風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)可靠性評定方法探討

李園園

[1.上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海 200063；2.上海電器設(shè)備檢測所有限公司，上海 201401]

0 引 言

風(fēng)力發(fā)電是可再生能源領(lǐng)域中較成熟且具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一，可利用的風(fēng)能在全球范圍內(nèi)分布廣泛、儲量巨大。隨著全球能源形勢趨緊及風(fēng)電相關(guān)技術(shù)不斷成熟、設(shè)備不斷升級，加之保護(hù)和改善環(huán)境的需要，風(fēng)力發(fā)電行業(yè)高速發(fā)展，近幾年風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制造呈現(xiàn)大規(guī)模發(fā)展之勢。隨著風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展，對風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)的可靠性也提出了更高的要求。風(fēng)力發(fā)電機(jī)是發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的可靠性對整個風(fēng)電機(jī)組的可靠性具有重要意義。絕緣系統(tǒng)作為發(fā)電機(jī)的“心臟”，其性能可靠性直接影響整機(jī)的運(yùn)行壽命，因此，近年來逐步引起各整機(jī)廠的重視[1-2]。

由于引入了變流器，風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)與普通發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)所承受的應(yīng)力不同，如高頻脈沖電壓、局部放電等，而絕緣系統(tǒng)的耐高頻沖擊能力對風(fēng)力發(fā)電機(jī)尤為重要。風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)與普通發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)所使用的環(huán)境不同，有高溫高濕、鹽霧等特殊條件，因此絕緣系統(tǒng)的環(huán)境可靠性對風(fēng)力發(fā)電機(jī)也特別重要[3-5]。

本文根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況，參考國內(nèi)外現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的絕緣系統(tǒng)可靠性評定方法進(jìn)行了介紹與分析，便于整機(jī)生產(chǎn)商根據(jù)需求選擇合適的評定方法。

1 評定方法概述

風(fēng)力發(fā)電機(jī)長期使用過程中會存在較高的溫升，因此絕緣系統(tǒng)需要有較高的長期耐熱性。對絕緣系統(tǒng)進(jìn)行長期耐熱性評定，可以獲得絕緣系統(tǒng)的溫度指數(shù)和熱壽命曲線。整機(jī)生產(chǎn)商設(shè)計(jì)時可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行溫升和壽命需求，選擇合適的絕緣系統(tǒng)。

變流器產(chǎn)生的重復(fù)脈沖電壓對風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)產(chǎn)生電損傷，長時間的電應(yīng)力作用下絕緣系統(tǒng)會發(fā)生電擊穿，達(dá)到壽命終點(diǎn)。對絕緣系統(tǒng)進(jìn)行電應(yīng)力耐久性評定，可以獲得其電壽命方程。整機(jī)生產(chǎn)商根據(jù)發(fā)電機(jī)運(yùn)行中的脈沖電壓，可以推算絕緣系統(tǒng)的理論電壽命，為評估設(shè)計(jì)可靠性和運(yùn)行可靠性提供一定依據(jù)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行環(huán)境條件較為復(fù)雜，包括高濕度、高溫差、重鹽霧和高污穢等，因此對絕緣系統(tǒng)的環(huán)境可靠性評估也至關(guān)重要。

2 長期耐熱性評定方法

2.1 理論依據(jù)

阿倫尼烏斯方程用以評定化學(xué)反應(yīng)速率與溫度之間的關(guān)系。熱氧化分解過程可以用阿倫尼烏斯方程描述：

k(T)=Cexp[-Ead/(RT)]

(1)

對數(shù)形式如下：

ln[k(T)]=-Ead/(RT)+CA

(2)

式中：k(T)為反應(yīng)速率常數(shù)；Ead為活化能，單位為J/mol；T為溫度，單位為K；R為氣體常數(shù)，單位為J/(mol·K)；C、CA為常數(shù)。

絕緣系統(tǒng)熱壽命與熱力學(xué)溫度符合阿倫尼烏斯方程，可表示為回歸線方程：

lgτ=A+B/T

(3)

