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乐波1 李俭1 闫波1 谢恒1 蒋雄伟2 宋建成3
1.西安交通大学 西安710049 2.温州大学 温州325027 3.太原理工大学 太原030024
0 引言
大型电机运行时受到电、热、机械及各种环境应力等多种因子联合作用使其主绝缘逐渐老化并导致绝缘击穿[1]。通常用局部放电的基本参量评定绝缘的老化状态[2]，国内和国际标准中都推荐用最大放电量Qｍax来评定绝缘的放电状态[3,4]。Qmax在一定程度上可以反映绝缘放电的剧烈程度，但仅用它评定电机整体的绝缘状态有以下局限：1)Qmax在实测时易受外界干扰的影响；2)Qmax仅代表最大缺陷的放电状态，不能反映整个绝缘的放电状态。本文采用多因子加速老化的方法对电机线棒进行老化实验，用不同老化状态时的最大放电量增加率Nｑ[5]评定电机绝缘的老化状态。
1 实验简介
1.1 测量原理
用图1的TE571数字式局部放电测试系统测量电机线棒局部放电。图中LVF、HVF分别为高、低压低通滤波器；T为无局放试验变压器；C１、C２为分压器，Cx为试样线棒；Ck为耦合电容；AKV572为检测阻抗；TE571为数字式局部放电分析仪；虚线为屏蔽室。
该系统依据IEC270标准设计，频带宽度40～400 kHz。它将工频周期分为4000(50 Hz)或3333(60 Hz)个相位窗，以相位窗为单位采集、处理来自检测阻抗AKV572的局部放电信号和统计计算各种放电参量以进行绝缘状态诊断。实验采用分析模式进行测量，每次测量时间2 min，共计6000×4000个测量相位窗，将所有相位窗内的最大放电量作为本次测量的最大放电量Qmax。该系统除可以测试不同电压下的最大放电量、放电相位、放电能量外，还可计算与基本放电参量有关的参量(如统计参量)并显示与相位或时间有关的分布谱图。
1.2 多因子老化方法
实验使用某电厂的磨煤机更换环氧云母绝缘线圈的直线段。线圈额定电压UN1=6 kV；额定功率780 kW；B级绝缘，绝缘厚度2 mm。在线棒两端刷一定长度的碳化硅防止端部电晕放电［6］，线圈中部先涂刷低阻漆，然后再粘贴铝箔作为测量电极，以降低线棒绝缘表面与铝箔电极的接触电阻 ，防止表面气隙放电［7］。
理想的老化方法是多种老化因子同时作用，但多因子同时作用对老化设备的要求较高，且不易实施。多因子老化实验程序如图2，先进行4 d电—热同时老化，然后进行48 h的机械振动老化 ，最后再进行50次冷热循环老化，将此3种老化为一周期，反复循环。每周期后对线棒进行局部放电测试并抽取部分线棒击穿。
实验的热老化温度为155℃；电老化所加电压为95 kV；机械振动模拟电机线圈的端部振动，振幅2 mm，振频100 Hz；将线棒放在烘箱中在40 min内迅速升温至155℃，然后在40min内用风扇强制冷却至20℃，反复循环，模拟电机启停和负荷变化时产生的热机械应力。
2 实验结果
在不同老化阶段分别测试了额定电压UN1=60 kV和UN2=38 kV时试样的Qmax。共对49根线棒进行了多因子老化实验，其中#20和#48两根线棒的Qmax随老化时间的变化见图3～6。其它试样有相似的实验结果。
