史進淵

（上海發(fā)電設備成套設計研究院，上海200240）

絕緣技術(shù)是發(fā)電機制造的關鍵技術(shù)之一，而發(fā)電機的線圈絕緣部分占發(fā)電機制造總價的25%以上，有人把線圈絕緣比做發(fā)電機的心臟，其實并不過分［1］．根據(jù)全國汽輪發(fā)電機事故資料統(tǒng)計，在1975—1985年間，共有470臺容量為6MW以上的汽輪發(fā)電機發(fā)生過事故，其中定子線圈絕緣事故占33%；在1983—1992年間，有14臺國產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機先后共發(fā)生19次定子線圈短路事故［2］．定子線圈絕緣事故處于汽輪發(fā)電機事故的第1位，說明定子線圈絕緣是汽輪發(fā)電機壽命與可靠性的薄弱環(huán)節(jié)．1994年11月29日，某電廠2號300MW汽輪發(fā)電機發(fā)生定子線圈絕緣燒損事故，更換了24根定子線圈［3］，修復工作直至1995年1月25日結(jié)束，停機1 372h．修復投運后不久，在1995年2月22日再次發(fā)生定子線圈絕緣燒損事故，在這次檢修過程中更換了全部定子線圈［3］，修復工作直至1995年9月8日才結(jié)束，第二次絕緣事故停機4 758h．2次發(fā)電機定子線圈事故共更換了78根定子繞組，停機約255天，經(jīng)濟損失巨大．文獻［2］、文獻［4］和文獻［5］給出了汽輪發(fā)電機定子線圈絕緣的定期預防性試驗及檢測與診斷技術(shù)，但尚未給出定量計算汽輪發(fā)電機定子線圈絕緣壽命的預測方法．從20世紀90年代起，國內(nèi)外電站用戶要求汽輪發(fā)電機使用壽命為40年，而汽輪發(fā)電機使用壽命又與絕緣老化壽命有關［6］．通常，大型汽輪發(fā)電機定子線圈的絕緣設計將F級絕緣當做B級絕緣使用，因此在設計時控制汽輪發(fā)電機絕緣的最熱點溫度比B級絕緣允許的130℃還低10K［6］．在大型汽輪發(fā)電機設計、制造和使用階段，對定子線圈進行絕緣設計、絕緣老化試驗和絕緣運行壽命管理時，迫切需要具有工程實用價值的汽輪發(fā)電機定子線圈絕緣壽命的預測技術(shù)［7］．

目前，國內(nèi)外有關汽輪發(fā)電機定子線圈絕緣壽命定量預測方法的報道尚較少．文獻［8］中介紹了發(fā)電機定子線圈局部放電的在線診斷技術(shù)；文獻［9］刊登了2004年IEEE國際電氣絕緣研討會的相關內(nèi)容；文獻［10］闡述了美國Stone等人通過在線監(jiān)測診斷來預測定子繞組剩余壽命的方法．另外，Mandal等［11］提出了發(fā)電機繞組絕緣健康評估方法；張百華等［12］對基于運行歷史的大電機主絕緣的老化特性進行了研究；李銳華等［13－14］開展了基于最小二乘神經(jīng)網(wǎng)絡的大電機定子絕緣擊穿電壓混合預測方法的研究．筆者在研究和分析大型發(fā)電機絕緣老化壽命試驗方法和有關標準的基礎上，歸納總結(jié)出一些可供工程技術(shù)人員使用的大型汽輪發(fā)電機定子線圈絕緣壽命預測的簡化方法．

1 定子線圈F級絕緣的老化因子

由文獻［4］、文獻［15］和文獻［16］可知，大型汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣的老化因子有：電老化、熱老化、冷熱循環(huán)老化、振動與沖擊引起的機械老化以及潮濕及污穢引起的環(huán)境老化等．

（1）電老化是指在電場的長期作用下定子線圈絕緣發(fā)生的老化．電老化會導致汽輪發(fā)電機定子線圈絕緣的局部放電、漏電及電腐蝕等．電老化包括：局部放電效應，電痕化效應，樹枝化效應，電解效應，表面效應，切向電場強度效應，溫度升高效應及空間電荷效應等［16］．

（2）熱老化是指在熱的長期作用下定子線圈絕緣發(fā)生的老化．熱老化會導致汽輪發(fā)電機定子線圈絕緣的起層、龜裂、揮發(fā)和裂解等．熱老化是作為化學降解反應、聚合、解聚與擴散等的結(jié)果而進行的化學和物理變化［16］．