式中：τ為熱壽命；A為常數(shù)；B為系數(shù)。

式(3)表明lgτ與1/T呈線性關(guān)系。對絕緣系統(tǒng)進(jìn)行不同溫度下的熱壽命評估，可以對評估結(jié)果進(jìn)行阿倫尼烏斯坐標(biāo)(lgτ-1/T)的線性回歸分析，得到評估系統(tǒng)的熱壽命方程，并在回歸線上求出20 000 h對應(yīng)的溫度，得到溫度指數(shù)(Ti)或根據(jù)實(shí)際運(yùn)行溫度推算長期運(yùn)行壽命。絕緣系統(tǒng)的耐熱等級劃分如表1所示。

表1 絕緣系統(tǒng)耐熱等級[6]

2.2 評定方法介紹

2.2.1 常規(guī)方法(三點(diǎn)法)

散繞繞組風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的熱老化評定標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB/T 17948.1—2018[7]，一般選擇散繞模擬線圈作為試驗(yàn)樣品，需要至少在3個溫度，每個溫度至少10個試樣條件下對絕緣系統(tǒng)進(jìn)行熱壽命評定。

成型繞組風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的熱老化評定標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB/T 17948.3—2017[8]，選擇成型模擬線圈作為試驗(yàn)樣品，需要至少在3個溫度，每個溫度至少5個試樣條件下對絕緣系統(tǒng)進(jìn)行熱壽命評定。

根據(jù)評定結(jié)果對3組或以上老化溫度和老化壽命進(jìn)行擬合，得到熱壽命方程，計(jì)算絕緣系統(tǒng)的溫度指數(shù)。具體評定流程如圖1所示。

圖1 散繞/成型繞組長期耐熱性評定流程

熱老化分周期的加熱方式一般選擇烘箱加熱，且使用強(qiáng)制通風(fēng)的烘箱，通風(fēng)可將老化期間絕緣附件可能的殘存分解物帶走。雖然烘箱具有明顯的缺點(diǎn)，但經(jīng)驗(yàn)表明烘箱可提供方便且經(jīng)濟(jì)的熱老化途徑。烘箱法可使絕緣結(jié)構(gòu)所有部分經(jīng)受完整的老化溫度，而在實(shí)際運(yùn)行時大部分絕緣在比熱點(diǎn)低很多的溫度下運(yùn)行。如果適合，可采用非常接近模擬運(yùn)行條件的更直接的方法：電流直接加熱、正/反轉(zhuǎn)試驗(yàn)(電機(jī)試驗(yàn))等。

熱老化分周期推薦的老化溫度和相對應(yīng)的曝露周期如表2所示。表2中的數(shù)值是按老化溫度每降低10 K壽命加倍得到的近似值。應(yīng)選擇合適的老化溫度和分周期的曝露時間，保證最低試驗(yàn)溫度不超過設(shè)計(jì)等級溫度的25 K，且應(yīng)獲得約5 000 h或更長的平均試驗(yàn)壽命，最高試驗(yàn)溫度下應(yīng)獲得至少100 h的平均試驗(yàn)壽命。每個老化溫度的分周期長度的選擇依據(jù)是可以產(chǎn)生約10個周期的平均壽命。老化溫度應(yīng)分別至少有20 K間隔，但如果采用的老化溫度點(diǎn)多于3個，溫度間隔可降低10 K。

表2 推薦的熱老化溫度和分周期時間

散繞繞組和成型繞組風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的電性能診斷試驗(yàn)電壓分別如表3和表4所示。

表3 散繞繞組風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的電性能診斷試驗(yàn)電壓 V

表4 成型繞組風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的電性能診斷試驗(yàn)電壓

2.2.2 快速評定法(單點(diǎn)法)

JB/T 1544—2015[9]介紹了電氣絕緣浸漬漆和漆布的快速評定方法。依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)可以通過熱重分析(TGA)方法和單點(diǎn)熱老化試驗(yàn)進(jìn)行溫度指數(shù)的快速評定。此方法目前在絕緣系統(tǒng)的熱評定上進(jìn)行了擴(kuò)展使用，可以對長期耐熱性進(jìn)行粗略估計(jì)。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 1544—2015的方法，對絕緣材料粉末在3 K/min或5 K/min的升溫速率下，在常壓干燥空氣氣氛中進(jìn)行TGA分析。從熱重曲線上，取失重5%～50%(間隔5%)所對應(yīng)的10個溫度數(shù)值，按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算表觀裂解活化能Ep：

(4)

