定子主絕緣受潮頻域介電參量提取及狀態評估

劉驥， 韓英喆， 趙立勝， 孔祥清

(1.哈爾濱理工大學 工程電介質及其應用教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080；2.哈爾濱理工大學 電介質國家重點實驗室培育基地，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引 言

發電機定子主絕緣受潮不僅嚴重影響絕緣檢測還會加速絕緣老化，現場評估發電機定子主絕緣受潮狀態時通常使用吸收比和極化指數這些傳統電氣參數[1]。然而，這些參數的測試結果分散性大，還容易受到測試環境干擾，影響評估的可行性和可靠性。

近幾年，基于介電響應理論的頻域介電譜法、回復電壓法以及極化/去極化電流法，得到了越來越多的關注[2]。相比其他兩種方法，頻域介電譜法具有更好的濾噪和抗干擾能力，因此，頻域介電譜法更適用于定子絕緣的現場檢測[3-4]。ABB公司最先將介電響應技術應用到發電機主絕緣現場檢測中[5]。

頻域介電譜法在我國主要用來評估變壓器油浸紙絕緣老化狀態。范賢浩等人[6]利用擬合介電特征參量數據庫和支持向量機構建建立了老化狀態評估的分類模型。徐晴川等人[7]用頻域介電譜分析弛豫時間較小的弛豫過程，通過極化電流分析弛豫時間較大的弛豫過程和直流電導過程。蔡金錠等人[8]提出新的特征量-絕緣油的平均弛豫因子、絕緣紙的平均弛豫因子來評估油紙變壓器中油紙絕緣的狀態。張明澤等人[9]提出基于特征頻率點的頻譜平移方法，定量表征了油浸紙板的激活能量與含水率。西南交通大學研究發現頻譜曲線對定子主絕緣受潮狀態和測試溫度的變化極為敏感，同時，探究了定子主絕緣不同老化狀態對頻譜曲線的影響，并借助Colo-Colo函數和HN函數提取老化特征量，用來評估定子主絕緣的老化狀態[10-13]。

國內外眾多專家學者對定子主絕緣頻域介電譜特性的研究發現，僅單純觀察頻域介電譜曲線評估定子絕緣受潮狀態并不可靠，因此繼續深度發掘介電譜曲線，提取對絕緣受潮變化敏感的特征量定性評估絕緣受潮狀態，目前鮮見報道[14]。同時，雖然大量學者深入探究定子主絕緣頻譜曲線并從中提取出介電特征量定量評估絕緣狀態，但這些特征量十分不穩定，易受環境干擾，常常引起較大評估誤差，因此需要提取一些攜帶絕緣信息豐富、穩定的介電特征量[15]。

本文借助加速熱老化試驗和受潮試驗獲取不同絕緣狀態的定子主絕緣樣品，深入探究受潮對定子絕緣層壓板樣品介電特性的影響，依據介質損耗積分值，提出模糊識別方法，結合灰色關聯理論對絕緣樣品受潮狀態進行定性評估，同時，提取受潮評估因子與絕緣樣品受潮狀態建立定量關系。提出一種定性和定量相結合的定子主絕緣受潮評估法，并通過實驗室樣品進行初步驗證。

1 試驗過程

1.1 不同絕緣狀態樣品的制備

絕緣受潮狀態受老化程度與受潮環境共同影響，因此借助加速熱老化試驗和受潮試驗分別制備不同絕緣狀態樣品，對其進行介電響應和吸收比測試，多次測量，結果取均值。試驗所用樣品均選用5440-1桐馬環氧玻璃粉云母帶，按GB/T5019.8-2009《以云母為基絕緣材料》制作30個厚度為1 mm的層壓板樣品。

1.2 加速熱老化試驗

將制備好的30個層壓板樣品等量分成五組，依次編號No.1～No.5。No.1作為未老化樣品放入密封袋內密封保存。No.2～No.5從密封袋內依次取出放入210 ℃熱老化干燥箱內，進行加速熱老化試驗。

在老化15、20、25、30天時依次將編號No.2～No.5樣品取出，冷卻至室溫后放入密封袋，對冷卻后的干燥樣品測試吸收比和介電響應特性，吸收比測試結果如表1所示。

