发电机在运行过程中，定子绕组主绝缘长期受到电、热等因素的影响会不断老化，其介电性能和机械强度逐年降低，最终导致绝缘失效〔1〕。经大电网研究委员会对上千台电机故障原因的统计，发现由于绝缘老化原因造成的电机绝缘损坏事故占到事故总数的30%以上，可见老化问题已成为威胁发电机运行安全的关键因素。为避免由于绝缘老化而发生机组运行事故，及时对发电机开展绝缘状态诊断及评估，在绝缘寿命终止前将其退出运行，尤为重要。

取“2.2”项下固定后的肝组织，脱水，石蜡包埋，按4 μm厚度切片。然后进行常规苏木精-伊红（HE）染色，于倒置显微镜下观察，并依据《非酒精性脂肪性肝病诊疗指南》[10]，判定肝细胞脂肪变性程度。

在发电机绝缘诊断方面，国内外至今已开展了大量研究，部分研究发现某些非破坏性介电参数与绝缘老化状态及剩余击穿电压有着很强的相关关系〔2〕，因此利用该些特征量对绝缘进行评估，对于掌握电机的状态具有重要意义。文中以一台运行35年的水轮发电机为对象，根据近10年以来的关键介电量的变化情况，对定子主绝缘进行状态诊断和寿命预测，最后利用电镜扫描和热重分析〔3〕方法对诊断结论进行了验证，说明以机组各方面的历史数据为依据，基于关键特征量的分析方法是一种比较实用、有效的绝缘诊断评估方法。

1 定子绕组主绝缘老化机理

1960年以来，由于环氧树脂的快速发展，环氧粉云母绝缘作为电机定子绕组主绝缘材料，在电机行业得到广泛使用，文中以这种绝缘结构进行说明。电机在运行过程中，定子绕组主绝缘不可避免地受到电、热、机械力等多种应力的影响，因此绝缘老化实际上主要是这些应力综合作用的结果。从本质上讲，老化与主绝缘内部气隙的产生、发展、及环氧劣化有着极为密切的联系。热应力使得环氧树脂等材料发生脆化和降解，黏粘能力降低，造成绝缘内部产生裂纹或分层；电应力使得绝缘内部或表面发生气隙击穿，击穿过程中产生的热量、带电粒子以及臭氧等化学物质进一步损坏绝缘材料；机械应力主要包括电磁机械力和冷热循环热机械力，长期作用在绝缘上造成绝缘磨损、疲劳、脱层、发空或断裂。绝缘老化特性如图1所示，可以看出，老化对绝缘的主要影响是导致绝缘耐受电压不断降低〔4〕。

  

图1 不同因子作用下的绝缘老化特性

2 定子绕组主绝缘老化诊断方法

对绕组绝缘性能的诊断，最有效的方法是通过交流耐压的方法确定绝缘击穿电压的大小，但这种方法属于破坏性试验，会造成绝缘击穿后无法继续使用。绝缘在使用过程中，随着性能的劣化，其介电特性会降低，对应的部分介电参数会发生对应的改变，因此可直接用来表征绝缘的真实状态〔5〕。

目前，对发电机开展的绝缘诊断试验项目主要有绝缘电阻测量、介电损耗测量、局部放电量测量和交流泄露电流测量等〔6〕，可获得的介电参数主要有绝缘电阻R、极化指数PI、介质损耗tanδ、介质损耗增加率Δtanδ、电容量C、电容量增加率ΔC、交流电流增加率ΔI、最大局部放电量Q max等。其中:

主成分与各个指标的相关性程度可以由因子载荷的绝对值与1之间的靠近程度来说明。因子载荷的绝对值越接近1，表明该因子载荷所对应的指标与所提取的主成分之间的相关性越强。主成分的经济意义由各线性组合中权数较大的几个综合指标的综合意义来确定。