（3）冷熱循環(huán)老化是指因汽輪發(fā)電機的啟動與停機以及調(diào)峰運行的負荷周期性變化引起的定子線圈內(nèi)溫度的快速變化，產(chǎn)生熱應力循環(huán)導致機械老化，由于絕緣與銅線、鐵芯的熱膨脹系數(shù)的差異，絕緣與銅線之間的黏合遭到破壞．冷熱循環(huán)老化會導致汽輪發(fā)電機定子線圈絕緣內(nèi)部層間產(chǎn)生撕裂和疲勞等．冷熱循環(huán)老化包括熱膨脹和冷收縮引起的熱和機械聯(lián)合作用等．日立公司對發(fā)電機定子線圈和轉(zhuǎn)子線圈進行線圈溫度從45～130℃的1萬次冷熱循環(huán)試驗后得出，絕緣擊穿電壓僅降低4%～10%，表明冷熱循環(huán)引起的發(fā)電機定子線圈絕緣的壽命損耗比較??；美國西屋公司也進行了定子線圈與轉(zhuǎn)子線圈絕緣的冷熱循環(huán)試驗，認為由于水內(nèi)冷定子線圈的溫度較低，所以沒有必要進行冷熱循環(huán)試驗［6］．

（4）機械老化是指定子線圈絕緣在運行過程中受到機械應力的作用而發(fā)生的老化．機械老化將導致定子線圈絕緣的疲勞、裂紋、散馳和磨損等．機械老化包括：振動與沖擊循環(huán)應力引起的定子線圈絕緣的疲勞失效；大的機械應力引起的絕緣破裂；轉(zhuǎn)子與定子相對運動引起的絕緣磨損；在電、熱和機械應力聯(lián)合作用下定子線圈絕緣的蠕變或塑性變形等［16］．通常通過設計計算使發(fā)電機機座和定子鐵芯的固有頻率避開90～110Hz，并使定子線圈端部的固有頻率避開90～110Hz，以防止定子線圈振動引起的絕緣機械老化．采用全綁扎結(jié)構(gòu)使定子線圈端部與支架構(gòu)成整體，并通過加固定子線圈端部，以防止運行中產(chǎn)生振動、松動與磨損．對于發(fā)電機出線或定子線圈相間短路、錯相合閘、沖擊過電壓、失磁、失步以及超速等事故產(chǎn)生的機械沖擊老化，通常采用的有效措施就是積極預防事故發(fā)生并盡可能減少事故發(fā)生的次數(shù)．

（5）環(huán)境老化是指在水分、化學塵埃和表面沉積污垢等環(huán)境條件下引起的定子線圈絕緣老化．環(huán)境老化會導致定子線圈絕緣的表面污染、吸潮和侵蝕等．環(huán)境老化包括在熱老化中提及的化學反應過程［16］．對于潮濕和污穢引起的環(huán)境老化，可通過控制冷卻氣體的含水量或凈化冷卻氣體加以預防．

由于對大型汽輪發(fā)電機定子線圈采用了一定的冷卻方式，在引起定子線圈F級絕緣老化的5種老化因子中，電老化與機械老化為主要老化因子，而熱老化、冷熱循環(huán)老化及環(huán)境老化為次要老化因子．

2 F級絕緣老化的加速壽命試驗

當定子線圈絕緣老化由一個老化因子起主要作用時，稱為單因子老化，由一個以上老化因子共同作用時，稱為多因子老化．老化因子的數(shù)值高于正常運行條件所產(chǎn)生的結(jié)果稱為加速老化．由于大型汽輪發(fā)電機定子線圈的絕緣壽命長達30～40年，采用工作電壓和工作溫度等參數(shù)對其進行絕緣老化壽命試驗，得出定子線圈F級絕緣老化的壽命數(shù)據(jù)需要花費很長的試驗時間．在工程上，為了縮短定子線圈絕緣老化的試驗時間，通常采用提高試驗電壓和試驗溫度等參數(shù)的加速老化方法對汽輪發(fā)電機定子線圈進行絕緣老化的加速壽命試驗．汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣老化的加速壽命試驗分為單因子老化試驗和多因子老化試驗．

2．1 單因子老化試驗

在實際運行中，汽輪發(fā)電機定子線圈的F級絕緣老化均為多因子老化作用的結(jié)果．當某一老化因子起主要作用時，可對該老化因子進行絕緣老化的加速壽命試驗．關于絕緣電老化、熱老化或機械老化的單因子老化加速壽命試驗，已在國家標準和國際標準中給出了試驗方法和試驗數(shù)據(jù)的分析方法［16］，美國IEEE也給出了發(fā)電機成型定子線圈絕緣冷熱循環(huán)試驗的推薦標準［17］．但是，有關定子線圈環(huán)境老化的試驗方法與對環(huán)境老化試驗數(shù)據(jù)的分析，國內(nèi)外尚未制訂出技術(shù)標準［16］．

熱老化是核電站電氣貫穿件芯棒絕緣老化的主要老化因子，文獻［18］給出了電氣貫穿件芯棒絕緣熱老化的試驗方法與試驗結(jié)果．電老化是汽輪發(fā)電機定子線圈絕緣老化的主要老化因子，美國IEEE給出了成型定子線圈絕緣電老化試驗的推薦標準［19－20］，國內(nèi)行業(yè)標準給出了定子線圈絕緣電老化壽命的評定方法［21］．

