發電機組定子繞組絕緣復合材料界面特性分析研究

第一作者簡介：劉虹邑（1983－），男，碩士，高級工程師。研究方向為復合材料。

*通信作者：李愿杰（1983－），男，博士，教授級高級工程師。研究方向為新能源材料、能源與電力系統等技術。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.025

摘" 要：發電機組的定子繞組主絕緣材料在長期運行過程中受到多場的熱、電、磁、力以及復雜環境因素的影響，極易出現局部的老化，從而降低絕緣性能，嚴重地危害設備的安全和系統的穩定可靠性。該文以某大型水電站發電機組中的定子繞組線圈及其絕緣層為研究對象，針對復合材料及界面特點，采用專門的材料分析技術手段，系統地研究電機服役一段時間后的絕緣層材料靠近銅導線處的結構、形貌、成分和微缺陷等變化。結果表明，在使用1年后，絕緣層包覆材料靠近銅導線側局部出現微裂紋，相應的材料特性也發生變化，并顯示出與位置分布的差異性。研究結果為持續跟蹤電機服役可靠性中的材料性能演變提供實證支撐。

關鍵詞：材料界面；微缺陷；定子繞組；發電機；材料性能演變

中圖分類號：TV734.2" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）16-0108-04

Abstract： During the long-term operation， the main insulation material of generator stator winding is affected by many fields of heat， electricity， magnetism， force and complex environmental factors， so it is easy to appear local aging， thus reducing the insulation performance. it seriously endangers the safety of the equipment and the stability and reliability of the system. This paper takes the stator winding coil and its insulation layer in a large hydropower station as the research object， and adopts special material analysis technology according to the characteristics of composite material and interface. The changes of the structure， morphology， composition and micro-defects of the insulation material near the copper wire after the motor has been in service for a period of time are studied systematically. The results show that after one year of use， the local micro-cracks appear in the insulating layer coating material near the side of the copper wire， and the corresponding material properties change， and show the difference with the position distribution. The research results provide empirical support for continuously tracking the evolution of material properties in motor service reliability.

Keywords： material interface; microdefect; stator winding; generator; material performance evolution

大型發電機組是國民經濟發展的基礎，其安全可靠運行是經濟穩定發展的重要保障。發電機一旦發生嚴重事故，將導致設備損壞，電力供應中斷，造成一系列的經濟損失。大量的統計發電機機組的故障數據表明，絕緣損壞是引起發電機故障的主要原因[1]。發電機定子繞組的復合絕緣材料在長期運行過程中易受到嚴重的電、熱、機械應力以及各種環境因素的影響，加速了絕緣材料的老化變質，嚴重地影響了電機的安全可靠運行[2]。因此，對發電機定子繞組的絕緣老化性能進行系統的測試，并對其老化規律進行研究是十分必要的。目前，國內外對發電機繞組絕緣老化的研究較多。劉耀南等[3]介紹了采用直測法、比較法和充放電法測試材料的絕緣特征；Kimura等[4]研究了絕緣材料剩余擊穿電壓的影響因素，認為用喘振頻率來確定剩余擊穿電壓是可靠的；Hao等[5]研制了超聲波和沖擊回波檢測儀器，研究了與絕緣老化和缺陷相關的電氣參數。

國內外在定子繞組線棒的老化研究中，通常集中于其宏觀電學性質部分的分析，而對于其本質的材料學特性缺少較為深入的研究[6]。本文結合大型水電站發電機實際運行的情況，采用抽樣檢測的方式，對定子繞組線棒中的絕緣復合材料的綜合特性進行了研究分析，同時結合X射線掃描等技術對材料缺陷進行了測試。