伊比利亚黑猪生活在西班牙的丛林地带，是人工培育出来的优良品种。因为常被放养于山间林地，所以伊比利亚黑猪的习性更接近于野猪。

2)tanδ、Δtanδ、C、ΔC等可以反映绝缘中气隙、分层的大小和绝缘整体缺陷，一般常根据tanδ、C随电压的变化趋势评定绝缘的老化程度，若Δtanδ或ΔC接近0，表明绝缘无缺陷。

3)当绝缘中含有大量的气隙时，随着绝缘上外施交流电压的升高，流过绝缘的泄露电流会随着气隙放电的增强而突变，并出现第一和第二电流激增点，因此ΔI与内部气隙分布状况和数量有关，也可反映绝缘的整体老化状态。

4)局部放电对绝缘的损坏最为严重，放电主要来源于绝缘内部的气隙击穿，Q max反映了绝缘内部最大的局部缺陷，可有效判断绝缘的局部老化情况。

1)R、PI能很好地反映绝缘受潮和积污情况，是绝缘吸湿、脏污特性调查的灵敏参数。

寿命L＝寿命终点/击穿电压年平均下降率Δ

根据IEC的规定，绝缘剩余击穿电压U BD可用来反应绝缘老化的程度，当U BD下降到初始击穿电压的50%时，认为绝缘达到寿命终点。在U BD的推算方面各国做了大量工作，特别是日本通过对大量旋转电机击穿电压与特征量的数据统计，并采用回归分析等手段，得到若干应用范围较广的击穿电压经验公式〔9〕。

 

式中 U N为额定电压值，kV；tanδο为2 kV时的介损，%；Cο为2 kV时的电容，F；Rο为1 min时的绝缘电阻，Ω。

（1）仪器：选择美国Siemens Sequoia 512型彩色多普勒超声诊断仪，内置对比脉冲序列成像系统，可提供实时超声造影检查，探头为4CI-S，调整频率为15MHz；选择意大利Cracco公司提供的造影剂，每瓶25mg冻干粉与氯化钠溶液5ml（0.9%），经震荡为微泡悬浮液备用；

击穿电压年平均下降率Δ＝(初始击穿电压－当前剩余击穿电压)/运行年数

研究表明，在上述各特征量中，Q max、Δtanδ、tanδ、ΔI等与剩余击穿电压的相关性最高，相关系数可达到0.7～0.8，R、PI等参数与击穿电压的相关性最低〔7〕。 因此国内主要将 Q max、 Δtanδ、 tanδ、ΔC、C等特征量用于绝缘老化的鉴定，通过将各参数与对应的限制值进行比较来确定绝缘是否进入老化阶段，并形成了实用的老化鉴定标准〔8〕，但标准中未对老化的程度给出详细说明。

剩余寿命LR＝L－实际运行年数 (2)

当电机在按照设计要求运行并得到较好的维护时，近似认为U BD与运行时间基本上呈线性关系，此时可以用式 (2)估算剩余绝缘寿命。

3 绝缘诊断与寿命预测实例

某电厂21 MW水轮发电机额定电压10.5 kV，定子绕组主绝缘为F级环氧粉云母绝缘，至今已运行35年。为了解绝缘老化状况，利用近10年来测量得到的各方面数据对定子主绝缘进行诊断和评估〔10〕。考虑到三相绕组中A相绕组绝缘性能最低，只对A相进行分析。

技术理性的认识论认为，知识是纯粹抽象的结果，不需要质疑。它只能由大学的研究者和学者来创造，其他的专业人员和技术人员只是把这些创造出来的理论应用到实践中。[6]由此衍生的对教学知识的理解是，教学知识体系也具有这些特征，教学知识体系中的学科知识、学科教学法知识是由大学的学科专家创造的，其中的教育学、心理学等知识是由大学的教育学者、心理学者创造的。教师只是知识的使用者或消费者。[7]因此，在教学知识体系的创造和扩展过程中，教师几乎处于集体失语的状态。[8]

式 (1)为多种推算方法中局部放电参数法的预测公式，该方法认为UBD与局部缺陷有直接关系，同时受到绝缘吸潮等因素的影响，因此用Q max表示最大局部缺陷，用tanδ°、Rο、C°等量反应绝缘吸潮情况，公式预测精度达到76%。