2．2 多因子老化試驗

有關汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣多因子老化的試驗方法與試驗數(shù)據(jù)的分析方法，尚缺少技術(shù)標準［16］．文獻［15］給出了一種汽輪發(fā)電機定子線圈絕緣多因子老化的試驗方法，文中考慮了電老化、熱老化、冷熱循環(huán)老化和振動機械老化．發(fā)電機定子線圈絕緣的電老化與熱老化試驗同時進行，試驗的熱老化溫度取135℃，電老化試驗中所加電壓為額定電壓的2．5倍．在進行冷熱循環(huán)老化試驗時，將試驗線棒放在烘箱中并在40min內(nèi)將其升溫至135℃，然后采用多臺風扇在40min內(nèi)將試驗線棒冷卻至室溫．在振動機械老化試驗中，振動頻率為100Hz，雙振幅值為2mm．絕緣老化周期包括3步：先同時進行電老化與熱老化2周，再取出試驗線棒進行冷熱循環(huán)老化70次，然后進行振動機械老化6d．3種老化試驗構(gòu)成1個老化周期，每個老化周期結(jié)束后對試驗線棒進行非破壞性試驗參數(shù)測量．經(jīng)過5個老化周期后，老化周期縮短為7d［15］．

美國IEEE 1310給出了定子線圈電熱多因子同時作用的老化加速壽命試驗方法［17］．國內(nèi)引進加拿大GE公司（CGE）技術(shù)生產(chǎn)的二灘550MW水輪發(fā)電機，其額定電壓UN為18kV．東方電機有限公司和哈爾濱電機廠有限責任公司按照CGE要求，根據(jù)IEEE 1310對成品定子線圈同時進行電熱多因子老化加速壽命試驗，試驗電壓為41．5kV（2．30UN），試驗溫度為120℃，CGE要求定子線圈電熱老化加速壽命應大于400h［22－23］．

文獻［22］介紹了二灘550MW水輪發(fā)電機定子線圈冷熱循環(huán)與電老化的多因子老化加速壽命試驗方法．哈爾濱電機廠有限責任公司將4個定子線圈送至CGE公司，根據(jù)IEEE 3010要求先對其進行冷熱循環(huán)試驗，即在30～45min內(nèi)將定子線圈升溫至（150±5）℃，而后在30～45min內(nèi)將定子線圈降溫至40℃，冷熱循環(huán)周期為500個．在冷熱循環(huán)試驗結(jié)束后，再對經(jīng)過冷熱循環(huán)試驗的4個定子線圈進行39kV（2．17UN）電老化試驗，CGE公司要求經(jīng)冷熱循環(huán)500次后4個定子線圈的電老化壽命大于250h［22］．

文獻［24］介紹了另外一種不包括電老化的汽輪發(fā)電機定子線圈絕緣廣義熱老化多因子試驗方法，它考慮了熱老化、振動機械老化和受潮環(huán)境老化．熱老化試驗選擇3個溫度：180℃熱老化32d，200℃熱老化8d，220℃熱老化2d．在振動機械老化試驗中，振動頻率為50Hz，雙振幅值為0．8mm．在受潮環(huán)境老化試驗中，試驗溫度為40℃、濕度為95%．絕緣老化周期分為3步：先在烘箱內(nèi)對試驗線棒進行熱老化試驗，再取出試驗線棒將其冷卻至室溫后進行振動機械老化1h，然后將試驗線棒放入濕熱箱中進行受潮環(huán)境老化試驗48h．3種老化試驗構(gòu)成1個老化周期，每個老化周期結(jié)束后，對在潮濕狀態(tài)下的試驗線棒進行1min、35kV（2．33UN）耐壓檢查．當耐壓檢查通過后，再進行下1個周期的熱老化、振動機械老化、受潮環(huán)境老化以及耐壓檢查，直至試驗線棒被破壞為止．采用不包括電老化的廣義熱老化多因子試驗方法，由于考慮了汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣的熱老化、振動機械老化和受潮環(huán)境老化的共同作用，因此可以用來驗證或考核汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣的廣義熱老化壽命．

3 絕緣壽命試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析

文獻［24］給出了汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣的電老化和廣義熱老化多因子加速壽命試驗方法．在汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣室溫的電老化加速壽命試驗中，采用了30kV、35kV和40kV 3個試驗電壓等級．在每個試驗電壓等級下，對25個試驗線棒進行恒定電壓加速壽命試驗，直至25個試驗線棒的絕緣被擊穿，得到25個F級絕緣電老化加速壽命試驗數(shù)據(jù)．在發(fā)電機定子線圈F級絕緣的廣義熱老化多因子加速壽命試驗中，采用180℃、200℃和220℃3個試驗溫度．在每個試驗溫度下，均對25個試驗線棒進行熱老化、振動機械老化和受潮環(huán)境老化3種老化試驗構(gòu)成的廣義熱老化多因子試驗，直至25個試驗線棒的絕緣被擊穿，得到25個F級絕緣廣義熱老化多因子加速壽命試驗數(shù)據(jù)．可以采用威布爾（Weibull）分布對上述定子線圈F級絕緣電老化和廣義熱老化的加速壽命試驗數(shù)據(jù)進行分析，并將分析結(jié)果應用于汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣壽命預測和運行安全性評定．