1" 樣本狀況

本文使用的樣本為大型水電站發電機組內的定子繞組線棒（結構如圖1所示），其中樣本1為已經使用過的樣本，作為實驗組；樣本2為新裝機的樣本，作為對照組。繞組線圈內部為多層銅扁線，銅扁線整體由復合絕緣材料包覆，按照所處電壓等級的不同，本樣本的銅扁線需要包扎層數不一的云母帶。電機在運行過程中，在某曲率半徑較小的尖端電極附近，由于該處電場強度超過環境中氣體的電離場強，使氣體容易出現電離現象，導致發生電暈放電。為了防止電暈放電對繞組的負面影響，本樣本在每個線圈的直邊和曲面部分分別加包絕緣帶。所用的絕緣材料為層狀結構，內含云母帶，緊密地附著在銅扁線上，形成穩定的一體化結構。隨著繞組線圈長時間地在高壓環境下運行，銅扁線包覆絕緣帶的結構會出現變化，產生各種微小的缺陷，這些缺陷在線圈直邊和曲面的分布有所區別，且隨時間的積累會發生進一步演變。本文的2組樣本在圖1（b）所示不同的位置取樣，分別編號為樣本1-1、樣本1-2、樣本1-3、樣本2-1、樣本2-2和樣本2-3，對照研究其性質的變化。

注：（a）為實物圖；（b）為結構示意圖與取樣位置示意圖。

圖1" 定子線棒

2" 結果與討論

2.1" 紅外光譜分析

采用Bruker傅里葉變化紅外光譜儀ATR-FT-IR對樣本進行結構測試，測試分辨率為4 cm-1。

圖2給出了樣本1和樣本2不同部位的傅里葉紅外光譜的分析結果。圖中最強峰出現在1 027.5 cm-1位置，對應于環氧樹脂與固化劑發生交聯反應時，由于環氧基的開環反應形成的C-O-C的對稱伸縮振動；而位于950 cm-1和750 cm-1區間內的峰來源于未開環環氧基的彎曲振動和變形振動。1 736 cm-1處的峰對應C=O的伸縮振動。1 380 cm-1-1 650 cm-1之間的峰對應于芳香C=C鍵的伸縮振動。3 362 cm-1對應-OH平面伸縮振動。在2 850 cm-1和2 920 cm-1之間對應的是-CH2（亞甲基基團）的伸縮振動。對比樣本1與樣本2的位置1的紅外光譜，其結果幾乎相同，但是樣本1-1的峰強度低于樣本2-1，說明定子使用過程中對環氧樹脂結構產生了一定破壞，其中對C=O鍵和C=C鍵影響最為顯著。

圖2" 樣本1與樣本2不同位置的紅外光譜

在C=C鍵對應的區間內，樣本1-2的峰強低于樣本2-2，說明此位置C骨架遭到了破壞，可能是由于熱致機械應力所致。樣本1-3的峰強度與樣本2-3略有差異，樣本1-3中含O鍵的吸收峰強度高于樣本2-3，同時非含O鍵的吸收峰強度低于樣本2-3，說明位置3處絕緣材料出現一定程度的老化。

2.2" XPS分析

采用Thermo Fisher公司型號為ESCALAB 250Xi光電子能譜儀進行X射線光電子能譜（XPS）測試。典型的結果如圖3所示。

圖3（a）和（b）分別為樣本1-1和樣本2-1的XPS全譜分析。2種樣本的成分都主要由O、C、Si、N 4種元素組成，其中樣本1-1的O、C、Si、N 4種元素的原子百分比分別為49.23%、41.52%、8.6%和0.65%；樣本2-1的O、C、Si和N 4種元素的原子百分比分別為48.37%、41.51%、7.88%和2.24%。兩者相比，使用過后的樣本O元素含量有所提升，C元素百分比有所下降，說明空氣中的氧氣參與到了絕緣層的老化過程中來。樣本1-1與樣本2-1的C1s軌道的精細譜分峰分析如圖3（c）和（d）所示。兩者C1s軌道精細譜差別較大，使用過的樣本1-1對比嶄新出廠的樣本2-1，C-O/C-N鍵的百分比大幅提高，從31.88%提高到了48.95%；C=O鍵的百分比含量幾乎不變；而C-C/C=C鍵的百分比含量從59.23%下降到了42.44%，說明了絕緣層老化過程中O元素含量的提高是由于C元素氧化造成的，這一過程需要空氣中的氧氣參與。本文同時分析了位置2的XPS圖譜，結果表明位置2使用前后的樣本成分含量只有略微的差別，老化程度較小，老化速度較慢。

