李園園

[1.上海電器科學(xué)研究所(集團)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)電機組系統(tǒng)的可靠性也提出了更高的要求。風(fēng)力發(fā)電機是發(fā)電機組的重要組成部分，發(fā)電機絕緣系統(tǒng)的可靠性對整個風(fēng)電機組的可靠性具有重要意義。絕緣系統(tǒng)作為發(fā)電機的“心臟”，其性能可靠性直接影響整機的運行壽命，因此，近年來逐步引起各整機廠的重視[1-2]。

由于引入了變流器，風(fēng)力發(fā)電機絕緣系統(tǒng)與普通發(fā)電機絕緣系統(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)電機尤為重要。風(fēng)力發(fā)電機絕緣系統(tǒng)與普通發(fā)電機絕緣系統(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)電機也特別重要[3-5]。

本文根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機的運行工況，參考國內(nèi)外現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，對風(fēng)力發(fā)電機的絕緣系統(tǒng)可靠性評定方法進行了介紹與分析，便于整機生產(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。整機生產(chǎn)商設(shè)計時可根據(jù)實際運行溫升和壽命需求，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，達到壽命終點。對絕緣系統(tǒng)進行電應(yīng)力耐久性評定，可以獲得其電壽命方程。整機生產(chǎn)商根據(jù)發(fā)電機運行中的脈沖電壓，可以推算絕緣系統(tǒng)的理論電壽命，為評估設(shè)計可靠性和運行可靠性提供一定依據(jù)。

風(fēng)力發(fā)電機的運行環(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)進行不同溫度下的熱壽命評估，可以對評估結(jié)果進行阿倫尼烏斯坐標(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)實際運行溫度推算長期運行壽命。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(三點法)

散繞繞組風(fēng)力發(fā)電機絕緣系統(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)進行熱壽命評定。

成型繞組風(fēng)力發(fā)電機絕緣系統(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行擬合，得到熱壽命方程，計算絕緣系統(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，但經(jīng)驗表明烘箱可提供方便且經(jīng)濟的熱老化途徑。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，而在實際運行時大部分絕緣在比熱點低很多的溫度下運行。如果適合，可采用非常接近模擬運行條件的更直接的方法：電流直接加熱、正/反轉(zhuǎn)試驗(電機試驗)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，保證最低試驗溫度不超過設(shè)計等級溫度的25 K，且應(yīng)獲得約5 000 h或更長的平均試驗壽命，最高試驗溫度下應(yīng)獲得至少100 h的平均試驗壽命。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)電機絕緣系統(tǒng)的電性能診斷試驗電壓分別如表3和表4所示。

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

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

2.2.2 快速評定法(單點法)

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)方法和單點熱老化試驗進行溫度指數(shù)的快速評定。此方法目前在絕緣系統(tǒng)的熱評定上進行了擴展使用，可以對長期耐熱性進行粗略估計。

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)驗公式計算表觀裂解活化能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，然后對絕緣材料進行常規(guī)老化評定中高溫點的熱老化試驗，根據(jù)高溫點老化試驗溫度和高溫點壽命，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]進行絕緣系統(tǒng)電老化試驗，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，對每個試樣進行耐久性試驗，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(完整試驗或截尾試驗)。估計每個試驗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，并推算運行電壓下的長期使用壽命。

3.2 試驗方法

3.2.1 工頻電壓耐久性試驗

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17948.4—2016[11]進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，每個電壓點至少5個試樣進行試驗。

圖2 電應(yīng)力耐久性試驗流程

電老化分周期試驗后進行診斷分周期試驗。診斷分周期試驗具體試驗項目和參數(shù)如表5所示，可根據(jù)實際情況進行診斷項目選擇。

表5 診斷試驗參數(shù)(工頻電老化)

在電老化分周期試驗和診斷試驗期間，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時間；其他試樣繼續(xù)進行試驗，直至全部失效。

