基于电学性能的发电机线棒主绝缘热老化特性研究.pdf
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1、绝缘材料 2023,56(8)李育林等:基于电学性能的发电机线棒主绝缘热老化特性研究基于电学性能的发电机线棒主绝缘热老化特性研究李育林1,刘向东2,韩佳轩3,王韦玉4,金海云3(1.南方电网储能股份有限公司,广东 广州 510000;2.南方电网调峰调频发电有限公司检修试验分公司,广东 广州 511400;3.西安交通大学 电力设备电气绝缘国家重点实验室,陕西 西安 710000;4.国网浙江省电力有限公司杭州供电公司,浙江 杭州 310000)摘要:抽水蓄能发电机组长期运行过程中的热效应会对定子线棒主绝缘性能造成不利影响。本文以18 kV抽水蓄能机组发电机VPI定子线棒为研究目标,制备试样并
2、设计热老化方案,通过介电性能测试、电导测试及击穿特性测试,探究定子绝缘在不同热老化温度、不同热老化周期下的电学性能变化规律。结果表明:定子线棒弯曲段试样出现了较为明显且完整的损耗峰,在热老化过程中,绝缘材料的介电常数频谱整体随着老化周期的增加呈现增大趋势,其中弯曲段试样的介电常数随频率升高出现阶梯性下降趋势。随着老化的进行,试样的电导率逐渐上升,吸收比与极化指数均呈下降趋势,直线段试样和弯曲段试样的击穿强度均不断降低,其中弯曲段试样的击穿强度下降更为明显。关键词:发电机线棒;电学性能;热老化中图分类号:TM303 DOI:10.16790/ki.1009-9239.im.2023.08.007
3、Thermal ageing characteristics of main insulation for generator bar based on electrical propertiesLI Yulin1,LIU Xiangdong2,HAN Jiaxuan3,WANG Weiyu4,JIN Haiyun3(1.China Southern Power Grid Energy Storage Co.,Ltd.,Guangzhou 510000,China;2.CSG Power Generation Co.,Ltd.Maintenance and Test Company,Guang
4、zhou 511400,China;3.State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment,Xian Jiaotong University,Xian 710000,China;4.State Grid Zhejiang Electric Power Company Hangzhou Power Supply Company,Hangzhou 310000,China)Abstract:The thermal effect in the long-term operation of pumped storage g
5、enerator sets will cause adverse effect on the main insulation performance of stator bars.Taking the VPI stator bar of an 18 kV pumped storage generator as the research object,we prepared samples and designed thermal ageing scheme.By means of dielectric property test,conductivity test,and breakdown
6、characteristic test,the electrical properties of stator insulation under different ageing temperatures and different ageing cycles were explored.The test results show that there is obvious and complete loss peak in the bending section of stator bar.During the thermal ageing process,the dielectric co
7、nstant frequency spectrum of insulating material shows an increasing trend with the increase of ageing period,and the dielectric constant of the bending section shows a stepwise decreasing trend with the increase of frequency.As thermal ageing progresses,the conductivity of samples increases gradual
8、ly,and the absorption ratio and polarization index both show a decreasing trend.The breakdown strength of the straight section sample and the bending section sample continues to decrease,and the breakdown strength of the bending section sample decreases more significantly.Key words:generator bar;ele