3．1 F級絕緣的失效分布

由于汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣材質(zhì)的不均勻性和制造工藝的離散性，因此大型汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣壽命不是定值而是隨機變量，可以使用連續(xù)性隨機變量數(shù)學模型（即失效概率分布）對其加以描述．在常用的連續(xù)性隨機變量數(shù)學模型中，威布爾分布是擬合試驗數(shù)據(jù)適應性較強的一種概率分布．威布爾分布的物理模型是“最弱環(huán)模型”，凡是因某一局部失效就會引起整體失效的零部件壽命通常服從威布爾分布．對于大型汽輪發(fā)電機定子線圈的F級絕緣，只要某根定子線圈任何部位的絕緣被擊穿，就可以認為該定子線圈的絕緣已損壞，符合“最弱環(huán)模型”，所以可以使用威布爾分布來描述汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣的失效分布．用t表示汽輪發(fā)電機定子線圈的F級絕緣壽命，用f（t）表示F級絕緣失效分布的概率密度函數(shù)，當定子線圈F級絕緣壽命服從三參數(shù)威布爾分布時，有

式中：m為形狀參數(shù)；η為尺度參數(shù)；ra為位置參數(shù)．

威布爾分布的參數(shù)估計和分布檢驗方法詳見文獻［25］，本文不再贅述．三參數(shù)威布爾分布的可靠度R（t）和已知可靠度Ro對應的可靠壽命tRo的計算公式分別為

當ra＝0時，三參數(shù)威布爾分布簡化為兩參數(shù)威布爾分布，則

兩參數(shù)威布爾分布的可靠度R（t）與可靠壽命tRo的計算公式分別為

3．2 絕緣電老化壽命數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果

應用可靠性統(tǒng)計方法［25］對采用文獻［24］給出的汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣電老化加速壽命試驗方法得出的絕緣電老化加速壽命試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，其參數(shù)估計與分布檢驗的結(jié)果列于表1．由表1可知，F(xiàn)0．99（24，24）＜W ＜F0．01（24，24）證實了汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣電老化單因子加速壽命試驗數(shù)據(jù)是服從兩參數(shù)威布爾分布的．

表1 絕緣電老化壽命數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果Tab．1 Analysis results on insulation life data of the electrical ageing kind

3．3 絕緣熱老化壽命數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果

應用可靠性統(tǒng)計方法［25］對采用文獻［24］給出的定子線圈F級絕緣廣義熱老化多因子加速壽命試驗方法得出的絕緣廣義熱老化多因子加速壽命試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，其參數(shù)估計與分布檢驗的結(jié)果列于表2．由表2可知，F(xiàn)0．99（24，24）＜W ＜F0．01（24，24），證實了發(fā)電機 F級絕緣廣義熱老化多因子加速壽命試驗數(shù)據(jù)服從兩參數(shù)威布爾分布．

表2 絕緣廣義熱老化壽命數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果Tab．2 Analysis results on insulation life data of the generalized thermal ageing kind

4 絕緣試驗壽命數(shù)據(jù)的擬合公式

在大型汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣的單因子老化試驗壽命數(shù)據(jù)的分析中，國際標準［16］給出了絕緣電老化與熱老化的加速壽命試驗數(shù)據(jù)的擬合公式．

4．1 絕緣電老化加速壽命試驗數(shù)據(jù)的擬合公式

大型汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣的電老化試驗壽命Le可用負冪定律模型［5，16］表示

式中：V為定子線圈的試驗電壓，kV；n和C為特征參數(shù)．

對式（7）兩邊取對數(shù)得

利用表1給出的m和η，給定可靠度Ro＝95%，按照式（6）計算可以得出3個試驗電壓30 kV、35kV和40kV的絕緣電老化可靠壽命，使用非線性回歸法、最小二乘法與相關指數(shù)r2的檢驗方法［26］，得到式（7）的特征參數(shù)n和C 以及r2的回歸參數(shù)分析結(jié)果（見表3）．在工程上，相關指數(shù)r2越接近1，表明式（7）擬合壽命數(shù)據(jù)的效果越好．從表3可知，r2值接近1，表明負冪定律模型擬合電老化可靠壽命數(shù)據(jù)的效果好．由于表3中的特征參數(shù)n和C均是采用試驗電壓和對應可靠度為95%的絕緣電老化可靠壽命數(shù)據(jù)并經(jīng)回歸分析得出的結(jié)果，因此使用表3中的n和C計算得出的F級絕緣電老化試驗壽命有95%的可靠度．

表3 絕緣電老化壽命的回歸參數(shù)Tab．3 Regression parameters on insulation life data of the electrical ageing kind

4．2 絕緣熱老化加速壽命試驗數(shù)據(jù)的擬合公式

大型汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣的熱老化試驗壽命Lh常用阿倫尼烏斯（Arrhenius）方程式［5，16］表示

