大型汽輪發電機主絕緣老化狀態研究

摘 要：大型發電機的主絕緣是發電機的重要組成部分，而且一般來講，大型發電機的使用壽命在一定程度上取決于主絕緣的使用狀況。大型汽輪發電機主絕緣老化的原因主要是由于內部缺陷的產生與進一步發展，而且與劣化有不可分割的密切關系。并且在大型汽輪發電機工作運行的過程中，發電機主絕緣會受到不同方向力的作用，造成一定程度的磨損。為了正確評估發電機主絕緣的使用壽命，文章在老化機理、檢測方法及防治措施進行方面進行了研究探討。

關鍵詞：大型發電機；主絕緣老化；老化研究

前言

在長期的工作運行中，大型發電機的定子線圈會受到不同方面的影響，如熱、電、環境及機械因素的影響。這些作用將導致發電機性能逐漸下降，最終導致發電機的使用壽命縮短。所以，研究發電機主絕緣的老化因素，合理維護主絕緣系統，不僅使發電機的正常使用得以保證還能在一定程度上延長發電機的使用壽命。所以，加強主絕緣的老化狀態評估研究，對發電機的運行維護有很大益處。

1 發電機主絕緣老化機理

1.1 局部放電老化機理

局部放電老化機理也就是所說的電老化機理，這種老化機理是絕緣材料最基本的老化方式。在外加電場的作用下，主絕緣系統的部分區域會發生放電，而實質上是絕緣體的表面或內部發生局部放電后所引起的一系列效應，如物理化學效應。局部放電的老化對于固體材料的破損程度具有積累的效果，因為對于固體絕緣材料不具有自身恢復的功能，所以最終將導致擊穿。

發電機的主絕緣材料主要是以玻璃纖維為基材的云母與環氧膠，在制造工程中，由于技術工藝原因，在絕緣層間或絕緣層與股線之間可能會產生氣隙，甚至形成脫殼。這些絕緣層內部的間隙或脫殼在外加電場的作用下，就會有不同程度的局部放電現象，這種放電結果對于絕緣材料是非常不利的，將會導致絕緣結構發生老化、絕緣材料的性能下降甚至劣化。

從一系列的檢測結果中得知，局部放電現象的增加將會使絕緣材料老化進程的加快。由于局部放電的現象會使一些部分加快腐蝕。而且隨著放電的增加使腐蝕部分更加嚴重，其他的部分也會隨著劣化的規模越來越大，直至絕緣體被破壞。

1.2 熱老化機理

大型汽輪發電機的主絕緣會因溫度的升高受熱而發生一系列的物理、化學變化，最終會導致主絕緣材料發生變質和老化，這種由于溫度升高造成的絕緣老化現象稱為熱老化。

絕緣材料的老化速度與溫度高低關系密切，一般而言，溫度越高，絕緣材料老化速度越快，進而其使用壽命越短。由于現在通用絕緣材料的導熱系數極低，具備一定的熱量即能夠發生多種化學變化，進而破壞化學結構，最終絕緣材料被破壞。破壞的途徑主要有兩個，一是若溫度高于絕緣材料的最高使用溫度，在很短的時間內絕緣材料就會發生很明顯的劣化現象。若溫度沒有達到所容許的溫度，但是經過長時間的作用后，性能也會發生不可逆轉的劣化。二是溫度變化的過程還會發生多種物理化學反應加快絕緣材料的老化進程。

1.3 機械老化機理

發電機啟停時的機械應力、啟動時的電磁力及運作過程中的振動和熱循環是發生機械老化的主要原因。例如，在發電機啟停時，會有定子繞組電流的增大或減少，這一過程中就會引起線棒和鐵心的溫度升高或降低，但是導線與鐵心的膨脹系數是不同的，因此就產生了機械應力作用在絕緣材料上。上述的機械應力十分危險。無法用外力解除，很大程度上影響固性絕緣材料，即發生位移疲勞，性能降低甚至降低壽命。并且在各種應力作用下的絕緣老化并不是獨立存在的，而是相互影響，具有應力疊加效果。多因子絕緣老化速度比單因子絕緣老化速度要快得多。

