝缘热机械劣化的判定方法的技术方案的一种改进，所述线棒采用矩形铜导体作为内芯，在所述铜导体的两个末端面上设置若干个通孔，且所述铜导体中部包绕少胶云母带，且所述少胶云母带的表面上包绕有低阻带，所述低阻带的两侧上包绕高阻防晕带，所述线棒整体真空压力浸渍固化成型。
作为本发明抽水蓄能发电电动机VPI线棒绝缘热机械劣化的判定方法的技术方案的一种改进，在确定劣化判据的过程中，用铜锤敲击线棒低阻区域绝缘表面；所述铜导体上包套有低阻带的位置形成所述线棒低阻区域。
作为本发明抽水蓄能发电电动机VPI线棒绝缘热机械劣化的判定方法的技术方案的一种改进，所述铜导体的两个末端面上设置4个所述通孔，所述通孔用于与大电流变压器引出线的连接。
作为本发明抽水蓄能发电电动机VPI线棒绝缘热机械劣化的判定方法的技术方案的一种改进，所述声音采集与分析系统包括有声音传感器、声音放大器和数据采集分析系统，且所述声音采集与分析系统外部连接有计算机。
作为本发明抽水蓄能发电电动机VPI线棒绝缘热机械劣化的判定方法的技术方案的一种改进，所述声音采集与分析系统把数据传送到所述计算机，所述计算机对数据进行傅里叶变换，当满足如下条件之一时，判定线棒发生热机械劣化：
在3000Hz±500Hz频率范围内出现2次及以上幅值大于背景噪声水平10倍的脉冲；在5000Hz±500Hz频率范围内出现2次及以上幅值大于背景噪声水平10倍的脉冲；在9000Hz±1000Hz频率范围内出现1次及以上幅值大于背景噪声水平15倍的脉冲。
作为本发明抽水蓄能发电电动机VPI线棒绝缘热机械劣化的判定方法的技术方案的一种改进，所述冷热循环试验采用铜导体电流加热、通风冷却的方式，每个周期为50次循环，每次循环的温度为40℃-130℃，升降温速率为2.5℃±1℃/min。
作为本发明抽水蓄能发电电动机VPI线棒绝缘热机械劣化的判定方法的技术方案的一种改进，在所述绝缘介质损耗因数试验中，试验电压为0.2UN、0.4UN、0.6UN、0.8UN、1.0UN、1.2UN，其中UN为额定线电压，在各个电压点测得的量值同时满足下列条件时判定为数据不合格，其他情况判定为数据合格；
量值(0.2UN)＜量值(0.4UN)＜量值(0.6UN)
量值(1.2UN)＜量值(1.0UN)＜量值(0.8UN)＜量值(0.6UN)
量值(0.6UN)与量值(0.2UN)的差值＞1％
量值(0.2UN)大于1％。
本发明的有益效果：
1、在本发明中，将抽水蓄能发电电动机特有的绝缘热机械劣化的电气特征与铜锤敲击法的声学特征建立对应的关系，适用于电站现场定速抽水蓄能发电电动机定子绕组及线棒，以及变速抽水蓄能发电电动机定转子绕组及线棒绝缘的热机械劣化状态评估，可有效检验绝缘的热机械劣化状态，有助于及早采取预防措施，是保证抽水蓄能机组安全可靠运行的重要和必要的检测手段；
2、在对机组进行检查时，由于不能应用三电极系统进行介质损耗因数试验，线棒端部的绝缘和防晕涂层状态将极大的影响整体介质损耗因数的试验结果，电气参数不能作为判定绝缘热机械劣化的判据；通过铜锤敲击结合声学判定的方式方法简单，不需外接高压电，判据明确，可快速确认绝缘是否发生热机械劣化，是检验具有调峰、填谷运行工况的抽水蓄能发电机组绝缘劣化特征的重要的和必要的手段。
附图说明
图1为本发明的方法原理框图；
图2为本发明中声音测量与分析原理框图。
具体实施方式