式中：E0為常數(shù)，單位為J/mol；R為氣體常數(shù)，取值8.314 J/(K·mol)；C0為系數(shù)；Tn為對應(yīng)每個W/Wa的溫度值，單位為℃；ΔW為試樣在Tn下的失重質(zhì)量，單位為mg；Wa為試樣總質(zhì)量，單位為mg；ΔW/Wa為失重比例。

熱壽命曲線斜率按下式計(jì)算：

(5)

通過TGA分析，可得到壽命方程lgτ=a+b/T的斜率，然后對絕緣材料進(jìn)行常規(guī)老化評定中高溫點(diǎn)的熱老化試驗(yàn)，根據(jù)高溫點(diǎn)老化試驗(yàn)溫度和高溫點(diǎn)壽命，結(jié)合壽命方程斜率即可推斷出絕緣材料的壽命方程。

3 電應(yīng)力耐久性評定

3.1 理論依據(jù)

依據(jù)GB/T 22566—2017[10]進(jìn)行絕緣系統(tǒng)電老化試驗(yàn)，確定待評結(jié)構(gòu)的脈沖電壓與壽命間的關(guān)系。一般情況下，電壓壽命與電壓幅值的關(guān)系可通過倒冪定律表示：

L=kU-n

(6)

式中：L為在給定概率下的試樣失效沖擊次數(shù)；U為所施加的脈沖電壓；n為電壓老化系數(shù)(VEC)；k為常數(shù)。

在所選擇的電壓下，對每個試樣進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，確定失效沖擊次數(shù)或失效時間。使用兩參數(shù)韋布爾函數(shù)處理失效次數(shù)或失效時間(完整試驗(yàn)或截尾試驗(yàn))。估計(jì)每個試驗(yàn)電壓水平下的形狀參數(shù)(中值、平均值或其他規(guī)定的百分?jǐn)?shù))，在雙對數(shù)或半對數(shù)坐標(biāo)系上作圖，得到電壽命方程，并推算運(yùn)行電壓下的長期使用壽命。

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1 工頻電壓耐久性試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17948.4—2016[11]進(jìn)行工頻電壓耐久性評定。電應(yīng)力耐久性評定流程如圖2所示，一般選擇至少3個電壓點(diǎn)，每個電壓點(diǎn)至少5個試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

圖2 電應(yīng)力耐久性試驗(yàn)流程

電老化分周期試驗(yàn)后進(jìn)行診斷分周期試驗(yàn)。診斷分周期試驗(yàn)具體試驗(yàn)項(xiàng)目和參數(shù)如表5所示，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行診斷項(xiàng)目選擇。

表5 診斷試驗(yàn)參數(shù)(工頻電老化)

在電老化分周期試驗(yàn)和診斷試驗(yàn)期間，試樣任何部分的失效構(gòu)成了整個結(jié)構(gòu)的失效。記錄失效試樣的電老化累計(jì)時間；其他試樣繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，直至全部失效。

3.2.2 重復(fù)脈沖電壓耐久性試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22566—2017[10]進(jìn)行重復(fù)脈沖電壓耐久性評定。試驗(yàn)沖擊電壓上升時間要求0.04～1.00 μs，重復(fù)頻率不超過10 kHz，波形為方波或三角波。重復(fù)脈沖電應(yīng)力耐久性評定流程如圖2所示，其中質(zhì)量保證試驗(yàn)和診斷試驗(yàn)可根據(jù)需求進(jìn)行試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)參數(shù)選擇，具體項(xiàng)目包括工頻耐壓、介電損耗和局部放電等。

4 環(huán)境可靠性評定

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況復(fù)雜性，涉及溫度變化、鹽霧、低氣壓、振動等，因此發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的環(huán)境可靠性評定需要根據(jù)使用環(huán)境進(jìn)行評定項(xiàng)目的選擇。風(fēng)力發(fā)電一般分為陸地風(fēng)電和海上風(fēng)電。

依據(jù)使用條件，陸地風(fēng)電用風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的環(huán)境可靠性評定一般需進(jìn)行的檢測項(xiàng)目包括溫度變化試驗(yàn)、沙塵試驗(yàn)、霉菌試驗(yàn)等；海上風(fēng)電用風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的環(huán)境可靠性評定一般需進(jìn)行的檢測項(xiàng)目包括溫度變化試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、霉菌試驗(yàn)等[12]。

環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)束后需對試樣進(jìn)行電氣性能診斷，具體項(xiàng)目可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。根據(jù)實(shí)際情況和標(biāo)準(zhǔn)要求，目前行業(yè)內(nèi)使用較多的試驗(yàn)參數(shù)如表6所示[13-17]。