圖4（a）和（b）分別為樣本1-3和樣本2-3的XPS全譜分析。其中樣本1-3中，C1s軌道峰出現在282.32 eV；529.06 eV的峰為O1s軌道；100.15 eV的峰為Si2p軌道；397.40 eV的峰為N1s軌道。樣本2-3中，C1s軌道峰出現在282.89 eV；529.35 eV的峰為O1s軌道；100.84 eV的峰為Si2p軌道；398.25 eV的峰為N1s軌道。2種樣本的成分都主要由O、C、Si和N 4種元素組成，其中樣本1-3的O、C、Si和N 4種元素的原子百分比分別為50.72%、38.84%、8.61%和1.84%；樣本2-3的O、C、Si和N 4種元素的原子百分比分別為49.79%、40.21%、8.04%和1.97%。兩者相比，使用過后的樣本O元素含量有所提升，C元素百分比有所下降，說明空氣中的氧氣參與到了絕緣層的老化過程中來。樣本1-3與樣本2-3的C1s軌道的精細譜分峰分析如圖4（c）和（d）所示。樣本1-3中284.8 eV處的峰為絕緣層材料中的C-C/C=C鍵，百分比含量為44.05%；285.98 eV處的峰對應于絕緣層材料中的C-O/C-N鍵，百分比含量為48.86%，相對于標準峰位位置286.06 eV發生了約0.02 eV的位移；289.08 eV處的峰對應于絕緣層材料中的C=O鍵，百分比含量為7.09%，相對于標準峰位位置289 eV發生了0.08 eV的位移。樣本2-3中284.8 eV處的峰為絕緣層材料中的C-C/C=C鍵，百分比含量為60.91%；286.16 eV處的峰對應于絕緣層材料中的C-O/C-N鍵，百分比含量為32.44%，相對于標準峰位位置286 eV發生了0.16 eV的位移；288.97 eV處的峰對應于絕緣層材料中的C=O鍵，百分比含量為6.65%，相對于標準峰位位置289eV發生了0.03 eV的位移。兩者C1s軌道精細譜差別較大，使用過的樣本1-3對比嶄新出廠的樣本2-3，C-O/C-N鍵的百分比大幅提高，從32.44%提高到了48.86%；C=O鍵的百分比含量從6.65%提高到了7.09%；而C-C/C=C鍵的百分比含量從60.91%下降到了44.05%，說明了絕緣層老化過程中O元素含量的提高是由于C元素氧化造成的，這一過程需要空氣中的氧氣參與，與電暈放電密切相關。

2.3" 2D CT掃描分析

采用phoenix microme x neo對2個樣本進行了CT掃描分析，結果如圖5所示。

圖5展示了絕緣層與Cu導體界面的CT圖像。對比圖5（a）與（b）可以看出，層狀主絕緣層的襯度分布不均勻，說明使用過程使得主絕緣材料局部密度發生變化，與Cu導體接觸的部分和與空氣接觸的部分密度較低，兩邊都不接觸的密度較高，并且在主絕緣層中產生了間隙，間隙的產生對定子繞組的機械性能、安全性能、導電性能會產生不良的影響。由圖5（c）與（d）的對比分析可以看出，絕緣層與Cu導體接觸的區域可以觀察到明顯的電暈放電痕跡，與Cu導體越近的絕緣層材料，受到電暈放電的影響越嚴重，從而使主絕緣層的層狀結構受到的影響越嚴重；而與空氣直接接觸的部分，空氣中的氧含量遠高于定子線棒內部，從而在定子線棒表面的氧化速度快于內部，對主絕緣層結構產生破壞。此外，定子線棒工作過程中會受到一定的機械應力的作用，從而對主絕緣層的結構產生破壞，影響銅扁線包覆材料的絕緣性能。

圖5" 樣本1與樣本2絕緣層與Cu界面的CT圖像

3" 結論

定子繞組線棒工作過程中受到工作環境的影響會產生明顯的老化，并且老化程度隨定子線棒的位置不同會有所不同，其中在位置3的老化程度最高，位置2老化程度最低。定子線棒內部缺陷的多少與空間位置有很大的關系，主要集中在位置3處Cu導體與主絕緣結構的界面、主絕緣結構與空氣接觸的界面和承受機械應力的主結構。本工作的研究結果為發電機組定子繞組絕緣層不同部位的老化研究提供了實驗支撐。

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