表1 不同老化狀態樣品的吸收比

1.3 不同受潮狀態的樣品制備

定子主絕緣受潮主要分為環氧基團吸附水分子和絕緣材料界面處存留水分兩部分，有研究表明定子主絕緣受潮狀態存在飽和點，初始受潮過程一般為環氧基團吸濕，環氧基團充分吸濕后，吸收的水分主要留存在界面處[16]。為獲得多種受潮狀態的絕緣樣品，需對各老化狀態的樣品進行不飽和受潮試驗。另制備30天老化試樣，結合水分稱重法進行浸水預實驗，試樣浸水3天后水分含量達到飽和點，制定受潮試驗步驟如下：從密封袋內取出老化試樣，放置恒濕箱內受潮3天(40%相對濕度(relative humidity，RH)、70%RH、100%RH)，受潮結束后進行介電響應和吸收比測試，每次測試結束放入75 ℃干燥箱內烘干30 h再進行下一濕度受潮試驗。圖1為試驗中制備的不同老化狀態樣品經吸潮處理后的吸收比，可以看出，隨環境濕度增加，吸收比均勻下降，受潮程度逐漸加深。

圖1 不同老化、不同受潮狀態樣品的吸收比Fig.1 Absorption ratios of samples with different ageing and different damp conditions

1.4 介電響應測試

對環氧云母層壓板樣品的介電響應測試為頻域介電譜測試，測試采用MEGGER IDAX300，交流電壓幅值為140 V，頻率范圍為10-3～104Hz。

試驗測試了上述所有絕緣樣品的介質損耗因數曲線，受篇幅影響，只給出不同老化天數干燥狀態和老化20天不同受潮狀態下樣品的介質損耗因數曲線。

圖2為多種老化狀態干燥樣品的介質損耗因數曲線，可見，隨老化程度加深，頻譜曲線在測試頻段逐漸升高，隨頻率降低上升速率逐漸加快。這是因為老化導致環氧云母復合絕緣膠粘劑粘結力下降，絕緣內部形成更多的氣隙，加強了界面極化。此外，老化產生的極性產物會使樣品內部游離子增多，電導率上升，增強介質極化強度，電導與松弛損耗均增加。值得關注的是，隨熱老化天數增加，曲線在中頻段出現弛豫峰，該現象表明樣品已經老化嚴重了。

圖2 不同老化狀態樣品的介質損耗因數曲線Fig.2 Dielectric loss factor curves of samples underdifferent aging conditions

圖3為不同受潮狀態樣品的介質損耗因數曲線，可見，樣品介質損耗因數曲線因受潮狀態加深而大幅度上移，對樣品受潮狀態反映靈敏，這是因為水分子無論受到環氧樹脂基體內極性基團的吸附，還是留存在材料界面之間，都會增大層壓板電導率，增加電導損耗和介質損耗。

圖3 不同受潮狀態樣品的介質損耗因數曲線Fig.3 Dielectric loss factor curves of samples underdifferent damp conditions

2 絕緣受潮狀態評估

2.1 灰色關聯評估法實現

灰色關聯評估法評估定子主絕緣受潮狀態，需要構建標準參考狀態向量組，通過計算待評估樣品與各標準狀態向量的關聯度，獲知樣品的受潮狀態。

為構建上述參考狀態向量組，同時兼顧評估精度，需要基于基礎數據劃分盡可能多的標準狀態。《電力設備預防性試驗規程》中指出，現場定子絕緣受潮檢測過程中，吸收比是反映絕緣受潮程度的重要指標，吸收比低于1.6時，定子絕緣嚴重受潮或缺陷嚴重。同時，結合圖1不同老化狀態絕緣試樣受潮過程中吸收比的變化范圍，劃分定子絕緣四種受潮狀態：吸收比大于2.4為優秀，狀態編號X1；吸收比在(2.0, 2.4]區間內為良好，狀態編號X2；吸收比在(1.6,2]區間內為一般，狀態編號X3；吸收比小于等于1.6為嚴重，狀態編號X4。