在0.2～1.0UN范围内测量绕组介损tanδ及电容C，并计算介损增量Δtanδ和电容增量ΔC，不同运行年限下的介损和电容参数变化曲线图3所示。

3.1 绝缘电阻分析

将绕组绝缘电阻换算至40℃时，绝缘电阻、吸收比随老化时间的变化趋势如图2。

  

图2 绝缘电阻及吸收比随运行年数变化曲线

从图中可以看出，历年来绝缘电阻R和吸收比PI的数值均能满足机组安全运行的要求，但两者随运行时间的增长并无明显的变化规律，这说明两者仅能验证绝缘不存在整体受潮、贯穿性击穿等缺陷，无法反映绝缘的整体老化程度，也不能预测发电机主绝缘的剩余寿命，可见两者在绝缘诊断方面灵敏度较低。

设计师行为表达为二部网络模型，如图9所示。图中，产品创新方案子网(Product网或P网)是产品创新方案的网络，每个节点表示一个方案，节点之间的连线(边)表示产品间的引用关系；设计师子网(Designer网或D网)是设计师的协作网络，每个节点表示一个设计师;两个子网之间的连线连接设计师及其作品。D网的边根据P网投影得到。

3.2 介质损耗及电容分析

吸取1 μL提取的mtDNA样品，采用微量分光光度计(Nanodrop 2000)检测浓度和纯度。吸取2 μL 样品，加入18 μL ddH2O稀释10倍，吸取1 μL 稀释后的样品进行琼脂糖凝胶电泳检测，并以10 ng和30 ng的λDNA为对照。

  

图3 介损及电容值随运行年数变化曲线

从图3(a)可以看出，在低外施电压条件下不同运行年数下的tanδ相差不大，但是随着电压的升高，各运行年数下的tanδ和Δtanδ均有增大趋势，但增加程度与运行年数密切相关:绕组运行年数越久，对应的U－tanδ曲线上的介损激增起始电压越低，曲线斜率也越大。分析认为，在低电压下tanδ主要由电导、松弛极化引起的损耗构成，此时tanδ受运行年限影响较小；但当外加电压大于气隙击穿电压并继续升高时，绝缘内部局部放电开始加重，局放损耗成为介质损耗的重要组成部分，因此绕组运行越久，绝缘内部分层、发空等问题缺陷导致的气隙放电也越激烈，导致tanδ和Δtanδ随运行时间增加不断增大。

在图3(b)中，当外加电压比较低时，测量得到的绝缘电容值C随着运行年数的增加有减小趋势，但是随着电压的升高，电容值逐渐增大，并且运行年数越久，电容值以及电容增加幅度越大。这主要是由于绝缘内部气隙的存在减小了主绝缘的平均介电常数，当低电压下气隙尚未被击穿时，气隙越严重，主绝缘电容值越小，但当气隙被击穿后，电容量开始增大，气隙击穿的越多，电容增加越明显。

另外强调， 2008—2010年 tanδN、 Δtanδ、ΔC等值开始快速增加，到2016年分别达到8.2%、6.58%、12.16%，依次超过文献 〔8〕 中 6%、4%、8%的限值，表明绝缘已进入老化状态。

3.3 交流泄露电流分析

当绝缘内部发生气隙群击穿时，交流泄露电流会随气隙击穿的扩展而增大，当击穿的气隙多而广时，在U－I曲线上会出现电流的激增。图4是对整相绕组在不同运行阶段施加交流电压测得的泄露电流变化曲线。可以看出，在绕组运行早期，泄露电流－电压曲线上各激增点电压并不明显。但随着运行年数的增长，第一电流激增点和第二电流激增点逐渐出现并越来越明显，且对应的电压值有减小趋势，特别是在2016年ΔI达到11%，超出注意值(6%)。这都是由于主绝缘老化使得起始放电电压降低和放电增强所造成的。

  