为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，抽水蓄能发电电动机VPI线棒绝缘热机械劣化的判定方法，包括有以下步骤：
周期性地对线棒进行冷热循环试验，每个周期前后进行绝缘介质损耗因数试验及结果判读，并获得对应数据；
若判读结果为数据合格，继续进行冷热循环试验；
若判读结果为数据不合格，用铜锤敲打线棒，并用声音采集与分析系统进行信号处理，确定热机械劣化状态下的频谱特征，作为劣化判据。
本发明抽水蓄能发电电动机VPI线棒进行绝缘热机械劣化的判定，根据空冷抽水蓄能发电电动机绝缘运行温度变化幅值进行冷热循环试验。在冷热循环试验的过程中热机械劣化特性的介质损耗因数变化规律的基础上，确定绝缘热机械劣化与介质损耗因数变化趋势的关系，针对绝缘热机械劣化状态，使用广泛应用的铜锤敲击法进行线棒敲击试验。与此同时，使用声音采集与分析系统对敲击声音信号进行采集与分析，确定热机械劣化的声学判据。
详细地说，线棒绝缘在运行过程中将承受电应力、热应力、机械应力和环境因素的作用，随着发电机组运行时间的增加，绝缘将逐渐劣化；不同应力和因素将产生各不相同的气隙放电特征，绝缘劣化的电气参数变化特征也不尽相同。抽水蓄能发电电动机具有频繁启停机的运行工况，由此导致绝缘与铜导体之间、绝缘层之间产生热机械应力的作用，当绝缘发生严重的热机械劣化时，表现为绝缘层间产生连续分布的气隙，且呈现椭球形分布，沿线棒长轴方向的气隙尺寸远大于沿线棒截面方向的尺寸；常规发电机组在持续的以电应力为主导的多种应力的作用下的绝缘劣化特征表现为不连续分布的气隙，呈现近似球形分布，沿线棒长轴方向的气隙尺寸近似等于沿线棒截面方向的尺寸；由于放电特性不同导致介质损耗因数的变化趋势不同，通过特征趋势可确定绝缘热机械劣化状态；铜锤敲击法是检验绝缘整体性的简易手段并已应用多年，绝缘热机械劣化状态下的铜锤敲击声学响应具有独有的声学特征，可作为现场判定绝缘热机械劣化的判据。
进一步的，线棒采用矩形铜导体作为内芯，在铜导体的两个末端面上设置若干个通孔，通孔用于与大电流变压器引出线的连接，且铜导体中部包绕少胶云母带，且少胶云母带的表面上包绕有低阻带，低阻带的两侧上包绕高阻防晕带，线棒整体真空压力浸渍固化成型。优选的，铜导体的两个末端面上设置4个通孔。
在确定劣化判据的过程中，用铜锤敲击线棒低阻区域绝缘表面；铜导体上包套有低阻带的位置形成线棒低阻区域。
声音采集与分析系统包括有声音传感器、声音放大器和数据采集分析系统，且声音采集与分析系统外部连接有计算机。声音采集与分析系统把数据传送到计算机，计算机对数据进行傅里叶变换，当满足如下条件之一时，判定线棒发生热机械劣化：
在3000Hz±500Hz频率范围内出现2次及以上幅值大于背景噪声水平10倍的脉冲；在5000Hz±500Hz频率范围内出现2次及以上幅值大于背景噪声水平10倍的脉冲；在9000Hz±1000Hz频率范围内出现1次及以上幅值大于背景噪声水平15倍的脉冲。
详细地说，用铜锤敲击包含低阻区域的绝缘表面，同时用声学传感器采集铜锤敲击的响应信号，经放大后将信号传递到数据采集系统上，再通过网络传输到计算机上，通过傅里叶分析确定声学参量的分布特征，作为劣化判据。
更详细的说，在用铜锤敲击线棒低阻区域绝缘表面时，用声音传感器采集铜锤敲击绝缘产生的声学信号，输入到声音放大器中，放大的声学信号传递到数据采集分析系统上，通过工业以太网将数据传送到远程计算机，对信号进行傅里叶变换，确定热机械劣化特征，当满足如下条件之一时判定发生热机械劣化：
