CN109696605A - 一种发电机定子线棒环氧云母绝缘的寿命评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发电机定子线棒环氧云母绝缘的寿命评估方法，包括以下步骤：S1，加工得到定子线棒环氧云母绝缘试样，并对试样分组；S2，确定试样的击穿电压和试验条件；S3，实施加速老化试验，获得不同试验条件下的试样击穿时间；S4，得到不同试验条件下，可靠度为95％时的定子线棒环氧云母绝缘的寿命；S5，得到定子线棒环氧云母绝缘的寿命评估模型，利用该模型对发电机定子线棒环氧云母绝缘的寿命进行评估。与现有技术相比，本发明可以在发电机的设计阶段定量预测发电机定子线棒环氧云母绝缘的寿命，可以使发电机定子线棒环氧云母绝缘的寿命满足用户的技术要求。

Description

一种发电机定子线棒环氧云母绝缘的寿命评估方法
技术领域
本发明涉及一种发电机状态诊断方法，尤其是涉及一种发电机定子线棒环氧云母绝缘的寿命评估方法。
背景技术
定子线棒是发电机的重要组成部分，其绝缘状态的好坏在很大程度上决定了发电机的使用寿命。定子线棒绝缘主要采用环氧云母绝缘体系，在长期运行过程中，遭受电、热、机械振动和环境等应力因子的联合作用，其机械性能和介电性能逐渐变坏，电气强度降低，最终导致绝缘击穿。统计结果表明，绝缘损坏是引起发电机故障的主要原因。引起环氧云母绝缘老化的主要应力有电应力、热应力、冷热循环应力、振动与冲击引起的机械应力以及环境应力等，其中，电应力和热应力是主要的老化因素。因此，开展电应力和热应力联合作用下定子线棒绝缘的寿命评估，对于预测发电机的寿命，掌握发电机的老化状态具有重要意义。
传统的定子线棒主绝缘寿命评估方法主要是通过试验建立介质损耗因数、局部放电量等多种电气参数与剩余寿命的关系，主要有局部放电参数预测法、D-图象法和其它非电气参数寿命评估法。这些方法操作繁杂，评估结果相差比较大，不够准确。史进渊在假定电应力与广义热应力对环氧云母绝缘的影响可以进行线性叠加的前提下，基于寿命损耗累积理论提出了一种环氧云母绝缘的寿命预测简化算法。但是，绝缘材料在多种应力的共同作用下，要比应力单独作用对寿命的影响要大的多，并不能简单看作应力的代数叠加。为了描述电应力和热应力联合作用对绝缘材料寿命的影响，常用绝缘材料的多因子老化模型进行分析。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种发电机定子线棒环氧云母绝缘的寿命评估方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种发电机定子线棒环氧云母绝缘的寿命评估方法，包括以下步骤：
S1，加工得到定子线棒环氧云母绝缘试样，并对试样分组；
S2，取一组试样进行电压击穿测试，确定试样的击穿电压，确定其他组的不同试验条件，试验条件包括电压和温度；
S3，实施其他组的加速老化试验，直到试样击穿，获得不同试验条件下的试样击穿时间；
S4，利用平均秩次法对步骤S3得到的试验数据进行处理，然后进行数据拟合，得到试样在不同试验条件下的双参数威布尔分布中的参数α和β，进而得到试样在不同试验条件下的可靠度函数，见式(1)，令式(1)中R(t)＝0.95，得到不同试验条件下，可靠度为95％时的定子线棒环氧云母绝缘的寿命：
式中，t为平均击穿时间，α为刻度参数，β为形状参数；
S5，建立定子线棒环氧云母绝缘的寿命评估模型如下式：
式中，U为电压，单位为kV，T为绝对温度，单位为K，L为在U、T下的击穿时间，单位为h，采用可靠度为95％时的试样击穿时间，A1、A2、B1和B2为常数参数；
利用步骤S4的结果，对式(2)进行多元回归分析，拟合得到常数参数A1、A2、B1和B2，得到最终的定子线棒环氧云母绝缘的寿命评估模型，利用该模型对发电机定子线棒环氧云母绝缘的寿命进行评估。