表6 環(huán)境可靠性試驗(yàn)參數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 37079—2018[18]中提到逆冪律模型。該模型既適用于恒溫條件下的機(jī)械疲勞循環(huán)，也適用于由溫度循環(huán)引起的機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生的疲勞。恒溫機(jī)械疲勞模型為

(7)

式中：FA為加速因子；下標(biāo)u和t分別表示使用和試驗(yàn)；Δεt為試驗(yàn)疲勞，Δεu為正常使用疲勞，二者均由彎曲產(chǎn)生的位移、拉緊產(chǎn)生的延伸或者其他機(jī)械疲勞決定；B為與材料相關(guān)的系數(shù)。

溫度循環(huán)疲勞模型為

(8)

式中：ΔTt為溫度循環(huán)試驗(yàn)溫差；ΔTu為正常使用中的溫差。

以上模型僅可對絕緣結(jié)構(gòu)單個環(huán)境應(yīng)力耐受力進(jìn)行評定，不能同時評定多個環(huán)境應(yīng)力耐受力，因此無法對絕緣系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境可靠性壽命評定。目前，評定絕緣結(jié)構(gòu)環(huán)境可靠性時需要與已有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的系統(tǒng)進(jìn)行對比，得到變更系統(tǒng)或新系統(tǒng)的評定結(jié)果。一般情況下，對所選試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行周期循環(huán)性試驗(yàn)，通過對比絕緣系統(tǒng)的電性能診斷結(jié)果，達(dá)到評定目的。

5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)可靠性評定的方案及實(shí)施

5.1 可靠性評定方案

根據(jù)使用特性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的可靠性評定需包含3部分：熱壽命評定、電壓耐久性評定、環(huán)境可靠性評定。

待評絕緣系統(tǒng)的預(yù)估溫度等級為180 ℃，額定電壓為1 kV，電壓峰-峰值Up-p=3 kV。

5.2 熱壽命評定-三點(diǎn)熱老化

5.2.1 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)所用設(shè)備包括熱老化試驗(yàn)箱、機(jī)械振動試驗(yàn)臺、潮濕試驗(yàn)箱以及交流耐壓設(shè)備等。

本次試驗(yàn)依據(jù)GB/T 17948.3—2017進(jìn)行長期耐熱性評定，根據(jù)預(yù)估溫度等級和推薦試驗(yàn)溫度、分周期，選擇在以下3個溫度和分周期下進(jìn)行熱老化試驗(yàn)：205 ℃，35天；225 ℃，10天；245 ℃，3天。每個溫度下試驗(yàn)5根完整的線圈。

振動和潮濕診斷試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，電性能診斷試驗(yàn)選擇匝間沖擊和對地耐壓試驗(yàn)。匝間沖擊耐壓試驗(yàn)電壓為0.65(4UN+5 kV)，持續(xù)5次；對地耐壓試驗(yàn)施加的電壓為2UN，持續(xù)1 min。

5.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

分別在3個溫度點(diǎn)下進(jìn)行熱老化試驗(yàn)，每個溫度點(diǎn)的試樣數(shù)量為5個。

失效時間確認(rèn)過程如下。

各溫度點(diǎn)進(jìn)行分周期(τ)診斷試驗(yàn)：0=τ0<τ1<τ2<…<τl。

在某溫度應(yīng)力水平下進(jìn)行壽命試驗(yàn)，時間到τj時(0

(9)

式中：tj-1未失效熱老化周期的總累計(jì)時間；tj-tj-1為失效周期的時間。

各溫度下的試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 熱老化試驗(yàn)結(jié)果

上述失效時間確認(rèn)方法為可靠性領(lǐng)域常用方法。耐熱性評定標(biāo)準(zhǔn)中失效時間計(jì)算依據(jù)為，每個試樣熱壽命為未失效熱老化周期的總累計(jì)時間與失效周期的一半時間之和。

根據(jù)熱老化試驗(yàn)結(jié)果，利用阿倫尼烏斯原理對試驗(yàn)溫度和熱壽命進(jìn)行擬合，即可得到表8所示分析結(jié)果。試樣熱壽命曲線如圖3所示。