在3000Hz±500Hz频率范围内出现2次及以上幅值大于背景噪声水平10倍的脉冲；在5000Hz±500Hz频率范围内出现2次及以上幅值大于背景噪声水平10倍的脉冲；在9000Hz±1000Hz频率范围内出现1次及以上幅值大于背景噪声水平15倍的脉冲。
根据国内外空冷抽水蓄能发电机组的绝缘运行温度确定冷热循环试验的温度，加热方式为内加热、强制通风冷却，保证冷热循环试验过程中沿线棒绝缘截面由内到外产生合理的温度梯度。
在冷热循环试验中采用铜导体电流加热、通风冷却的方式，每个周期为50次循环，每次循环的温度为40℃-130℃，升降温速率为2.5℃±1℃/min。以50次循环为一个周期，每个周期前后进行绝缘介质损耗因数试验，当测试数据在0.6UN下达到最大值，0.2UN-0.6UN递增、0.6UN-1.2UN递减时起至1.0UN至出现显著负增量时，判定绝缘发生较为明显的热机械劣化。
在绝缘介质损耗因数试验中，试验电压为0.2UN、0.4UN、0.6UN、0.8UN、1.0UN、1.2UN，其中UN为额定线电压，在各个电压点测得的量值同时满足下列条件时判定为数据不合格，其他情况判定为数据合格；
量值(0.2UN)＜量值(0.4UN)＜量值(0.6UN)
量值(1.2UN)＜量值(1.0UN)＜量值(0.8UN)＜量值(0.6UN)
量值(0.6UN)与量值(0.2UN)的差值＞1％
量值(0.2UN)大于1％。
在本发明中，以50次循环为一个周期进行冷热循环试验，每个周期前后进行绝缘介质损耗因数试验及结果判读，如数据合格继续进行冷热循环试验，如数据不合格用铜锤敲击线棒表面，同时用声音采集与分析系统进行信号处理，确定热机械劣化状态下的频谱特征，作为劣化判据，用于机组运行后阶段性检测与拆除线棒的绝缘热机械劣化评估。
其中，作为本发明的一种实施例，矩形铜导体作为试验线棒的内芯，截面尺寸为100mm*22mm，铜导体总长为4500mm，在铜导体两末端大面各钻4个φ14的通孔，用于与大电流变压器引出线的连接。
铜导体中间部分包绕少胶云母带，长度为4100mm，经过VPI(真空压力浸渍)工艺处理后，在中间3200mm的范围内的绝缘表面上包绕半导体低阻防电晕带，低阻防晕带两侧包绕半导体高阻防晕带，两种带子的搭接距离为20mm，高阻防晕结构的总长为140mm，放入烘箱内加热固化成型。
每个周期前后进行绝缘介质损耗因数试验，电极结构为三电极结构，试验电压为0.2UN、0.4UN、0.6UN、0.8UN、1.0UN、1.2UN，其中UN为额定线电压，不同于常规水电机组以电应力劣化为主要的老化型式，热机械劣化将导致绝缘与铜导体、绝缘层间出现显著分层，介质损耗因数随电压上升的变化规律表现出显著的不同，在总结大量热机械劣化特征参数变化规律的基础上，确定劣化判据，在各个电压点下测得的量值同时满足如下条件时判定为不合格，其他情况判定为合格：
量值(0.2UN)＜量值(0.4UN)＜量值(0.6UN)
量值(1.2UN)＜量值(1.0UN)＜量值(0.8UN)＜量值(0.6UN)
量值(0.6UN)与量值(0.2UN)的差值＞1％
量值(0.2UN)大于1％；
如图2所示，当数据不合格时，用实心铜锤敲击线棒低阻防晕区绝缘表面，与此同时将B&K声学传感器安装在被测部位附近，对主绝缘进行敲击，产生频率响应，将测量到的声学响应信号传递到B&K-1704声学放大器上，根据现场噪声环境设置放大增益后，将放大后的声学信号传递到NI-9185数据采集分析系统上，通过工业以太网将数据传送到计算机上，对信号进行傅里叶变换，确定热机械劣化特征，当满足如下条件之一时判定发生热机械劣化：
