定子线棒绝缘受潮对频域介电谱影响实验研究

韩英喆，王安东，孙福春，王继豪，刘 骥

（1.哈尔滨理工大学 工程电介质及其应用教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250002）

0 引言

电机作为电力系统中最为关键的设备之一，其运行的安全性一直广受关注[1]。定子线棒是电机的核心部件，占据整个电机生产成本的25%以上，因此定子的绝缘状态几乎决定了电机的使用寿命和运行可靠性[2-3]。国际上存在两种定子绝缘制造技术，一种是以西屋-西门子为代表的真空压力浸渍（VPI）少胶绝缘制造技术，另一种是以美国通用电气公司、哈尔滨电机厂有限责任公司、东方电机股份有限公司、上海电气电站设备有限公司发电机厂等为代表的多胶模压绝缘制造技术。国内多胶模压绝缘制造技术经过近50年的发展，制造的大型发电机定子线棒性能已达到国际先进水平，其中F级多胶桐马酸酐玻璃丝粉云母带是大型发电机定子线棒的主绝缘材料。5440-1型桐马酸酐环氧粉云母带是国内通用的多胶模压主绝缘材料之一，具有良好的柔软性，在定子线棒上按照半叠包且相邻层垂直的方法包绕成型后，电气性能和力学性能优良，适合应用在环境温度为155℃的电机中[4]。由于定子线棒绝缘采用固体绝缘介质，工作环境不封闭，与外部空气连通，电机正常运行时，内部温度高于外部，基本不受空气湿度影响，不会导致绝缘受潮；但是当电机暂停使用后，电机内部会进入大量空气，绝缘吸收水分导致受潮[5-6]。因此，评估定子线棒主绝缘的受潮状态十分重要。

介电响应法是一种可以携带丰富信息的无损检测手段，包括回复电压法（return voltage method,RVM）、极化去极化电流法（polarization and depolarization current,PDC）和频域介电谱法（frequency domain spectroscopy，FDS）。相比于RVM法和PDC法，FDS法的滤噪、抗干扰能力更强，同时FDS法可以得到介电参数在不同频率点的变化趋势，为准确评估电机定子绝缘性能及受潮情况提供可靠依据，近年来已引起国内外学者的关注[7-10]。ABB公司最先将介电响应技术应用到发电机绝缘现场检测中[11]；付强等[12]研究了定子主绝缘材料的耐盐雾湿热能力，得到老化绝缘材料低频下介电参数和吸水率的关系；刘骥等[13]基于介电响应法研究了环氧云母复合绝缘的固化过程，得到时间与温度对绝缘材料固化过程的影响；张征平等[14]研究了温度对汽轮发电机主绝缘介电谱特性的影响，将不同温度的测试结果进行归一化处理，消除了温度的影响。

目前，对定子主绝缘不同受潮状态介电谱特性的研究鲜见报道。同时，虽有部分学者从FDS测试结果中尝试提取了一些频域介电特征量来定量分析绝缘状态，但这些特征量携带信息匮乏、分散性大，因此有必要提取一些新的介电特征量。本文通过研究定子线棒绝缘结构和设计原理，模拟并制备环氧云母绝缘试样。对不同受潮状态试样的频域介电谱参数进行研究，探究环境湿度对电机定子线棒主绝缘受潮特性的影响；引入频域介质损耗因数积分值，提出通过频域介质损耗因数积分值评估环氧云母绝缘受潮程度的新方法。

1 试验设计

1.1 试样制备

选用上海特翔绝缘材料生产的5440-1桐马酸酐环氧粉云母带，厚度为0.14 mm，参照GB/T 5019.8—2009粘合云母带试样制作方式，仿照电机线棒绝缘结构制备方法，试验步骤如下：

（1）将厚度为0.14 mm、宽度为25 mm的云母带仿照电机线棒绝缘结构平行半叠搭且相邻层垂直，层数分别为3、4、5层，不同层数的试样各5个，分别命名为A、B、C组，试样为边长为130 mm的正方形。

（2）采用模压方式在120℃环境下固化10 h成型，试样的宽面、表面均平行于玻璃丝带。

（3）材料内的环氧树脂基体含有极性基团，会吸附水分子导致绝缘受潮。为探究不同环境湿度对绝缘受潮特性的影响，将固化后的试样置于30℃恒湿环境中静置受潮3 d，取出试样进行FDS测试，测试结束后在75℃环境中干燥30 h，进行下一湿度受潮试验，试验相对湿度依次选择10%、40%、70%、100%。