图4 交流泄露电流随运行年数变化曲线

3.4 最大局部放电分析

最大局放量Q max主要用来评估绝缘内部最大缺陷情况，是老化鉴定的主要指标之一，按照文献〔8〕的规定，正常情况下额定相电压下的Q max不应大于104 pC。近10年来不同运行年数下的Q max变化曲线如图5所示，

  

图5 最大局放量随运行年数变化曲线

从图中可看出，Q max一直呈现增长趋势，特别是在2010年以后增长开始加快，出现了一个明显的转折点，最大放电量开始超过104 pC，反映出在运行过程中主绝缘内部分层、气隙等老化问题越来越严重。

3.5 剩余击穿电压及寿命预测

从以上的分析可以看出，该发电机A相绕组绝缘已经进入老化状态，为评估老化的程度，这里利用 “局部放电参数法”对剩余击穿电压进行预测，结果见表1。

目前，信息技术在现代农业发展中的应用已成为一种基本趋势，科技信息化服务也成为世界上许多国家农业科技推广与服务的主要方式，农业知识库作为现代农业科技信息化服务的基础和核心，其重要性不言而喻。

 

表1 2016年剩余击穿电压预测

  

年份 Q max/pC tanδο/% Rο/GΩ Cο/pF (U BD/U N)/%2016 18 100 1.42 1.2 1 382 2.633

发电机在制造中，定子绕组绝缘初始击穿电压一般设计最低为5U N，从表1可知，在2016年绕组绝缘击穿电压已降至初始击穿电压的52.66%，即将接近IEC标准的寿命规定，同时也快要接近绝缘运行中 (2U N＋1)kV的最低安全阀值。利用“年老化率法”继续对剩余寿命进行预估，结果见表2，表中序号1对应以IEC标准中50%初始击穿电压为寿命终点，序号2对应以运行中 (2U N＋1)kV电压为寿命终点，推测发现经过长时间的老化后，绝缘剩余寿命已只有2—8年，因此后续运行中绝缘击穿等故障发生的概率将不断提高，绕组绝缘亟待改造。

 

表2 2016年剩余寿命预测

  

(U BD/5U N)/% U BD下降率/% 寿命/年 剩余寿命/年0.526 6 0.013 5 37 2 0.526 6 0.013 5 43 8

3.6 电镜扫描及热重分析验证

为从微观等角度对绝缘老化情况进行深入分析，利用停机机会随机抽取线棒一根，采用电镜扫描及热重分析方法对绝缘进行分析，电镜扫描结果如图6，热重分析结果如图7。

  

图6 绝缘电镜扫描图

  

图7 热重分析图

从电镜扫描结果可以看出，经过30余年的运行后，绝缘内部已经呈现出明显的老化特征，特别是在绝缘内部云母片等材料已发生严重的分层和断裂，并在缺陷处形成数量可观的气隙群，气隙群经过长期击穿放电，在周围呈现高温碳化痕迹。热重分析结果显示，老旧绝缘内部环氧树脂经过挥发和降解，含量已从初始值40.6%(备用线棒含量)降至26.7%，因此环氧树脂的缺失导致云母之间、云母与纤维布之间黏沾能力降低，成为云母分层、气隙产生的主要原因。

4 结语

老旧发电机的绝缘状态诊断及评估对于提高机组运行可靠性意义重大。介质损耗、局部放电等试验测试结果与绝缘残余介电强度有着很好的相关性，利用对应的介电特征量能较准确地评定绝缘老化程度，因此建议在机组运行过程中定期进行发电机绝缘老化诊断和评估，了解老化趋势和程度，同时积累数据，掌握各项性能，使老化评定更可靠。

地基高程4.6～6.1m主要为第②层壤土，具中等压缩性，微透水性，稳定性较好。高程4.6m以下为第③层壤土，有机质含量较高，具中等压缩性，微透水性，工程地质相对较差。

参考文献

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〔4〕佐佐木合，关玉薇.提高水轮发电机剩余寿命诊断精度 〔J〕.国外大电机，2000(3):24-27.

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