所述的定子线棒环氧云母绝缘试样加工流程包括：剥离定子线棒两端的绝缘材料，露出铜棒作为电极，在试样两端的端部涂抹SiC防晕漆，在试样的剩余部分表面涂上一层低电阻漆，然后进行晾干、烘干、冷却和擦拭，最后在试样中部贴上铝箔。
所述的步骤S3中，加速老化试验包括以下流程：设置温度和电压，将一组试样放置于恒温老化试验箱的绝缘子上，同时启动交流高压发生器，若试样在一个老化周期中全部发生击穿，则退出试验，并记录击穿时间，若试样未在一个老化周期中全部发生击穿，则老化周期结束后，冷却至室温，对未击穿的试样进行剩余击穿电压测试，若试样击穿，则退出试验，并记录击穿时间，否则继续进行下一个老化周期，直至同一组的所有试样均被击穿。
所述的老化周期为96h。
所述的剩余击穿电压测试持续1min，电压为U0/2，U0为步骤S2确定的击穿电压。
所述的步骤S4中，采用最小二乘法进行数据拟合。
所述的步骤S2中，试样的击穿电压确定方法为：按照标准要求分别对试样组的试样进行电压击穿测试，并取各次试验结果的中值作为试样的击穿电压。
所述的方法用于10.5kV～27kV的发电机定子线棒环氧云母绝缘的寿命评估。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)采用本发明提供的发电机定子线棒环氧云母绝缘寿命的评估方法，可以在发电机的设计阶段定量预测发电机定子线棒环氧云母绝缘的寿命，可以使发电机定子线棒环氧云母绝缘的寿命满足用户的技术要求，如果达不到设计的寿命要求，可以通过改进设计，达到延长发电机定子线棒环氧云母绝缘寿命的技术要求。
(2)FALLOU模型由于模型本身不存在阈值电压，比其它模型更加适用于绝缘材料在电和热应力共同作用下的寿命分析。因此，基于FALLOU模型建立定子线棒环氧云母绝缘的寿命评估方法，可以简化绝缘的寿命评估流程，提高评估结果的可靠性。
附图说明
图1为本发明的试验设备布置图；
图2为本实施例发电机定子线棒环氧云母绝缘的寿命与电压、温度的拟合曲面；
图3为本发明流程图；
附图标记：
1为恒温老化试验箱，2为发电机定子线棒环氧云母绝缘试样，3为绝缘子，4为交流高压发生器，5为接地导线，6为高压电缆线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图3所示，一种发电机定子线棒环氧云母绝缘的寿命评估方法，它依次包括以下步骤：
步骤一：加工定子线棒环氧云母绝缘试样。
具体加工方法为：将定子线棒加工成500mm长的试样，剥离两端的绝缘材料，各露出20mm长的铜棒作为测量电极，并将铜棒的边角打磨成光滑的弧状，在试样两端的端部均涂抹按一定比例配制的SiC防晕漆，长度各为50mm，在试样的剩余部分表面涂上一层低电阻漆，室温下晾干，然后在120℃下烘干2小时，重复2次，冷却后，用无水乙醇将表面擦拭干净，晾干后，紧密贴上铝箔。按照相同的加工方法，加工95根试样，加工完成后，随机抽取5根试样作为一组，编号为#0，其它剩余90根试样平均分成9组，每组10根试样，编号为#1～#9。
步骤二：确定试样的击穿电压及试验条件。
按照标准要求分别对#0试样组的5根试样分别进行电压击穿测试，并取5次试验结果的中值作为该批次试样的击穿电压初始值，记为U0。#1～#9试样组的试验条件如表1所示，需要注意的是，表1中的电压和温度可以根据试验材料的性能进行调整。
表1试样组与试验条件的对应关系
试样组编号 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9
电压U/kV 30 30 30 35 35 35 40 40 40
温度T/K 413 433 453 413 433 453 413 433 453