（4）高温会使绝缘内部胶黏剂粘结力下降，因此，基于实验室条件和JB/T 7589—2007《高压电机绝缘结构耐热性评定方法》将试样置于210℃烘箱内进行5 d的热老化，将老化后的试样重复上一步骤进行受潮试验。

1.2 频域介电谱测试

频域介电谱法是一种以介电响应为基础，在不同频域范围内研究介质极化理论的检测方法。介质电导与极化作用会引起介质内部能量损耗，介质损耗因数（tanδ）反映了流经电介质的有功电流密度与无功电流密度之比。

试验中采用美国MEGGER公司IDAX-300型频域介电谱测量仪对试样进行频域介电谱测试，测试电压有效值为140 V，测试频率为10-3～104Hz。在实验室测试环境下，对正方形试样上、下覆盖直径为100 mm的圆形电极进行测试，测试原理图如图1所示。

图1 FDS测试原理图Fig.1 Schematic of FDS test

2 试验结果及分析

2.1 环境湿度对介电特性的影响

在研究环境湿度对介质损耗因数（tanδ）曲线影响规律时，在同一湿度环境下对绝缘厚度相同的多组试样进行测试，求取平均值并绘制最终曲线，以减小测量误差。试验测试温度均为30℃，B组试样老化前后在不同环境湿度下的频域介质损耗因数曲线如图2所示。从图2可以看出，老化前后环氧云母复合绝缘在不同环境湿度受潮后得到的FDS图谱变化趋势相同。试样的tanδ均随频率降低整体增大，其原因是高频段偶极子转向极化、界面极化等松弛极化尚未充分建立，介质损耗以电导损耗为主，当外电场频率降低时，松弛极化逐渐建立，tanδ出现抬升。

图2 B组试样老化前后在不同环境湿度下的频域介质损耗因数曲线Fig.2 FDS curves of class B samples with different moisture content before and after ageing

随着环境湿度的增大，tanδ曲线向右上方平移。其原因是环境湿度的不断增大，导致试样内部的水分含量不断升高，试样内部的载流子不断增多，电导损耗因此升高。

将图2(b)中tanδ随环境湿度和频率的变化绘制成三维图，如图3所示，可以同时观察到频率和环境湿度对tanδ的影响程度。将频率与对应的介质损耗因数取对数，可以更直观地观察到图像的变化规律。

图3 介质损耗因数随环境湿度、频率的变化关系Fig.3 The variation of dielectric loss factor with ambient humidity and frequency

从图3可以看出，曲面随着频率的升高呈指数下降的趋势，且曲面下降速率逐渐平缓，随着环境湿度的增大，tanδ呈现线性增长趋势。环境湿度和频率对tanδ不是单一方面的影响，因此，在进行变频的介质损耗测量时要充分考虑试样的受潮程度。

2.2 环境湿度对介质损耗因数积分值的影响

频域介电谱法经常以现场实际测量得到的曲线与实验室测量的标准曲线进行拟合从而对试样绝缘状态进行评估，并将标准曲线作为评判绝缘状态的重要依据，但是实际中经常会出现测试曲线与标准曲线不一致的情况，这种情况下频域介电谱无法提供准确的信息，为此本研究提取测试频域段内介质损耗因数的积分值（Itanδ）作为评估参量[15-16]。Itanδ同时考虑了频率与tanδ两个特征量，所得结果能够充分反映试样的绝缘状态。与特定频率下的tanδ相比，Itanδ可以反映特定频率范围段内的介质损耗累计值。因此，利用该积分值表征环氧云母复合绝缘的绝缘状态具有有效性。

设某函数f(x)在区间[a,b]上连续，将这个连续区间均匀划分成n个子区间[x1,x2],[x1,x3]…[x1,xn],其中x1=a，xn=b，对区间内的f(x)求定积分，分别对应I1,I2,...,In,In的表达式如式（1）所示。