2.2 特征向量選取及參考狀態向量組建立

圖2、圖3的介電測試結果分析顯示，絕緣嚴重老化時，在0.1～220 Hz頻段出現弛豫峰，標記該頻域段為熱老化特征頻段。同時，絕緣受潮對測試頻段整體均產生影響，即測試頻段介質損耗因數的大小和變化決定了樣品的受潮狀態，因此，標記測試頻段為受潮特征頻段。根據上述分析，細分受潮特征頻段，首先通過熱老化特征頻段將測試頻段分成三段，再按頻率點分布將熱老化特征頻段一分為二，最后將受潮特征頻段細分成220～104Hz、10～220 Hz、0.1～10 Hz、10-3～0.1 Hz四個頻率段。將上述頻率分段積分值定義為特征參量T1、T2、T3和T4，可表示為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)～式(4)可通過1.4節層壓板樣品的測試結果提取特征參數。根據測試結果，多次測量下，相比于吸收比，介質損耗因數曲線測試結果分散度更低，而且由于介電譜測試特別適用于容性試品，絕緣內部的水分屬于強極性電介質，其極化和損耗行為在高頻和低頻段反映靈敏；采用多個頻率點的損耗因數值，有效避開了工頻干擾，提高準確度。此外，積分值是介質損耗因數曲線與頻率軸圍成的面積，以此作為介電參量既可以有效避免曲線取點的隨機性，又消除了曲線突變的影響，測試具有抗干擾性和高穩定性。同時積分值涵蓋了整個頻段的測試點，攜帶的介電信息更豐富。分頻段的積分值表征了絕緣不同受潮狀態介質損耗譜的相對幅度大小和對應頻段曲線的形狀趨勢，能夠在絕緣受潮狀態評估中增加評估準確度，同時積分值之間各自獨立，無法相互轉化。

為評估絕緣受潮狀態，由以上特征參量構建特征向量組，表達式為

X0=(X(1),X(2),X(3),X(4))。

(5)

根據吸收比測試結果，將試驗數據依據吸收比測試結果進行受潮分類，對每種受潮狀態下的介質損耗因數曲線進行均值化運算得到4組新曲線，分別對應受潮的四種參考狀態。對這四條曲線提取特征參量，組建參考狀態向量組，具體結果如表2所示。

表2 參考狀態向量組

2.3 定子絕緣吸收比與受潮狀態定量評估

圖4繪制了老化20天樣品在不同受潮狀態下的Ttanδ(f)實測值隨測試頻率間的關系，由圖可知，在同一頻率段內，隨著絕緣受潮狀態加重，Ttanδ(f)顯著增大，這說明Ttanδ(f)對絕緣受潮狀態的反應非常敏感。對圖中Ttanδ(f)與頻率f進行擬合，結果如表3所示，可以看出，Ttanδ(f)與測試頻率f之間具有良好的指數關系。這表明，在相同積分頻域范圍內絕緣樣品Ttanδ(f)呈指數規律增大。

表3 Ttanδ(f)與頻率間的擬合關系

圖4 絕緣Ttanδ(f)測試值與測試頻率間的關系Fig.4 Relationship between the measured value of insulation Ttanδ(f) and the test frequency

為在有限頻段內獲得更多Ttanδ(f)攜帶的受潮信息，選定測試頻率內對受潮狀態最為敏感的頻率點積分最大值Ttanδmax為受潮評估因子，是定量評估定子主絕緣樣品受潮程度的介電特征參量，表達式為

(6)

整個頻段的積分雖沒有分頻段積分值反映的信息豐富，但是可以表征絕緣樣品整體的受潮狀態。圖5為試驗所有數據的受潮評估因子與絕緣試樣吸收比之間的擬合曲線，可以看出，Ttanδmax與絕緣試樣吸收比存在較好的指數聯系，其擬合關系如表4所示，擬合公式中A、B、C為與受潮程度和測試環境相關的常數，該擬合關系的擬合優度達到0.98。

圖5 絕緣吸收比與Ttanδmax之間的關系Fig.5 Relationship between insulation absorption ratio and Ttanδmax