9、ctrical properties;thermal ageing0引 言运行工况的频繁转换以及机组负荷的快速变化使得抽水蓄能发电电动机经受复杂严酷的运行考验1-3。以粉云母为基础、环氧胶为粘合剂、玻璃布补强的定子线棒主绝缘体系,在长期持续运行中会因温度升高受热而导致材料特性发生变化。抽水蓄能发电机运行时引起高温发热的因素众多,如铜导体中流过电流产生的热量、局部的放电发热、铁心损耗、涡流损耗与摩擦生热等4-5。随着温度的升高,绝缘内部会产生一系列物理与化学反应,导致绝缘老化速度加快,绝缘性能下降,最终导致发电机剩余寿命缩短6-8。目前国内外学者对于发电机定子线棒绝缘的基金项目:中国南方电网有限
10、责任公司调峰调频发电公司科技项目(022200KK52190007)45绝缘材料 2023,56(8)李育林等:基于电学性能的发电机线棒主绝缘热老化特性研究热老化特性进行了大量研究。裴景克等9分别在纯热与热氧环境下开展了大型发电机定子线棒主绝缘的人工加速模拟老化实验及测试分析研究,为绝缘系统寿命评估提供了材料演变的基础数据。杨敏等10通过频域介电谱法测试了不同热老化时间下试样的频域介电谱,分析了热老化时间对介质损耗和相对介电常数的影响。王新等11制作了3种典型的定子缺陷模型并对其进行了加速热老化试验,利用脉冲电流法研究了热老化前后定子绝缘缺陷的局部放电特性差异。高俊国等12总结了当前几种绝缘寿
11、命预测的方法,并对寿命预测方法进行分类比较,将绝缘预测方法分为基于回归分析的预测、基于智能算法的预测以及基于数据采集的预测。绝缘电阻测试、局部放电测试、直流耐压及泄漏电流测试等传统的电学性能测试方法在发电机绝缘状态评估上得到了广泛应用13-15,但是存在模型单一、携带信息有限等缺点。本研究基于介电性能测试、直流电导特性测试及击穿特性测试方法,探究定子绝缘在不同热老化温度、不同热老化周期下的电学性能变化规律。1试 验1.1试样制备及热老化方案选用18 kV抽水蓄能机组的运行线棒作为试验初始样本,该线棒已累计工作时长9 768 h。将其切割成段状试样后,将主绝缘剥离切割加工成尺寸为90 mm80
12、mm4 mm的绝缘试样,如图1所示。根据相关标准,抽水蓄能机组运行线棒的最高允许工作温度为155,本研究的热老化温度在最高允许工作温度的基础上再分别增加25和50,即选择180和205作为电机线棒主绝缘试样加速热老化实验的温度,分别进行6个和4个周期的老化试验,具体方案如表1所示。1.2电学性能测试方法对抽水蓄能发电机定子线棒进行多项电学性能测试,包括介电性能测试、直流电导特性测试及击穿特性测试。介电性能采用Novocontrol technologies公司的Concept80 型宽带介电谱测试仪进行测试,选用 1 kV交流电压,测试频率范围为10-3103 Hz,测试前将试样两面喷金处理,
13、保证测试试样与电极间的接触良好。为排除水分的干扰,测试前将试样在100下烘干处理24 h。实际测试中,通过对试样施加一定频率的交流电压,通过计算电流得出试样的电容量,对比试样在真空下的电容量计算得到试样的相对介电常数,而介质损耗因数则由试验测得的电压电流相位差决定。直流电导特性采用Keithley 6517B型静电计测试,试验前需要对试样进行喷金处理,消除表面电导电流对实验的影响,并消除测量极对地分布电容对测试结果的影响。同时试样需在 100下烘干24 h,以排除水分对试样电导率测试的影响。击穿特性使用HCDJC-100kV型电压击穿实验仪测试,可调电压范围为0100 kV,选取板-板电极作为
14、测试电极,将试样放置于油中进行击穿实验。2结果与讨论2.1介电性能介电性能主要包括介电常数和介质损耗这两个参数,介电常数取决于试样在外电场下的偶极矩大小,决定了试样对于外电场的响应能力;而介质损耗则决定了试样在不同频率外电场作用下的损耗值,直接影响着设备绝缘材料的发热情况。因此,通过研究不同老化周期线棒绝缘的介电常数和介质损耗因数,可有效表征试样绝缘特性的变化情况。180和 205下热老化试样的介电常数与介质损耗因数频谱如图2和图3所示。从图2可以看出,随着老化周期的增加,试样的介电常数频谱整体变大,这是由于在长时间加速热老化过程中,电机线棒主绝缘材料中的环氧树脂在高温作用下发生了劣化,试样中
15、的环氧含量降低,而环氧树脂的表1加速热老化试验方案Tab.1Accelerated thermal ageing test scheme老化温度/180205第1阶段/h336168第2阶段/h672336第3阶段/h1 008504第4阶段/h1 344672第5阶段/h1 680第6阶段/h2 016图1绝缘试样实物图Fig.1Sample physical image46绝缘材料 2023,56(8)李育林等:基于电学性能的发电机线棒主绝缘热老化特性研究偶极矩与介电常数(34)均小于复合材料中玻璃纤维(4.1)与云母(79)的介电常数,因此环氧树脂含量的降低会导致复合材料整体偶极矩增加,
16、从而使得材料的介电常数增大。同时,由于在热老化作用下,试样可能发生侧链氧化过程,在试样内部产生极性基团,这一类极性基团会增大材料局部偶极矩,使材料转向极化增大,从而使整体的介电常数增大。对于弯曲段试样,无论是180热老化还是205热老化,老化后期试样介电常数随频率升高出现阶梯下降的趋势,如图2(b)、(d)所示。从图3可以看出,不同老化周期直线段试样在工频(50 Hz)下的介质损耗因数均低于1%,试验数据在合理范围内。随着老化周期的增加,试样的工频介质损耗因数总体上呈增大趋势,且试样在1 Hz及以上频段的介质损耗因数均大于未老化试样的介质损耗因数,这是由于电机线棒主绝缘材料在热老化的作用下发生
17、劣化,绝缘产生气隙,带来较大的损耗。此外,由于热老化作用,环氧树脂部分链段发生氧化与破坏过程,导致链段更易于转动,使材料整体分子链转动与均方根位移增大,介质损耗因数增大。观察图3(a)、(c)可以看到,在所有老化周期下,10-3103 Hz 频率范围均未见到完整的损耗峰,这可能受限于测量频率的范围,测量频率较低时会凸显出完整的损耗峰与峰值。与介电常数测试结果相对应,在不同温度热老化过程中,弯曲段试样出现了明显而完整的损耗峰,如图3(b)、(d)所示,最大损耗峰值随着老化周期的增加而升高,介质损耗因数最大值达到 20%(180,6周期)。对比图2(b)、(d)可知,出现损耗峰的峰值位置对应介电常
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