定子主绝缘受潮频域介电参量提取及状态评估

刘骥， 韩英喆， 赵立胜， 孔祥清

(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.哈尔滨理工大学 电介质国家重点实验室培育基地，黑龙江 哈尔滨 150080)

0 引 言

发电机定子主绝缘受潮不仅严重影响绝缘检测还会加速绝缘老化，现场评估发电机定子主绝缘受潮状态时通常使用吸收比和极化指数这些传统电气参数[1]。然而，这些参数的测试结果分散性大，还容易受到测试环境干扰，影响评估的可行性和可靠性。

近几年，基于介电响应理论的频域介电谱法、回复电压法以及极化/去极化电流法，得到了越来越多的关注[2]。相比其他两种方法，频域介电谱法具有更好的滤噪和抗干扰能力，因此，频域介电谱法更适用于定子绝缘的现场检测[3-4]。ABB公司最先将介电响应技术应用到发电机主绝缘现场检测中[5]。

频域介电谱法在我国主要用来评估变压器油浸纸绝缘老化状态。范贤浩等人[6]利用拟合介电特征参量数据库和支持向量机构建建立了老化状态评估的分类模型。徐晴川等人[7]用频域介电谱分析弛豫时间较小的弛豫过程，通过极化电流分析弛豫时间较大的弛豫过程和直流电导过程。蔡金锭等人[8]提出新的特征量-绝缘油的平均弛豫因子、绝缘纸的平均弛豫因子来评估油纸变压器中油纸绝缘的状态。张明泽等人[9]提出基于特征频率点的频谱平移方法，定量表征了油浸纸板的激活能量与含水率。西南交通大学研究发现频谱曲线对定子主绝缘受潮状态和测试温度的变化极为敏感，同时，探究了定子主绝缘不同老化状态对频谱曲线的影响，并借助Colo-Colo函数和HN函数提取老化特征量，用来评估定子主绝缘的老化状态[10-13]。

国内外众多专家学者对定子主绝缘频域介电谱特性的研究发现，仅单纯观察频域介电谱曲线评估定子绝缘受潮状态并不可靠，因此继续深度发掘介电谱曲线，提取对绝缘受潮变化敏感的特征量定性评估绝缘受潮状态，目前鲜见报道[14]。同时，虽然大量学者深入探究定子主绝缘频谱曲线并从中提取出介电特征量定量评估绝缘状态，但这些特征量十分不稳定，易受环境干扰，常常引起较大评估误差，因此需要提取一些携带绝缘信息丰富、稳定的介电特征量[15]。

本文借助加速热老化试验和受潮试验获取不同绝缘状态的定子主绝缘样品，深入探究受潮对定子绝缘层压板样品介电特性的影响，依据介质损耗积分值，提出模糊识别方法，结合灰色关联理论对绝缘样品受潮状态进行定性评估，同时，提取受潮评估因子与绝缘样品受潮状态建立定量关系。提出一种定性和定量相结合的定子主绝缘受潮评估法，并通过实验室样品进行初步验证。

1 试验过程

1.1 不同绝缘状态样品的制备

绝缘受潮状态受老化程度与受潮环境共同影响，因此借助加速热老化试验和受潮试验分别制备不同绝缘状态样品，对其进行介电响应和吸收比测试，多次测量，结果取均值。试验所用样品均选用5440-1桐马环氧玻璃粉云母带，按GB/T5019.8-2009《以云母为基绝缘材料》制作30个厚度为1 mm的层压板样品。

1.2 加速热老化试验

将制备好的30个层压板样品等量分成五组，依次编号No.1～No.5。No.1作为未老化样品放入密封袋内密封保存。No.2～No.5从密封袋内依次取出放入210 ℃热老化干燥箱内，进行加速热老化试验。

在老化15、20、25、30天时依次将编号No.2～No.5样品取出，冷却至室温后放入密封袋，对冷却后的干燥样品测试吸收比和介电响应特性，吸收比测试结果如表1所示。