1.4 環境老化機理

發電機的工作環境復雜，特別是大型汽輪發電機沒有單一固定的工作環境，部分機組工作環境十分惡劣。在絕緣材料表面有污漬或水等情況下，這些物質將會在表面形成電通路即發生漏電現象，導致絕緣性能明顯下降。環境老化的表征是由于絕緣脫殼造成的局部放電增加，或絕緣吸濕、無損導致絕緣電阻降低，其結果都是會使絕緣材料結構遭破壞甚至劣化。

2 主絕緣老化的診斷

2.1 熱分析研究

熱分析方法的研究是主絕緣老化診斷的主要部分。大型汽輪發電機的工作環境導致主絕緣材料的濕度不適合引發環氧發生水解反應。所以利用熱分析技術研究即可得知，主絕緣的老化降低了環氧-云母、環氧-玻璃纖維間的粘結力，進而引起主絕緣結構的內部產生缺陷，然而熱作用又會引起缺陷周圍環氧樹脂中的低鍵能基團降解。雖然此時的集團已降解但是環氧主鏈的結構并沒有被破壞，因為要想使主鏈結構被破壞需要更大的裂解能，所以導致缺陷的周圍環氧含量有明顯減少、環氧裂解所需活化能也明顯增大。研究發現，與未發生氧化的部位相比，缺陷部位環氧的氧化起始溫度下降得更顯著，也就表明缺陷部位環氧明顯發生了老化。

2.2 剩余電壓測量方法

衡量絕緣材料是否發生劣化最直接的參考指標是擊穿電壓。為了能夠評估發電機絕緣性能的好壞，進一步做好維護工作，必須對發電機線棒的剩余擊穿電壓進行測量。為了得到更準確的線棒剩余擊穿電壓，擊穿實驗必須在油槽中進行。同時建立介質損耗角正切、電流激增點等非破壞性參量與破壞性參量之間的關系。

2.3 交流電流的測量

在絕緣材料老化的過程中，絕緣材料中的縫隙會隨著老化的進程而逐漸增多，從這我們就能得出結論，絕緣的內部縫隙分布與材料老化程度相關。就一般情況而言，絕緣體內的電流會隨著縫隙的擴大而增大。我們通過交流電的電流測試能夠了解絕緣材料的內部結構及縫隙的分布情況，從而進一步確定老化狀態。通過交流電流的測定還能夠探尋主絕緣多因子的老化規律。傳統的研究方法是用局部的放電來那個來表征主絕緣的老化狀態，它僅僅能夠反映絕緣材料中的最大的局部缺陷，而通過測量交流電，不僅能夠準確的知道發電機的主絕緣放電部位，還能夠具體的了解故障的類型。

3 防止發電機老化的措施

3.1 絕緣部件要干燥處理

一般情況下，絕緣部件要經過干燥處理才能進行使用。其中浸濕的目的是要使其保持纖維的濕潤，從而保證其化學穩定性和具有較高的機械強度。雖然浸濕有許多優點，如能夠減少紙對水分的吸收、能防止材料發生氧化，另外還能夠填充縫隙，但是另一方面來講浸濕后可能會影響其絕緣性能，所以在這方面還應該進一步的研究。

3.2 防止油質的污染

油質的污染主要是指在有種混入部分水和雜質，會導致絕緣性能在一定程度上的下降，還會擊穿電場強度，介質損失角增大。另一少數情況是油發生氧化反應及劣化，這種氧化并不僅指發生在純凈油中烴類的氧化，還包括存在于油中的雜質加速氧化的過程。所以防止油質的污染應進一步加強。

3.3 控制發電機主絕緣環境濕度

影響絕緣特性的重要因素之一是絕緣所處的環境濕度，而且對絕緣介質的電氣性能與理化性能的危害極大。從內部結構上看，濕度會導致絕緣的活化放電的電壓降低，介質的損耗程度增大，從而進一步促使絕緣老化、絕緣性能下降。從設備上講，設備受潮時，會導致電力設備運行可靠性的降低和使用壽命降低，更嚴重的可能導致設備損壞甚至危及人身安全。

4 結束語

本文在分析大型汽輪發電機的主絕緣老化機理研究的基礎上，提出了分析診斷方法，以及防治措施，但是在這方面的研究工作較少，我國還有很長的科研之路去探索。

參考文獻

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