式中：T為定子線圈的試驗溫度，K；A和B均為特征參數(shù)．

式（9）也可以用來擬合文獻［24］中的定子線圈絕緣廣義熱老化多因子加速壽命試驗數(shù)據(jù)．對式（9）兩邊取對數(shù)，得

利用表2給出的m和η，給定可靠度Ro＝95%，按照式（6）計算得出3個試驗溫度453K（180℃）、473K（200℃）和493K（220℃）下的絕緣廣義熱老化可靠壽命，使用非線性回歸、最小二乘法與相關指數(shù)r2的檢驗方法［26］，分析得出大型汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣廣義熱老化壽命擬合公式的特征參數(shù)A和B以及r2的回歸分析結(jié)果（見表4）．從表4可知，r2比較大，表明阿倫尼烏斯方程擬合絕緣廣義熱老化可靠壽命數(shù)據(jù)的效果比較好．由于表4中的特征參數(shù)A和B均是采用試驗溫度和對應可靠度R0＝95%的絕緣廣義熱老化的可靠壽命數(shù)據(jù)并經(jīng)回歸分析得出的結(jié)果，因此使用表4中特征參數(shù)A和B計算得出的F級絕緣廣義熱老化試驗壽命有95%的可靠度．

表4 絕緣廣義熱老化壽命的回歸參數(shù)Tab．4 Regression parameters on insulation life data of the generalized thermal ageing kind

5 F級絕緣壽命的預測方法

在定子線圈F級絕緣老化壽命的設計計算中，電老化為主要老化因子，同時考慮熱老化、振動機械老化與受潮環(huán)境老化的廣義熱老化也為主要老化因子，因此通過絕緣電老化單因子老化試驗和絕緣廣義熱老化多因子老化試驗得出的特征參數(shù)可以用來預測汽輪發(fā)電機定子線圈的F級絕緣壽命．

5．1 絕緣電老化壽命的預測方法

根據(jù)式（7），以絕緣電老化為主要老化因子的汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣的電老化壽命te的預測公式為

式中：UN為汽輪發(fā)電機定子額定電壓，kV．

文獻［27］的試驗結(jié)果表明，室溫下汽輪發(fā)電機定子線圈絕緣電老化壽命分布與180℃下汽輪發(fā)電機定子線圈絕緣電老化壽命分布幾乎重合，說明當電老化為絕緣的主要老化因子時，采用室溫下F級絕緣電老化試驗得到的表3中特征參數(shù)n和C，也可用來預測工作溫度下汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣的電老化壽命．

5．2 絕緣廣義熱老化壽命的預測方法

根據(jù)式（9），以絕緣廣義熱老化為主要老化因子的汽輪發(fā)電機定子線圈的廣義熱老化壽命th的預測公式為

式中：T0為定子線圈工作溫度的上限值，K；A、B均為特征參數(shù)．

文獻［27］的試驗結(jié)果表明，單一熱老化并不能降低試驗線棒絕緣的擊穿電壓值，但在承受振動機械老化后，擊穿電壓值隨試驗線棒熱老化時間的延長而快速降低．采用廣義熱老化多因子試驗得到的表4中的特征參數(shù)A和B，也可用來預測工作溫度下考慮熱老化、振動機械老化與受潮環(huán)境老化的汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣的廣義熱老化壽命．

5．3 絕緣多因子老化壽命的預測方法

國內(nèi)外文獻對汽輪發(fā)電機定子線圈的單因子絕緣老化規(guī)律已有較多報道，但是有關多因子作用下絕緣老化規(guī)律的研究文獻尚較少．根據(jù)材料壽命損耗累積理論［28－29］，在假設汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣壽命損耗可以進行線性疊加的前提下，根據(jù)史進淵等［30］的發(fā)明專利，考慮電老化和廣義熱老化同時作用的汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣壽命預測方法步驟如下：

（1）計算汽輪發(fā)電機定子線圈絕緣的累計運行小時數(shù)to．汽輪發(fā)電機的年平均運行小時通常按7 000h計算，若汽輪發(fā)電機定子線圈絕緣的使用壽命取30a，則to＝7 000×30＝2．1×105h；若汽輪發(fā)電機定子線圈絕緣的使用壽命取40a，則to＝7 000×40＝2．8×105h；若汽輪發(fā)電機定子線圈絕緣的使用壽命取60a，則to＝7 000×60＝4．2×105h．

（2）根據(jù)定子額定電壓UN，按式（11）計算定子線圈絕緣的電老化壽命te．

（3）根據(jù)定子線圈的工作溫度上限值T0，按式（12）計算定子線圈絕緣的廣義熱老化壽命th．

（4）汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣電老化累積壽命損耗Eeo的計算公式為

（5）汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣廣義熱老化累積壽命損耗Eho的計算公式為

（6）同時考慮電老化累積壽命損耗與廣義熱老化累積壽命損耗，大型汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣累積壽命損耗的預測值E0的計算公式為