3.2.2 重復(fù)脈沖電壓耐久性試驗

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22566—2017[10]進行重復(fù)脈沖電壓耐久性評定。試驗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)量保證試驗和診斷試驗可根據(jù)需求進行試驗項目和試驗參數(shù)選擇，具體項目包括工頻耐壓、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)電機運行工況復(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)境進行評定項目的選擇。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)電機絕緣系統(tǒng)的環(huán)境可靠性評定一般需進行的檢測項目包括溫度變化試驗、沙塵試驗、霉菌試驗等；海上風(fēng)電用風(fēng)力發(fā)電機絕緣系統(tǒng)的環(huán)境可靠性評定一般需進行的檢測項目包括溫度變化試驗、濕熱試驗、鹽霧試驗、霉菌試驗等[12]。

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

表6 環(huán)境可靠性試驗參數(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械疲勞循環(huán)，也適用于由溫度循環(huán)引起的機械應(yīng)力產(chǎn)生的疲勞。恒溫機械疲勞模型為

(7)

式中：FA為加速因子；下標(biāo)u和t分別表示使用和試驗；Δεt為試驗疲勞，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行經(jīng)驗的系統(tǒng)進行對比，得到變更系統(tǒng)或新系統(tǒng)的評定結(jié)果。一般情況下，對所選試驗項目進行周期循環(huán)性試驗，通過對比絕緣系統(tǒng)的電性能診斷結(jié)果，達到評定目的。

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

5.1 可靠性評定方案

根據(jù)使用特性，風(fēng)力發(fā)電機絕緣系統(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-三點熱老化

5.2.1 試驗設(shè)備和試驗方法

本次試驗所用設(shè)備包括熱老化試驗箱、機械振動試驗臺、潮濕試驗箱以及交流耐壓設(shè)備等。

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

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

5.2.2 試驗結(jié)果

分別在3個溫度點下進行熱老化試驗，每個溫度點的試樣數(shù)量為5個。

失效時間確認(rèn)過程如下。

各溫度點進行分周期(τ)診斷試驗：0=τ0<τ1<τ2<…<τl。

在某溫度應(yīng)力水平下進行壽命試驗，時間到τj時(0

(9)

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

各溫度下的試驗結(jié)果如表7所示。

表7 熱老化試驗結(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時間與失效周期的一半時間之和。

根據(jù)熱老化試驗結(jié)果，利用阿倫尼烏斯原理對試驗溫度和熱壽命進行擬合，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 試驗設(shè)備和試驗方法

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下進行重復(fù)脈沖耐久性試驗，試驗頻率為1 kHz。先進行耐壓診斷試驗，通過后在選定電壓下進行老化試驗，直至試樣擊穿失效，記錄累計電老化壽命。

5.3.2 試驗結(jié)果及分析

重復(fù)脈沖電老化試驗結(jié)果如表9所示。

表9 電老化試驗結(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

對以上電老化試驗結(jié)果進行線性回歸分析，得到絕緣結(jié)構(gòu)的電壽命方程，計算電壓峰-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)電機實際使用環(huán)境調(diào)研以及其使用情況，選擇環(huán)境可靠性評定項目及參數(shù)。海上風(fēng)電發(fā)電機絕緣系統(tǒng)的環(huán)境可靠性評定內(nèi)容主要包括溫度變化試驗、振動試驗、鹽霧試驗、沙塵試驗等。具體試驗參數(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算，因此主要是與已有一定運行經(jīng)驗的系統(tǒng)進行對比評價，確認(rèn)新型系統(tǒng)的環(huán)境可靠性。

6 結(jié) 語

風(fēng)力發(fā)電機是發(fā)電機組的重要組成部分，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行經(jīng)驗的系統(tǒng)進行對比，對變更系統(tǒng)或新系統(tǒng)進行評定，評定項目和參數(shù)需根據(jù)實際使用情況進行選擇。