表4 絕緣吸收比與Ttanδmax之間的擬合關系

3 實驗室樣品評估

綜合上述研究，從定性、定量兩方面提出一套定子絕緣受潮狀態評估方法。首先，將灰色關聯理論應用在定子絕緣受潮狀態的定性評估中；然后，利用介電譜提取受潮評估因子定量評估絕緣層壓板的受潮狀態，所得結果可以互相驗證。

為驗證上述評估方法，重新制備新樣品S1～S3作為待評估對象進行介電測試，利用式(1)～式(4)和式(6)提取相應的介電特征參量，組成待評估向量組，如表5所示，同時測試樣品吸收比分別為2.12、2.64、1.40，通過灰色關聯理論評估受潮狀態。

表5 待評估樣品介電特征參量

灰色關聯理論的實質是計算待評估特征向量組與參考特征向量組之間幾何形狀的吻合度，通過幾何形狀的相似度判斷待識別對象屬于參考向量組中哪一類。從待評估樣品中提取特征量T1、T2、T3、T4作為向量元素構成待評估的狀態向量組Xi=(Xi(1),Xi(2),…,Xi(m))，待評估向量組分別與參考向量X0=(x0(1),x0(2),…,x0(n))進行匹配識別。識別過程需要通過計算關聯度來完成，決策得到待識別樣品與參考向量組內關聯度最高的狀態。關聯度是對兩個向量之間關聯性的度量，本文選用的鄧氏關聯度法因算法完善度高、計算方便，是最常用的關聯度方法，關聯度計算公式為：

(7)

(8)

式中:γ(X0,Xi)是待評估向量Xi和參考向量X0之間的關聯度；ρ為分辨系數，通常取0.5。

圖6為關聯度計算流程圖。在計算關聯度之前，由于狀態向量各元素量綱不同，需要對待評估樣品和標準向量組原始數據進行無量綱化，表達式為：

圖6 關聯度計算流程圖Fig.6 Correlation degree calculation flow chart

(9)

首先，將待評估向量組與四個參考狀態向量構建成四個4×4的評估矩陣，采用式(9)所示的均值化算子對四個矩陣進行歸一化處理；然后，采用式(7)鄧氏關聯度計算法計算表5中歸一化后的待評估向量組與參考狀態向量組之間的關聯度，結果如表6所示；最后，選擇關聯度最大值，判斷待評估樣品所屬狀態，待評估樣品S1～S3分別與受潮狀態X2、X1、X4屬于同一類。將待評估樣品實測狀態和評估狀態進行對比，發現均與實測狀態相符，證明了灰色關聯理論定性分析的有效性。

表6 待評估樣品與參考向量組的關聯度

對待評估樣品進一步進行定量分析，根據2.3節所提的受潮狀態量化方法，結合表5受潮評估因子Ttanδmax和表4擬合公式計算得到待評估樣品S1、S2、S3吸收比的計算結果與實測結果對比如表7所示，可知計算與實測結果也基本吻合，驗證了所提方法定量評估的可行性。

表7 待評估樣品吸收比測試值與擬合值

4 結 論

為彌補現場發電機主絕緣檢測中吸收比測試的不穩定性，本文借助加速老化和受潮試驗，制備不同老化程度和受潮狀態的層壓板樣品作為基礎數據，結合灰色關聯理論與介損積分將介電響應技術應用于定子主絕緣受潮狀態評估中。得到如下結論：

1)結合灰色關聯度理論，以《電力設備預防性試驗規程》和試驗數據為依據劃分絕緣層壓板四種受潮狀態和四個受潮特征頻段，選取特征頻段的分段介損積分值作為介電特征量，建立受潮標準狀態向量組；

2)根據不同受潮狀態絕緣樣品介損積分隨測試頻率單調遞增趨勢，定義測試頻段介損積分最大值為受潮評估因子，建立受潮評估因子與吸收比的指數擬合關系，使介質損耗頻域譜攜帶的受潮信息得到量化；

3)從定性、定量兩方面提出一套定子絕緣受潮狀態評估方法。以實驗室三個絕緣樣品為對象，計算與標準受潮狀態的關聯度和樣品吸收比，證實所提方法的有效性，增強了介電響應評估技術的適用性。