对频域介电谱来说，频率f为自变量，对应的tanδ就是因变量，将其划分成多个小区间求取积分值，如图4所示，在本研究中x1选取104Hz，xn选取10-3Hz。根据频域介电谱测量仪得到的数据，利用式（1）计算积分值，将图2(b)中各频率点对应的积分值绘制成反映介质损耗因数积分值（Itanδ）与频率之间的关系曲线。

图4 介质损耗因数与频率的关系Fig.4 The relationship between dielectric loss factor and frequency

图5 不同环境湿度的介质损耗因数积分图Fig.5 Integral diagram of dielectric loss factor in different humidity environments

Itanδ与频率的曲线可以反映在各个频域段内的介质损耗累计值，变化规律包含这一频率段内的介质损耗累计值与频率两种特性，对频率和tanδ取对数得到图5。从图5可以看出，Itanδ随着频率的减小逐渐增大，并趋于稳定。积分值是tanδ和频率差的乘积，在高频段，频率差较大但是由于介质极化尚未完全建立，tanδ较低，因此Itanδ比较小。当频率逐渐降低至110 Hz时，介质极化时间变长，tanδ升高，虽然频率差变小，但是Itanδ仍升高；当频率小于110 Hz时，频率差与tanδ的乘积基本达到稳定，且在双对数坐标下曲线体现出饱和性。在同一频率点下，Itanδ随着环境湿度的增大而增大。对10-3～104Hz频率段的Itanδ与环境湿度进行拟合，在拟合时基于最小二乘法，即在拟合时设立一个目标函数，使得实际试验数据I与拟合曲线数据Ifit之间误差的平方和最小，如式（2）所示。

对该频段的Itanδ做散点图，结果如图6所示，可见Itanδ和环境湿度之间呈有规律的线性关系，拟合曲线公式如式（3）所示。

式（3）中，x为环境湿度，其拟合优度达0.99，可见环境湿度和Itanδ最大值具有良好的线性拟合关系。Itanδ随着湿度增加呈线性增长。

图6 湿度和介质损耗因数积分值的拟合曲线Fig.6 Fitting result of humidity and integral of dielectric loss factor

2.3 绝缘厚度对受潮试样介电特性的影响

由于电机定子线棒绝缘厚度随着电机容量的变化而变化，本研究制作了3组不同厚度的环氧云母绝缘试样，在不同湿度环境下进行受潮试验，图7和图8分别为试样在相对湿度为40%的环境下受潮后的频域介电谱和介质损耗因数积分图。

图7 不同厚度试样的频域介电谱Fig.7 FDS curves of samples with different thickness

图8 不同厚度试样的介质损耗因数积分图Fig.8 Integral diagram of dielectric loss factor of samples with different thickness

从图7和图8可以看出，随着试样厚度的增加，tanδ和Itanδ都向下平移，tanδ是复介电常数虚部和实部的比值，介电常数只与材料特性有关，与材料的厚度、大小均不相关，因此不同厚度的tanδ和Itanδ应该相同。但是实验测得tanδ和Itanδ随着厚度的增大反而降低，这是由于试样制作采用了模压的方法，模压过程中会有少量空气残留在绝缘材料内形成气隙，导致试样的复电容相应降低，介电常数减小。而且含有气隙的绝缘在运行过程中更容易发生局部放电，导致绝缘失效。

3 结论

本文研究了环氧云母复合绝缘的介电响应特性参数随绝缘厚度和环境湿度的变化规律，同时引入频域介质损耗因数积分值的方法诊断环氧云母绝缘的受潮程度，得出以下主要结论：

（1）老化不会对环氧云母复合绝缘受潮的介质损耗特性带来影响。介质损耗特性主要受界面极化和偶极子转向极化影响，因此随着频率升高，介质损耗逐渐下降。随着外界环境湿度的升高，介质的水分含量增大，界面极化会得到加强。

（2）介质损耗因数积分值随着环境湿度的增大而增大，对10-3～104Hz频率段的介质损耗因数积分值和环境湿度利用线性函数进行拟合，发现积分值与环境湿度间具有良好的线性关系。

（3）虽然介质损耗因数反映材料的绝缘特性，不随试样厚度的改变而改变，但是由于试样制造工艺无法达到实际模压工艺的水平，试样内部不可避免存在气隙，随着厚度的增加，介质损耗反而降低，相应的局部放电增强，最终会导致试样的绝缘寿命降低。