（7）對于汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣，壽命設計主要考慮電老化累積壽命損耗與廣義熱老化累積壽命損耗．根據(jù)文獻［30］，大型汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣累積壽命損耗的界限值取Dco＝95%；預留壽命損耗的安全余量（1－Dco）取5%，作為分配于定子線圈F級絕緣的其他老化因子壽命損耗，如啟停與負荷變化（調(diào)峰）引起的冷熱循環(huán)老化造成的絕緣壽命損耗等．

（8）大型汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣壽命設計的判據(jù)為：若累積壽命損耗的預測值Eo≤Dco，則認為汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣壽命在預期的運行年數(shù)內(nèi)是安全的；若累積壽命損耗預測值Eo＞Dco，則認為汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣壽命在預期運行年數(shù)內(nèi)的安全裕度不夠．

6 F級絕緣壽命損耗的分配方案

為了保證汽輪發(fā)電機定子線圈絕緣在服役年限內(nèi)安全運行，需要對不同絕緣老化因子導致的壽命損耗進行合理分配．利用F級絕緣加速壽命試驗得出的特征參數(shù)，完成對汽輪發(fā)電機水內(nèi)冷定子線圈F級絕緣壽命損耗的計算，并在分析計算結(jié)果的基礎上，提出大型汽輪發(fā)電機定子線圈絕緣壽命損耗的分配方案．

某型號600MW汽輪發(fā)電機的額定功率為600 MW，最大容量為667MVA，額定功率因數(shù)cosφ為0．9，發(fā)電機效率η為98．8%，定子線圈采用F級絕緣和水內(nèi)冷．該600MW汽輪發(fā)電機的設計額定電壓UN為20kV．由表3可知，C＝3．028 69×1022，n＝12．911 369．經(jīng)計算得到，te＝3．028 69×1022×20－12．911369＝4．821 437×105h，該定子線圈運行40 a的絕緣電老化的累積壽命損耗為

該600MW汽輪發(fā)電機定子線圈采用水內(nèi)冷方式，定子線圈最大溫升θ為50K，定子線圈工作溫度的上限值T＝90＋273＝363K．由表4可知，A＝1．195 674×10－8，B＝1．167 580×104．經(jīng)計算得 到，th＝ 1．195 674 × 10－8e1．167580×10000／363＝1．113 206×106h，該600MW汽輪發(fā)電機定子線圈的絕緣廣義熱老化累積壽命損耗為

按照文獻［30］，汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣累積壽命損耗的界限值Dco為95%，計算電老化與廣義熱老化同時作用的累積壽命損耗的預測值Eo為83%，小于汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣累積壽命損耗的界限值95%，因此該汽輪發(fā)電機定子線圈在運行40a中F級絕緣是安全的．

計算結(jié)果表明，該應用實例水內(nèi)冷定子線圈F級絕緣廣義熱老化累積壽命損耗約為25%，若留有F級絕緣冷熱循環(huán)老化等導致的累積壽命損耗5%余量，則F級絕緣電老化的累積壽命損耗應小于70%．據(jù)此，提出服役年限內(nèi)汽輪發(fā)電機的水內(nèi)冷定子線圈的F級絕緣壽命損耗的分配方案為：室溫電老化累積壽命損耗為70%，熱老化、振動機械老化以及受潮環(huán)境老化的廣義熱老化累積壽命損耗為25%，冷熱循環(huán)老化累積壽命損耗為5%．可將此分配方案應用于設計、制造和運行階段汽輪發(fā)電機水內(nèi)冷定子線圈F級絕緣的壽命預測、試驗考核和安全性評定．

7 絕緣電老化壽命指標的安全分析

在汽輪發(fā)電機機座與定子線圈端部振動設計合格的前提下，同時在設計與制造中采取預防定子線圈端部結(jié)構(gòu)振動、松動和磨損等機械老化措施，以及采用預防冷卻水管漏水、控制冷卻氣體含水量和凈化冷卻氣體等環(huán)境老化措施，由于采用水內(nèi)冷的定子線圈的最熱點溫度比較低，因此其F級絕緣的主要老化因子為電老化．工程上，通常在室溫下通過對發(fā)電機定子線圈進行絕緣電老化加速壽命試驗來驗證或考核汽輪發(fā)電機定子線圈的F級絕緣壽命．在汽輪發(fā)電機的技術(shù)指標中，已經(jīng)給出了室溫下2倍額定電壓（2UN）和3倍額定電壓（3UN）的電老化加速壽命的下限值．按照國家能源行業(yè)標準［21］，如果在室溫下定子線圈F級絕緣電老化加速壽命的試驗值大于下限值，就可以判定該定子線圈的F級絕緣壽命完全能夠滿足其運行安全性的要求．