表8 分析結(jié)果

圖3 熱壽命曲線

5.3 電壓耐久性評定-重復(fù)脈沖電壓

5.3.1 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法

工頻耐壓設(shè)備：輸入電壓220 V，輸入電流22.7 A，額定容量5 kVA，輸出電壓25 kV，輸出電流100 mA。

高頻脈沖絕緣結(jié)構(gòu)測試儀：最高試驗(yàn)電壓峰-峰值20 kV；脈沖頻率1 kHz；上升時間(1)≤100 ns(負(fù)載總?cè)萘俊?00 pF)，(2)≤200 ns(負(fù)載總?cè)萘俊? 500 pF)，(3)≤300 ns(負(fù)載總?cè)萘俊? 500 pF)；脈沖占空比50%，脈沖波形為方波，脈沖極性雙極性。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22566—2017[10]分別選擇在2Up-p、4Up-p、6Up-p下進(jìn)行重復(fù)脈沖耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)頻率為1 kHz。先進(jìn)行耐壓診斷試驗(yàn)，通過后在選定電壓下進(jìn)行老化試驗(yàn)，直至試樣擊穿失效，記錄累計(jì)電老化壽命。

5.3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

重復(fù)脈沖電老化試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 電老化試驗(yàn)結(jié)果

絕緣系統(tǒng)在對應(yīng)電壓下90%置信界限下的特征電壽命分析圖如圖4所示。

圖4 特征電壽命分析圖

對以上電老化試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性回歸分析，得到絕緣結(jié)構(gòu)的電壽命方程，計(jì)算電壓峰-峰值下的電壽命，分析結(jié)果如表10所示。繪出電壽命曲線圖，如圖5所示。

表10 電壽命方程及電壽命

圖5 電壽命曲線圖

5.4 環(huán)境可靠性評定

根據(jù)風(fēng)電發(fā)電機(jī)實(shí)際使用環(huán)境調(diào)研以及其使用情況，選擇環(huán)境可靠性評定項(xiàng)目及參數(shù)。海上風(fēng)電發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的環(huán)境可靠性評定內(nèi)容主要包括溫度變化試驗(yàn)、振動試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、沙塵試驗(yàn)等。具體試驗(yàn)參數(shù)和流程如圖6所示。

圖6 環(huán)境可靠性評定流程

環(huán)境可靠性評定目前尚未有成熟的模型用于壽命計(jì)算，因此主要是與已有一定運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的系統(tǒng)進(jìn)行對比評價，確認(rèn)新型系統(tǒng)的環(huán)境可靠性。

6 結(jié) 語

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，其絕緣系統(tǒng)的可靠性對于整個風(fēng)電機(jī)組的可靠性具有重要意義。目前常用的可靠性評定包括長期耐熱性、電應(yīng)力耐久性以及環(huán)境可靠性。

長期耐熱性的評定主要依據(jù)原理為阿倫尼烏斯方程，根據(jù)評定結(jié)果可以得到絕緣系統(tǒng)的熱壽命方程，推算出使用溫度下的熱壽命。具體評定方法主要包括常規(guī)方法和快速方法。其中前者評定周期較長，資源消耗較大，但準(zhǔn)確性較高，國內(nèi)國際認(rèn)可度高；后者評定周期短，但準(zhǔn)確度較低，國際認(rèn)可度較低，只能作為初步篩選的方法。

電壓耐久性的評定主要依據(jù)電壓壽命與電壓幅值的倒冪定律，根據(jù)評定結(jié)果可以得到絕緣系統(tǒng)的電壽命方程，推算額定電應(yīng)力下的電壽命。主要包括工頻電壓耐久性評定和重復(fù)脈沖電壓耐久性評定。工頻耐久性評定結(jié)果一致性較好，但評定的電應(yīng)力和絕緣結(jié)構(gòu)實(shí)際承受的脈沖電應(yīng)力有一定區(qū)別。重復(fù)脈沖電壓耐久性評定模擬絕緣結(jié)構(gòu)實(shí)際承受的脈沖應(yīng)力，但目前設(shè)備制造技術(shù)不穩(wěn)定，設(shè)備偏差容易引起一定的結(jié)果誤差。

環(huán)境可靠性評定目前沒有成熟的理論依據(jù)，因此一般通過與已有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的系統(tǒng)進(jìn)行對比，對變更系統(tǒng)或新系統(tǒng)進(jìn)行評定，評定項(xiàng)目和參數(shù)需根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行選擇。