步骤三：实施加速老化试验。
将试样组的试样放置于恒温老化试验箱的绝缘子上，同时启动交流高压发生器，温度设置值和电压设置值与表1中的数值对应。一个老化周期为96h，若试样在老化过程发生击穿，则退出试验，并记录击穿时间。一个老化周期结束后，冷却至室温，对未击穿的试样进行1min，U0/2的剩余击穿电压测试，若试样击穿，则退出试验，并记录击穿时间，否则继续进行下一个老化周期，直至每组的10根试样均被击穿为止。记录9个试样组中的试样在不同试验条件下的失效时间。
步骤四：处理与分析试验数据。
根据步骤三得到的试验数据，利用平均秩次法对试验数据进行处理，并利用最小二乘法进行数据拟合，即可得到试样在不同试验条件下的双参数威布尔分布中的参数α和β，进而得到试样在不同试验条件下的可靠度函数，见下式。令式中R(t)＝0.95，即可得到不同试验条件下，可靠度为95％时的定子线棒环氧云母绝缘的寿命。
式中，t为平均击穿时间，α为刻度参数，β为形状参数。α和β为双参数威布尔分布的两个参数。
步骤五：建立定子线棒环氧云母绝缘的寿命评估模型。
定子线棒环氧云母绝缘失效主要是由电应力和热应力联合作用导致的，因此，可采用FALLOU模型进行寿命评估。该模型充分体现了热老化、电老化以及电热老化的关系。FALLOU模型可表示为：
式中，U为电压，单位为kV；T为绝对温度，单位为K；L为在U、T下的击穿时间，单位为h，本发明采用可靠度为95％时的试样寿命；A1、A2、B1、B2为常数参数，与具体的绝缘材料及试验环境条件有关。
利用步骤四中求得的不同试验条件下，可靠度为95％时的定子线棒环氧云母绝缘的寿命，基于上式利用多元回归分析法进行数据拟合，即可得到FALLOU模型的参数A1、参数A2、参数B1和参数B2，其中，A1＝1.542，A2＝-0.3088，B1＝5543，B2＝30.2，即定子线棒环氧云母绝缘的寿命评估模型为：
上述寿命评估方法涉及的原理如下：
双参数威布尔分布的失效分布函数为：
可靠度函数为：
对公式(2)取两次对数可得：
ln[-lnR(t)]＝βlnt-βlnα (3)
式中，t为时间，α为刻度参数，β为形状参数。α和β为双参数威布尔分布的两个参数。
当试样样本数量较少时，采用平均秩次法处理试验数据，可以提高失效分布函数的精度。平均秩次法的计算方法如下：
Ak＝Ak-1+ΔAk(5)
R(t)＝1-F(tk)(7)
式中，n为样品总数；i为所有样品按退出试验时间的顺序排列号；k为故障样品的顺序号；Ak为故障样品的平均秩次；Ak-1为前一个故障样品的平均秩次；ΔAk为平均秩次增量；tk为第k个样品的故障前运行时间，单位为h。
在故障数据已知的情况下，可利用公式(4)～公式(7)计算出一组经验可靠性指标。
定子线棒环氧云母绝缘失效主要是由电应力和热应力联合作用导致的，因此，可采用FALLOU模型进行寿命评估。该模型充分体现了热老化、电老化以及电热老化的关系。FALLOU模型可表示为：
式中，U为电压，单位为kV；T为绝对温度，单位为K；L为在U、T下的击穿时间，单位为h，本发明采用可靠度为95％时的试样寿命；A1、A2、B1、B2为常数参数，与具体的绝缘材料及试验环境条件有关。
为了得到参数A1、参数A2、参数B1和参数B2，本实施例利用图1所示的试验设备进行测试，具体步骤为：
步骤一：加工发电机定子线棒环氧云母绝缘试样。
具体加工方法为：将定子线棒加工成500mm长的试样，剥离两端的绝缘材料，各露出20mm长的铜棒作为测量电极，并将铜棒的边角打磨成光滑的弧状，在试样两端的端部均涂抹按一定比例配制的SiC防晕漆，长度各为50mm，在试样的剩余部分表面涂上一层低电阻漆，室温下晾干，然后在120℃下烘干2小时，重复2次，冷却后，用无水乙醇将表面擦拭干净，晾干后，紧密贴上铝箔。按照相同的加工方法，加工95根试样，加工完成后，随机抽取5根试样作为一组，编号为#0，其它剩余90根试样平均分成9组，每组10根试样，编号为#1～#9。