表1 不同老化状态样品的吸收比

1.3 不同受潮状态的样品制备

定子主绝缘受潮主要分为环氧基团吸附水分子和绝缘材料界面处存留水分两部分，有研究表明定子主绝缘受潮状态存在饱和点，初始受潮过程一般为环氧基团吸湿，环氧基团充分吸湿后，吸收的水分主要留存在界面处[16]。为获得多种受潮状态的绝缘样品，需对各老化状态的样品进行不饱和受潮试验。另制备30天老化试样，结合水分称重法进行浸水预实验，试样浸水3天后水分含量达到饱和点，制定受潮试验步骤如下：从密封袋内取出老化试样，放置恒湿箱内受潮3天(40%相对湿度(relative humidity，RH)、70%RH、100%RH)，受潮结束后进行介电响应和吸收比测试，每次测试结束放入75 ℃干燥箱内烘干30 h再进行下一湿度受潮试验。图1为试验中制备的不同老化状态样品经吸潮处理后的吸收比，可以看出，随环境湿度增加，吸收比均匀下降，受潮程度逐渐加深。

图1 不同老化、不同受潮状态样品的吸收比Fig.1 Absorption ratios of samples with different ageing and different damp conditions

1.4 介电响应测试

对环氧云母层压板样品的介电响应测试为频域介电谱测试，测试采用MEGGER IDAX300，交流电压幅值为140 V，频率范围为10-3～104Hz。

试验测试了上述所有绝缘样品的介质损耗因数曲线，受篇幅影响，只给出不同老化天数干燥状态和老化20天不同受潮状态下样品的介质损耗因数曲线。

图2为多种老化状态干燥样品的介质损耗因数曲线，可见，随老化程度加深，频谱曲线在测试频段逐渐升高，随频率降低上升速率逐渐加快。这是因为老化导致环氧云母复合绝缘胶粘剂粘结力下降，绝缘内部形成更多的气隙，加强了界面极化。此外，老化产生的极性产物会使样品内部游离子增多，电导率上升，增强介质极化强度，电导与松弛损耗均增加。值得关注的是，随热老化天数增加，曲线在中频段出现弛豫峰，该现象表明样品已经老化严重了。

图2 不同老化状态样品的介质损耗因数曲线Fig.2 Dielectric loss factor curves of samples underdifferent aging conditions

图3为不同受潮状态样品的介质损耗因数曲线，可见，样品介质损耗因数曲线因受潮状态加深而大幅度上移，对样品受潮状态反映灵敏，这是因为水分子无论受到环氧树脂基体内极性基团的吸附，还是留存在材料界面之间，都会增大层压板电导率，增加电导损耗和介质损耗。

图3 不同受潮状态样品的介质损耗因数曲线Fig.3 Dielectric loss factor curves of samples underdifferent damp conditions

2 绝缘受潮状态评估

2.1 灰色关联评估法实现

灰色关联评估法评估定子主绝缘受潮状态，需要构建标准参考状态向量组，通过计算待评估样品与各标准状态向量的关联度，获知样品的受潮状态。

为构建上述参考状态向量组，同时兼顾评估精度，需要基于基础数据划分尽可能多的标准状态。《电力设备预防性试验规程》中指出，现场定子绝缘受潮检测过程中，吸收比是反映绝缘受潮程度的重要指标，吸收比低于1.6时，定子绝缘严重受潮或缺陷严重。同时，结合图1不同老化状态绝缘试样受潮过程中吸收比的变化范围，划分定子绝缘四种受潮状态：吸收比大于2.4为优秀，状态编号X1；吸收比在(2.0, 2.4]区间内为良好，状态编号X2；吸收比在(1.6,2]区间内为一般，状态编号X3；吸收比小于等于1.6为严重，状态编号X4。