在3000Hz±500Hz频率范围内出现2次及以上幅值大于背景噪声水平10倍的脉冲；在5000Hz±500Hz频率范围内出现2次及以上幅值大于背景噪声水平10倍的脉冲；在9000Hz±1000Hz频率范围内出现1次及以上幅值大于背景噪声水平15倍的脉冲。
基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (6)
1.抽水蓄能发电电动机VPI线棒绝缘热机械劣化的判定方法，其特征在于，包括有以下步骤：
周期性地对线棒进行冷热循环试验，每个周期前后进行绝缘介质损耗因数试验及结果判读，并获得对应数据；
若判读结果为数据合格，继续进行冷热循环试验；
若判读结果为数据不合格，用铜锤敲打线棒，并用声音采集与分析系统进行信号处理，确定热机械劣化状态下的频谱特征，作为劣化判据；
所述冷热循环试验采用铜导体电流加热、通风冷却的方式，每个周期为50次循环，每次循环的温度为40℃-130℃，升降温速率为2.5℃±1℃/min；
在所述绝缘介质损耗因数试验中，试验电压为0.2UN、0.4UN、0.6UN、0.8UN 、1.0UN 、1.2UN，其中UN为额定线电压，在各个电压点测得的量值同时满足下列条件时判定为数据不合格，其他情况判定为数据合格；
量值（0.2UN）＜量值（0.4UN）＜量值（0.6 UN）
量值（1.2UN）＜量值（1.0UN）＜量值（0.8UN）＜量值（0.6UN）
量值（0.6 UN）与量值（0.2UN）的差值＞1%
量值（0.2UN）大于1%。
2.根据权利要求1所述的抽水蓄能发电电动机VPI线棒绝缘热机械劣化的判定方法，其特征在于，所述线棒采用矩形铜导体作为内芯，在所述铜导体的两个末端面上设置若干个通孔，且所述铜导体中部包绕少胶云母带，且所述少胶云母带的表面上包绕有低阻带，所述低阻带的两侧上包绕高阻防晕带，所述线棒整体真空压力浸渍固化成型。
3.根据权利要求2所述的抽水蓄能发电电动机VPI线棒绝缘热机械劣化的判定方法，其特征在于，在确定劣化判据的过程中，用铜锤敲击线棒低阻区域绝缘表面；所述铜导体上包套有低阻带的位置形成所述线棒低阻区域。
4.根据权利要求3所述的抽水蓄能发电电动机VPI线棒绝缘热机械劣化的判定方法，其特征在于，所述铜导体的两个末端面上设置4个所述通孔，所述通孔用于与大电流变压器引出线的连接。
5.根据权利要求1所述的抽水蓄能发电电动机VPI线棒绝缘热机械劣化的判定方法，其特征在于，所述声音采集与分析系统包括有声音传感器、声音放大器和数据采集分析系统，且所述声音采集与分析系统外部连接有计算机。
6.根据权利要求5所述的抽水蓄能发电电动机VPI线棒绝缘热机械劣化的判定方法，其特征在于，所述声音采集与分析系统把数据传送到所述计算机，所述计算机对数据进行傅里叶变换，当满足如下条件之一时，判定线棒发生热机械劣化：
在3000Hz±500Hz频率范围内出现2次及以上幅值大于背景噪声水平10倍的脉冲；在5000Hz±500Hz频率范围内出现2次及以上幅值大于背景噪声水平10倍的脉冲；在9000 Hz±1000Hz频率范围内出现1次及以上幅值大于背景噪声水平15倍的脉冲。
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