步骤二：确定击穿电压及试验条件。
按照标准要求分别对#0试样组的5根试样分别进行电压击穿测试，并取5次试验结果的中值作为该批次试样的击穿电压初始值，记为U0。#1～#9试样组的试验条件如表1所示，需要注意的是，表1中的电压和温度可以根据试验材料的性能进行调整。
表1试样组与试验条件的对应关系
试样组编号 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9
电压U/kV 30 30 30 35 35 35 40 40 40
温度T/K 413 433 453 413 433 453 413 433 453
步骤三：以#9试样为例，对试验流程进行详细说明。将#9试样放置于恒温老化试验箱1的绝缘子3上，温度设置为453K，同时启动交流高压发生器4，输出电压设置为40kV，然后进行老化试验，一个老化周期为96h，若试样在老化过程发生击穿，则退出试验，并记录击穿时间。一个老化周期结束后，冷却至室温，对未击穿的试样进行1min，U0/2的剩余击穿电压测试，若试样击穿，则退出试验，并记录击穿时间，否则继续进行下一个老化周期，直至每组的10根试样均被破坏为止。#1～#8试样组按照相同的试验方法进行试验，只是恒温老化试验箱的温度和交流高压发生器的输出电压根据表1所对应的试验条件进行调节。
通过以上试验方法，可以得到试样在不同试验条件下的失效时间，如表2所示。
表2试样在不同试验条件下的失效时间
步骤四：处理与分析试验数据。
根据步骤三得到的试验数据，利用平均秩次法对试验数据进行处理，并利用最小二乘法进行数据拟合，即可得到试样在不同试验条件下的双参数威布尔分布中的参数α和β，进而得到试样在不同试验条件下的可靠度函数，见公式(1)。令公式(1)中R(t)＝0.95，即可得到不同试验条件下，可靠度为95％时的定子线棒环氧云母绝缘的寿命。
以#9试样的试验数据为例对步骤四进行详细说明。#9试样的试验数据利用平均秩次法计算的结果如表3所示。
表3#9试样组利用平均秩次法的计算结果
i k t<sub>k</sub> A<sub>k</sub> ΔA<sub>k</sub> F(t<sub>k</sub>) R(t<sub>k</sub>) lnt<sub>i</sub> ln[-lnR(t)]
1 1 78 1 1 0.0673 0.9327 4.3567 -2.6638
2 2 85 2 1 0.1635 0.8365 4.4426 -1.7233
3 3 96 3 1 0.2596 0.7404 4.5643 -1.2020
4 4 103 4 1 0.3558 0.6442 4.6347 -0.8217
5 5 113 5 1 0.4519 0.5481 4.7185 -0.5086
6 6 115 6 1 0.5481 0.4519 4.7449 -0.2304
7 7 121 7 1 0.6442 0.3558 4.7958 0.0329
8 8 136 8 1 0.7404 0.2596 4.9126 0.2990
9 9 141 9 1 0.8365 0.1635 4.9487 0.5940
10 10 154 10 1 0.9327 0.0673 5.0369 0.9927
以表3中lnti为X坐标轴，以ln[-lnR(t)]为Y坐标轴，基于公式(3)利用最小二乘法进行数据拟合，即可得到#9试样组的双参数威布尔分布中的参数α和β，其中，α＝123.9，β＝5.01，将这两个参数代入公式(2)中，得到#9试样组的可靠度函数为：
采用相同的数据处理方法，即可得到#1试样组的双参数威布尔分布中的参数α和β，其中，α＝3234.6，β＝12.98，将这两个参数代入公式(2)中，得到#1试样组的可靠度函数为：