2.2 特征向量选取及参考状态向量组建立

图2、图3的介电测试结果分析显示，绝缘严重老化时，在0.1～220 Hz频段出现弛豫峰，标记该频域段为热老化特征频段。同时，绝缘受潮对测试频段整体均产生影响，即测试频段介质损耗因数的大小和变化决定了样品的受潮状态，因此，标记测试频段为受潮特征频段。根据上述分析，细分受潮特征频段，首先通过热老化特征频段将测试频段分成三段，再按频率点分布将热老化特征频段一分为二，最后将受潮特征频段细分成220～104Hz、10～220 Hz、0.1～10 Hz、10-3～0.1 Hz四个频率段。将上述频率分段积分值定义为特征参量T1、T2、T3和T4，可表示为：

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)～式(4)可通过1.4节层压板样品的测试结果提取特征参数。根据测试结果，多次测量下，相比于吸收比，介质损耗因数曲线测试结果分散度更低，而且由于介电谱测试特别适用于容性试品，绝缘内部的水分属于强极性电介质，其极化和损耗行为在高频和低频段反映灵敏；采用多个频率点的损耗因数值，有效避开了工频干扰，提高准确度。此外，积分值是介质损耗因数曲线与频率轴围成的面积，以此作为介电参量既可以有效避免曲线取点的随机性，又消除了曲线突变的影响，测试具有抗干扰性和高稳定性。同时积分值涵盖了整个频段的测试点，携带的介电信息更丰富。分频段的积分值表征了绝缘不同受潮状态介质损耗谱的相对幅度大小和对应频段曲线的形状趋势，能够在绝缘受潮状态评估中增加评估准确度，同时积分值之间各自独立，无法相互转化。

为评估绝缘受潮状态，由以上特征参量构建特征向量组，表达式为

X0=(X(1),X(2),X(3),X(4))。

(5)

根据吸收比测试结果，将试验数据依据吸收比测试结果进行受潮分类，对每种受潮状态下的介质损耗因数曲线进行均值化运算得到4组新曲线，分别对应受潮的四种参考状态。对这四条曲线提取特征参量，组建参考状态向量组，具体结果如表2所示。

表2 参考状态向量组

2.3 定子绝缘吸收比与受潮状态定量评估

图4绘制了老化20天样品在不同受潮状态下的Ttanδ(f)实测值随测试频率间的关系，由图可知，在同一频率段内，随着绝缘受潮状态加重，Ttanδ(f)显著增大，这说明Ttanδ(f)对绝缘受潮状态的反应非常敏感。对图中Ttanδ(f)与频率f进行拟合，结果如表3所示，可以看出，Ttanδ(f)与测试频率f之间具有良好的指数关系。这表明，在相同积分频域范围内绝缘样品Ttanδ(f)呈指数规律增大。

表3 Ttanδ(f)与频率间的拟合关系

图4 绝缘Ttanδ(f)测试值与测试频率间的关系Fig.4 Relationship between the measured value of insulation Ttanδ(f) and the test frequency

为在有限频段内获得更多Ttanδ(f)携带的受潮信息，选定测试频率内对受潮状态最为敏感的频率点积分最大值Ttanδmax为受潮评估因子，是定量评估定子主绝缘样品受潮程度的介电特征参量，表达式为

(6)

整个频段的积分虽没有分频段积分值反映的信息丰富，但是可以表征绝缘样品整体的受潮状态。图5为试验所有数据的受潮评估因子与绝缘试样吸收比之间的拟合曲线，可以看出，Ttanδmax与绝缘试样吸收比存在较好的指数联系，其拟合关系如表4所示，拟合公式中A、B、C为与受潮程度和测试环境相关的常数，该拟合关系的拟合优度达到0.98。

图5 绝缘吸收比与Ttanδmax之间的关系Fig.5 Relationship between insulation absorption ratio and Ttanδmax