在核電汽輪發(fā)電機的技術(shù)指標中，要求3UN的電老化壽命大于10h，2UN的電老化壽命大于500 h．當額定電壓分別為24kV、26kV和27kV時，核電汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣的電老化壽命te及其運行30a和40a的電老化累積壽命損耗Eeo的計算結(jié)果列于表5．由表5可知：當2UN的電老化壽命的下限值為500h時，運行30a和40a的電老化累積壽命損耗Eeo均小于70%，考慮到F級絕緣廣義熱老化壽命損耗與F級絕緣冷熱循環(huán)老化壽命損耗之和約為30%，核電汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣運行40a是安全的，但當核電汽輪發(fā)電機運行60a時，其定子線圈F級絕緣的電老化累積壽命損耗Eeo大于100%，即對應該電老化壽命下限值的核電汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣運行60a是不安全的．核電站業(yè)主要求1 000～1 500MW核電汽輪發(fā)電機的壽命為60a，定子線圈F級絕緣壽命的預測值為40a，因此工程上把核電汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣的更換周期取為30a是合適的．

表5 核電汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣電老化壽命的計算結(jié)果Tab．5 Electrical ageing life calculation on insulation of generator stator coils in nuclear power stations

在火電汽輪發(fā)電機的技術(shù)指標中，要求3UN的電老化壽命大于15h，2UN的電老化壽命大于600 h．經(jīng)過與表5相同的計算，得出以下結(jié)果：當2UN的電老化壽命的下限值為600h時，運行30a的電老化累積壽命損耗Eeo小于70%，考慮到F級絕緣廣義熱老化壽命損耗與F級絕緣冷熱循環(huán)老化壽命損耗之和約為30%，定子線圈F級絕緣運行30a是安全的；當2UN的電老化壽命的下限值為600h時，運行40a的電老化累積壽命損耗Eeo大于85%，考慮到還有F級絕緣廣義熱老化壽命損耗與F級絕緣冷熱循環(huán)老化壽命損耗，定子線圈絕緣運行40 a的安全裕度不夠．只有當2UN的電老化壽命的下限值超過650h時，運行40a的電老化累積壽命損耗Eeo小于70%，考慮到F級絕緣廣義熱老化壽命損耗與F級絕緣冷熱循環(huán)老化壽命損耗之和約為30%，因此火電汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣運行40a是安全的．

8 分析與討論

根據(jù)可靠性物理和加速壽命試驗理論［25］，電子與電氣產(chǎn)品的壽命與電壓的關系可用負冪定律模型描述，電子與電氣產(chǎn)品的壽命與溫度的關系可用阿倫尼烏斯方程描述．因此，對于汽輪發(fā)電機定子線圈的F級絕緣，采用負冪定律模型對絕緣的電老化或電熱老化的加速壽命試驗數(shù)據(jù)進行描述是合適的，而使用阿倫尼烏斯方程對絕緣的熱老化或廣義熱老化的加速壽命試驗數(shù)據(jù)進行描述也是合適的．

在汽輪發(fā)電機正常運行工況下，定子線圈絕緣的電熱老化主要發(fā)生在帶負荷穩(wěn)定運行過程中，定子線圈絕緣的冷熱循環(huán)老化主要發(fā)生在啟動、停機或變負荷過程中．由于發(fā)電機帶負荷穩(wěn)定運行過程和啟動、停機或變負荷過程不在同一時段出現(xiàn)，因此采用串聯(lián)方式對定子線圈絕緣的電熱老化和冷熱循環(huán)老化加速壽命進行試驗，這與發(fā)電機的正常運行工況相符．按照IEEE 1310對絕緣的冷熱循環(huán)老化進行試驗，按照IEEE 1403對絕緣的電熱老化進行試驗，將二者進行串聯(lián)試驗符合工程實際．

在汽輪發(fā)電機非正常（振動或事故）運行工況下，絕緣的機械振動老化或受潮環(huán)境老化與電熱老化同時作用在汽輪發(fā)電機定子線圈上，但考慮到汽輪發(fā)電機定子線圈絕大多數(shù)時段處于正常工況下運行，只有極少數(shù)時段處于非正常工況下運行．當汽輪發(fā)電機出現(xiàn)非正常運行工況時，通過對其安排檢修進行處理．若忽略汽輪發(fā)電機非正常工況下運行時絕緣的電熱老化作用，把汽輪發(fā)電機的運行工況簡化為正常工況下運行與非正常工況下運行交替出現(xiàn)，采用絕緣電熱老化、振動機械老化或受潮環(huán)境老化等串聯(lián)試驗方法，這是一種絕緣老化試驗的簡化方法或近似方法．