采用相同的数据处理方法，即可得到#2试样组的双参数威布尔分布中的参数α和β，其中，α＝1692.4，β＝16.64，将这两个参数代入公式(2)中，得到#2试样组的可靠度函数为：
采用相同的数据处理方法，即可得到#3试样组的双参数威布尔分布中的参数α和β，其中，α＝946.1，β＝14.29，将这两个参数代入公式(2)中，得到#3试样组的可靠度函数为：
采用相同的数据处理方法，即可得到#4试样组的双参数威布尔分布中的参数α和β，其中，α＝1107.3，β＝16.52，将这两个参数代入公式(2)中，得到#4试样组的可靠度函数为：
采用相同的数据处理方法，即可得到#5试样组的双参数威布尔分布中的参数α和β，其中，α＝555.6，β＝11.43，将这两个参数代入公式(2)中，得到#5试样组的可靠度函数为：
采用相同的数据处理方法，即可得到#6试样组的双参数威布尔分布中的参数α和β，其中，α＝364.9，β＝5.83，将这两个参数代入公式(2)中，得到#6试样组的可靠度函数为：
采用相同的数据处理方法，即可得到#7试样组的双参数威布尔分布中的参数α和β，其中，α＝430.8，β＝6.15，将这两个参数代入公式(2)中，得到#7试样组的可靠度函数为：
采用相同的数据处理方法，即可得到#8试样组的双参数威布尔分布中的参数α和β，其中，α＝192.6，β＝10.27，将这两个参数代入公式(2)中，得到#8试样组的可靠度函数为：
令公式(9)中R(t)＝0.95时，计算得到试样在电压为40kV，温度为453K条件下的95％可靠度寿命为68.5h。
令公式(10)中R(t)＝0.95时，计算得到试样在电压为30kV，温度为413K条件下的95％可靠度寿命为t＝2573.0h。
令公式(11)中R(t)＝0.95时，计算得到试样在电压为30kV，温度为433K条件下的95％可靠度寿命为t＝1415.7h。
令公式(12)中R(t)＝0.95时，计算得到试样在电压为30kV，温度为453K条件下的95％可靠度寿命为t＝768.5h。
令公式(13)中R(t)＝0.95时，计算得到试样在电压为35kV，温度为413K条件下的95％可靠度寿命为t＝925.1h。
令公式(14)中R(t)＝0.95时，计算得到试样在电压为35kV，温度为433K条件下的95％可靠度寿命为t＝428.5h。
令公式(15)中R(t)＝0.95时，计算得到试样在电压为35kV，温度为453K条件下的95％可靠度寿命为t＝219.2h。
令公式(16)中R(t)＝0.95时，计算得到试样在电压为40kV，温度为413K条件下的95％可靠度寿命为t＝265.8h。
令公式(17)中R(t)＝0.95时，计算得到试样在电压为40kV，温度为433K条件下的95％可靠度寿命为t＝144.3h。
将上述数据汇总，即可得到试样在不同试验条件下的寿命，如表4所示。
表4试样在不同试验条件下的寿命
电压U/kV 30 30 30 35 35 35 40 40 40
温度T/K 413 433 453 413 433 453 413 433 453
寿命t/h 2573.0 1415.7 768.5 925.1 428.5 219.2 265.8 144.3 68.5
以表4中电压(U，单位为kV)为X坐标轴，温度(T，单位为K)为Y坐标轴，寿命(t，单位为h)为Z坐标轴，基于公式(8)利用多元回归分析法进行曲面拟合，拟合结果如图2所示，即可得到FALLOU模型中的参数A1、参数A2、参数B1和参数B2，其中，A1＝1.542，A2＝-0.3088，B1＝5543，B2＝30.2，那么公式(8)为：
下面结合实施例对本发明的应用进行详细说明。