由图3～6可见，在线棒多因子老化过程中，不同电压下的Qmax与老化时间之间没有固定的变化规律，变化呈波浪形。在5个老化循环中，其Qmax的变化为：1)刚开始时Qmax逐渐增大，这可能是因为绝缘中的缺陷逐渐增大；2)老化一段时间之后，Qmax减小，这是因为在放电的过程中，气隙内的放电产生了一些酸性物质和半导电物质，这些物质均匀了气隙内的局部电场，对放电有一定的抑制作用；3)气隙逐渐增大时，较大气隙也不易放电，只有较小的气隙放电，故Qmax有所减小；4)在老化后期由于线棒绝缘不断劣化，脱壳、分层和股线松动加剧，气隙逐渐增大，导致Qmax再次增大。在绝缘逐渐老化过程中，Qmax并非一直增大，故将其作为绝缘的老化状态的唯一判定指标是不准确的。
为了通过Qmax来反映绝缘的老化状态，定义最大放电量增加率Nｑ＝1n（ｑ1max/ｑ2max)，式中，q1max是额定电压UＮ1时的Qmax；q2max是UＮ２时的Qmax。Nｑ反映了Qmax随外加电压变化的速度 。＃20和＃48线棒的Qmax增加率Nｑ随老化时间的变化关系见图7～8。可见，随着老化时间的延长其Qmax的增加率Nｑ逐渐增大。
这表明随着线棒绝缘劣化程度的加剧，额定电压UＮ１时Qmax与UＮ２时Qmax的比值逐渐增大，即电压升高时放电的扩展越来越剧烈，这也意味着绝缘中的缺陷增大，缺陷之间出现连接通道，绝缘的耐放电能力下降。
为了反映Qmax与线棒剩余击穿电压UBDV的相关性，对Qmax、Nｑ与UBDV的关系进行了线性拟合,结果见表1。
Nｑ与UBDV的拟合曲线见图9。图中R为相关系数；s为标准偏差。
图9可见，试样的UBDV随着Nｑ的增加而明显降低。Nｑ与UBDV的相关系数为54.323%，属于较强相关关系。这说明绝缘介质的击穿不仅与绝缘中的缺陷有关，还与缺陷周围的绝缘状况及缺陷放电的扩展程度有关。在电压增加的过程中，Qmax增加的越快，表明局部放电的扩展越快，绝缘的耐放电能力越低，局部放电对绝缘的损伤越严重，绝缘的UBDV越低。因此，使用Nｑ来评定绝缘状态是有效的。
3 讨论
由表1和图9可见，额定电压UＮ１及UＮ２时的Qmax与UBDV的相关系数R及回归系数β都很小，近似认为没有相关性。因为Qmax仅仅代表绝缘中最大的一次放电，是一个绝对量，它并不能反映绝缘的整体情况。即使一个缺陷的放电量很大，但如果在电压升高的过程中，缺陷的放电没有发生扩展，即在绝缘中没有形成树枝化的放电通道，放电仅仅发生在缺陷内部，这种放电的影响当然也仅仅局限于缺陷内部，对整体绝缘的损伤较小。另外，绝缘的击穿除了与绝缘中的最大缺陷有关外，还与绝缘的整体状况、放电次数、放电电流、放电能量等有关。所以Qmax与UBDV的相关性不大 。
4 结论
a.在电机定子绝缘多因子老化过程中，其额定电压UN1和UN2时的Qmax随老化时间没有固定的变化规律，且Qmax与UBDV的相关性较小，因此仅用Qmax不能准确评定电机线圈的绝缘状态。
b.实验结果表明，最大放电量增加率Nｑ随老化时间的延长不断增大，且Nｑ与UBDV有较大的相关性，可以用来评定绝缘的老化状态。
参考文献
1 王绍禹，周德贵.大型发电机绝缘的运行特性与试验.北京：水利电力出版社，1993
2 邱昌容，王乃庆.电工设备局部放电及其测试技术.北京：机械工业出版社，1994
3 DL417—91电力设备局部放电现场测量导则
4 GB7354—87局部放电测量
5 Yoshida H, Inoue Y Test methods of rotating machines IEEE Trans on EI, 1986, 21(6):1069
6 宋建成，乐波.大电机主绝缘试样线棒端部防晕技术的研究.电工技术学报，2000，15(3)：1
7 宋建成，乐波等.大电机试验线棒老化特性测试电极系统的实验研究.电网技术，1999，23(10)：19
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