表4 绝缘吸收比与Ttanδmax之间的拟合关系

3 实验室样品评估

综合上述研究，从定性、定量两方面提出一套定子绝缘受潮状态评估方法。首先，将灰色关联理论应用在定子绝缘受潮状态的定性评估中；然后，利用介电谱提取受潮评估因子定量评估绝缘层压板的受潮状态，所得结果可以互相验证。

为验证上述评估方法，重新制备新样品S1～S3作为待评估对象进行介电测试，利用式(1)～式(4)和式(6)提取相应的介电特征参量，组成待评估向量组，如表5所示，同时测试样品吸收比分别为2.12、2.64、1.40，通过灰色关联理论评估受潮状态。

表5 待评估样品介电特征参量

灰色关联理论的实质是计算待评估特征向量组与参考特征向量组之间几何形状的吻合度，通过几何形状的相似度判断待识别对象属于参考向量组中哪一类。从待评估样品中提取特征量T1、T2、T3、T4作为向量元素构成待评估的状态向量组Xi=(Xi(1),Xi(2),…,Xi(m))，待评估向量组分别与参考向量X0=(x0(1),x0(2),…,x0(n))进行匹配识别。识别过程需要通过计算关联度来完成，决策得到待识别样品与参考向量组内关联度最高的状态。关联度是对两个向量之间关联性的度量，本文选用的邓氏关联度法因算法完善度高、计算方便，是最常用的关联度方法，关联度计算公式为：

(7)

(8)

式中:γ(X0,Xi)是待评估向量Xi和参考向量X0之间的关联度；ρ为分辨系数，通常取0.5。

图6为关联度计算流程图。在计算关联度之前，由于状态向量各元素量纲不同，需要对待评估样品和标准向量组原始数据进行无量纲化，表达式为：

图6 关联度计算流程图Fig.6 Correlation degree calculation flow chart

(9)

首先，将待评估向量组与四个参考状态向量构建成四个4×4的评估矩阵，采用式(9)所示的均值化算子对四个矩阵进行归一化处理；然后，采用式(7)邓氏关联度计算法计算表5中归一化后的待评估向量组与参考状态向量组之间的关联度，结果如表6所示；最后，选择关联度最大值，判断待评估样品所属状态，待评估样品S1～S3分别与受潮状态X2、X1、X4属于同一类。将待评估样品实测状态和评估状态进行对比，发现均与实测状态相符，证明了灰色关联理论定性分析的有效性。

表6 待评估样品与参考向量组的关联度

对待评估样品进一步进行定量分析，根据2.3节所提的受潮状态量化方法，结合表5受潮评估因子Ttanδmax和表4拟合公式计算得到待评估样品S1、S2、S3吸收比的计算结果与实测结果对比如表7所示，可知计算与实测结果也基本吻合，验证了所提方法定量评估的可行性。

表7 待评估样品吸收比测试值与拟合值

4 结 论

为弥补现场发电机主绝缘检测中吸收比测试的不稳定性，本文借助加速老化和受潮试验，制备不同老化程度和受潮状态的层压板样品作为基础数据，结合灰色关联理论与介损积分将介电响应技术应用于定子主绝缘受潮状态评估中。得到如下结论：

1)结合灰色关联度理论，以《电力设备预防性试验规程》和试验数据为依据划分绝缘层压板四种受潮状态和四个受潮特征频段，选取特征频段的分段介损积分值作为介电特征量，建立受潮标准状态向量组；

2)根据不同受潮状态绝缘样品介损积分随测试频率单调递增趋势，定义测试频段介损积分最大值为受潮评估因子，建立受潮评估因子与吸收比的指数拟合关系，使介质损耗频域谱携带的受潮信息得到量化；

3)从定性、定量两方面提出一套定子绝缘受潮状态评估方法。以实验室三个绝缘样品为对象，计算与标准受潮状态的关联度和样品吸收比，证实所提方法的有效性，增强了介电响应评估技术的适用性。