在大型汽輪發(fā)電機研制和生產(chǎn)過程中，工程上既可以采用單因子老化加速壽命試驗方法，也可以采用多因子老化加速壽命試驗方法來考核或驗證汽輪發(fā)電機定子線圈的絕緣壽命．通常，單因子絕緣老化加速壽命試驗的考核目標值應大于多因子絕緣老化加速壽命試驗的考核目標值．文獻［31］給出的大型汽輪發(fā)電機定子線圈絕緣的2UN和3UN的室溫電老化加速壽命試驗的考核目標值分別為1 500h和30h，而冷熱循環(huán)25次后的2UN和3UN的室溫電老化加速壽命試驗的考核目標值分別為800h和10h．絕緣單因子老化試驗考核目標值與絕緣多因子老化試驗考核目標值是發(fā)電機制造企業(yè)在多年技術(shù)積累的基礎上得出的經(jīng)驗值．在大型汽輪發(fā)電機投入使用后，還需要對經(jīng)過絕緣老化考核試驗的同類定子線圈絕緣事故進行分析研究，并通過對退役的同類定子線圈的絕緣測試或試驗來確定其剩余壽命．只有在大量在役汽輪發(fā)電機定子線圈絕緣狀態(tài)跟蹤以及退役定子線圈剩余壽命試驗的基礎上，才能確定出汽輪發(fā)電機定子絕緣老化加速壽命試驗結(jié)果與定子絕緣實際運行壽命之間的映射關系．

汽輪發(fā)電機定子線圈絕緣的多因子老化加速壽命試驗方法包括多因子同時進行的并聯(lián)試驗方法和多因子先后進行的串聯(lián)試驗方法．從理論上講，同時進行的絕緣多因子老化加速壽命的并聯(lián)試驗結(jié)果更符合實際．對于成品定子線棒，除了采用電熱多因子進行老化并聯(lián)試驗比較容易實施外，考慮機械振動老化、冷熱循環(huán)老化和受潮環(huán)境老化等多因子同時作用的絕緣加速老化試驗的技術(shù)難度大、技術(shù)復雜且缺少技術(shù)標準支持．工程上采用的絕緣多因子串聯(lián)試驗方法還只是一種簡化方法和近似方法．例如，CGE要求定子線圈絕緣41．5kV（2．30UN）和120℃的電熱老化加速試驗壽命大于400h，［（40～150）±5］℃的冷熱循環(huán)500次后的絕緣39kV（2．17UN）電熱老化加速試驗壽命大于250h［32］．一般絕緣熱老化串聯(lián)機械振動老化與受潮環(huán)境老化的廣義熱老化加速壽命的試驗結(jié)果比熱老化單因子加速壽命的試驗結(jié)果更符合工程實際［24］．

文獻［27］的試驗結(jié)果表明，定子線圈F級絕緣的室溫電老化加速壽命分布與180℃電熱加速壽命分布幾乎重合．在工程上，常把定子線圈絕緣的電熱老化加速壽命試驗簡化為室溫電老化加速壽命試驗，忽略了次要老化因子的影響，這也是一種簡化方法和近似方法．在工程上，由于絕緣多因子老化串聯(lián)試驗方法和絕緣單因子室溫電老化加速壽命試驗方法均只是近似方法，因此當采用該試驗結(jié)果對汽輪發(fā)電機定子線圈絕緣壽命進行評定或預測時，需要留有一定的安全余量．

文中給出的汽輪發(fā)電機定子線圈多因子綜合作用下絕緣壽命的預測方法，是根據(jù)材料壽命損耗累積理論，在假設汽輪發(fā)電機定子線圈絕緣的壽命損耗可以線性疊加的前提下得出的，雖然這種假設與實際相比仍然存在不足，且該方法還只是一種近似方法，但卻是工程上比較實用的一種簡化方法．

在技術(shù)研究的基礎上，本文提出在服役年限內(nèi)汽輪發(fā)電機的水冷定子線圈絕緣壽命損耗的分配方案：室溫電老化累積壽命損耗為70%，廣義熱老化累積壽命損耗為25%，冷熱循環(huán)老化累積壽命損耗為5%，并將此壽命損耗分配方案應用于設計、制造和使用階段汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣的壽命預測、試驗考核和安全性評定．考慮到水冷定子線圈F級絕緣的廣義熱老化壽命損耗與冷熱循環(huán)老化壽命損耗之和約為30%，因此汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣的室溫電老化累積壽命損耗應不超過70%．

9 結(jié) 論

（1）通過對大型汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣進行加速老化壽命試驗，可以確定汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣壽命計算公式的特征參數(shù)，并將其用于預測F級絕緣壽命和評定F級絕緣的運行安全性．

（2）在制造和使用階段，采用汽輪發(fā)電機F級絕緣的2倍額定電壓2UN和3倍額定電壓3UN的室溫電老化加速壽命試驗的評定方法，忽略了次要老化因子的影響．為了保障汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣的使用安全性，F(xiàn)級絕緣的室溫電老化累積壽命損耗應不大于70%，應留有30%的安全余量．

（3）利用汽輪發(fā)電機定子線圈絕緣老化加速壽命試驗數(shù)據(jù)與定子線圈F級絕緣壽命預測方法和評定方法，可以實現(xiàn)在設計、制造和運行階段對大型汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣壽命進行定量分析和安全性評定，為汽輪發(fā)電機定子線圈F級絕緣的定壽與延壽提供技術(shù)依據(jù)．所提出的發(fā)電機定子線圈F級絕緣壽命預測方法原則上也可以應用于大型水輪發(fā)電機定子線圈絕緣壽命的預測和評定．

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