某型号发电机定子线棒绝缘材料为环氧云母绝缘，额定电压为18kV，定子线棒设计的正常工作温度为363K，即U＝18kV，T＝363K，将其代入下列算式中，即可求得该型号发电机定子线棒绝缘的预测寿命：
即：
本发明的上述实施例仅用于解释本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能以此限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种发电机定子线棒环氧云母绝缘的寿命评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，加工得到定子线棒环氧云母绝缘试样，并对试样分组；
S2，取一组试样进行电压击穿测试，确定试样的击穿电压，确定其他组的不同试验条件，试验条件包括电压和温度；
S3，实施其他组的加速老化试验，直到试样击穿，获得不同试验条件下的试样击穿时间；
S4，利用平均秩次法对步骤S3得到的试验数据进行处理，然后进行数据拟合，得到试样在不同试验条件下的双参数威布尔分布中的参数α和β，进而得到试样在不同试验条件下的可靠度函数，见式(1)，令式(1)中R(t)＝0.95，得到不同试验条件下，可靠度为95％时的定子线棒环氧云母绝缘的寿命：
式中，t为平均击穿时间，α为刻度参数，β为形状参数；
S5，建立定子线棒环氧云母绝缘的寿命评估模型如下式：
式中，U为电压，单位为kV，T为绝对温度，单位为K，L为在U、T下的击穿时间，单位为h，采用可靠度为95％时的试样击穿时间，A1、A2、B1和B2为常数参数；
利用步骤S4的结果，对式(2)进行多元回归分析，拟合得到常数参数A1、A2、B1和B2，得到最终的定子线棒环氧云母绝缘的寿命评估模型，利用该模型对发电机定子线棒环氧云母绝缘的寿命进行评估。
2.根据权利要求1所述的一种发电机定子线棒环氧云母绝缘的寿命评估方法，其特征在于，所述的定子线棒环氧云母绝缘试样加工流程包括：剥离定子线棒两端的绝缘材料，露出铜棒作为电极，在试样两端的端部涂抹SiC防晕漆，在试样的剩余部分表面涂上一层低电阻漆，然后进行晾干、烘干、冷却和擦拭，最后在试样中部贴上铝箔。
3.根据权利要求1所述的一种发电机定子线棒环氧云母绝缘的寿命评估方法，其特征在于，所述的步骤S3中，加速老化试验包括以下流程：设置温度和电压，将一组试样放置于恒温老化试验箱的绝缘子上，同时启动交流高压发生器，若试样在一个老化周期中全部发生击穿，则退出试验，并记录击穿时间，若试样未在一个老化周期中全部发生击穿，则老化周期结束后，冷却至室温，对未击穿的试样进行剩余击穿电压测试，若试样击穿，则退出试验，并记录击穿时间，否则继续进行下一个老化周期，直至同一组的所有试样均被击穿。
4.根据权利要求3所述的一种发电机定子线棒环氧云母绝缘的寿命评估方法，其特征在于，所述的老化周期为96h。
5.根据权利要求1所述的一种发电机定子线棒环氧云母绝缘的寿命评估方法，其特征在于，所述的剩余击穿电压测试持续1min，电压为U0/2，U0为步骤S2确定的击穿电压。
6.根据权利要求1所述的一种发电机定子线棒环氧云母绝缘的寿命评估方法，其特征在于，所述的步骤S4中，采用最小二乘法进行数据拟合。
7.根据权利要求1所述的一种发电机定子线棒环氧云母绝缘的寿命评估方法，其特征在于，所述的步骤S2中，试样的击穿电压确定方法为：按照标准要求分别对试样组的试样进行电压击穿测试，并取各次试验结果的中值作为试样的击穿电压。
8.根据权利要求1所述的一种发电机定子线棒环氧云母绝缘的寿命评估方法，其特征在于，所述的方法用于10.5kV～27kV的发电机定子线棒环氧云母绝缘的寿命评估。
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