劉驥, 韓英喆, 趙立勝, 孔祥清
(1.哈爾濱理工大學(xué) 工程電介質(zhì)及其應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150080;2.哈爾濱理工大學(xué) 電介質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,黑龍江 哈爾濱 150080)
發(fā)電機(jī)定子主絕緣受潮不僅嚴(yán)重影響絕緣檢測(cè)還會(huì)加速絕緣老化,現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估發(fā)電機(jī)定子主絕緣受潮狀態(tài)時(shí)通常使用吸收比和極化指數(shù)這些傳統(tǒng)電氣參數(shù)[1]。然而,這些參數(shù)的測(cè)試結(jié)果分散性大,還容易受到測(cè)試環(huán)境干擾,影響評(píng)估的可行性和可靠性。
近幾年,基于介電響應(yīng)理論的頻域介電譜法、回復(fù)電壓法以及極化/去極化電流法,得到了越來越多的關(guān)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(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)[3-4]。ABB公司最先將介電響應(yīng)技術(shù)應(yīng)用到發(fā)電機(jī)主絕緣現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中[5]。
頻域介電譜法在我國主要用來評(píng)估變壓器油浸紙絕緣老化狀態(tài)。范賢浩等人[6]利用擬合介電特征參量數(shù)據(jù)庫和支持向量機(jī)構(gòu)建建立了老化狀態(tài)評(píng)估的分類模型。徐晴川等人[7]用頻域介電譜分析弛豫時(shí)間較小的弛豫過程,通過極化電流分析弛豫時(shí)間較大的弛豫過程和直流電導(dǎo)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(píng)估油紙變壓器中油紙絕緣的狀態(tài)。張明澤等人[9]提出基于特征頻率點(diǎn)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(xué)研究發(fā)現(xiàn)頻譜曲線對(duì)定子主絕緣受潮狀態(tài)和測(cè)試溫度的變化極為敏感,同時(shí),探究了定子主絕緣不同老化狀態(tài)對(duì)頻譜曲線的影響,并借助Colo-Colo函數(shù)和HN函數(shù)提取老化特征量,用來評(píng)估定子主絕緣的老化狀態(tài)[10-13]。
國內(nèi)外眾多專家學(xué)者對(duì)定子主絕緣頻域介電譜特性的研究發(fā)現(xiàn),僅單純觀察頻域介電譜曲線評(píng)估定子絕緣受潮狀態(tài)并不可靠,因此繼續(xù)深度發(fā)掘介電譜曲線,提取對(duì)絕緣受潮變化敏感的特征量定性評(píng)估絕緣受潮狀態(tài),目前鮮見報(bào)道[14]。同時(shí),雖然大量學(xué)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(píng)估絕緣狀態(tài),但這些特征量十分不穩(wěn)定,易受環(huán)境干擾,常常引起較大評(píng)估誤差,因此需要提取一些攜帶絕緣信息豐富、穩(wěn)定的介電特征量[15]。
本文借助加速熱老化試驗(yàn)和受潮試驗(yàn)獲取不同絕緣狀態(tài)的定子主絕緣樣品,深入探究受潮對(duì)定子絕緣層壓板樣品介電特性的影響,依據(jù)介質(zhì)損耗積分值,提出模糊識(shí)別方法,結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)理論對(duì)絕緣樣品受潮狀態(tài)進(jìn)行定性評(píng)估,同時(shí),提取受潮評(píng)估因子與絕緣樣品受潮狀態(tài)建立定量關(guān)系。提出一種定性和定量相結(jié)合的定子主絕緣受潮評(píng)估法,并通過實(shí)驗(yàn)室樣品進(jìn)行初步驗(yàn)證。
絕緣受潮狀態(tài)受老化程度與受潮環(huán)境共同影響,因此借助加速熱老化試驗(yàn)和受潮試驗(yàn)分別制備不同絕緣狀態(tài)樣品,對(duì)其進(jìn)行介電響應(yīng)和吸收比測(cè)試,多次測(cè)量,結(jié)果取均值。試驗(yàn)所用樣品均選用5440-1桐馬環(huán)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(gè)厚度為1 mm的層壓板樣品。
將制備好的30個(gè)層壓板樣品等量分成五組,依次編號(hào)No.1~No.5。No.1作為未老化樣品放入密封袋內(nèi)密封保存。No.2~No.5從密封袋內(nèi)依次取出放入210 ℃熱老化干燥箱內(nèi),進(jìn)行加速熱老化試驗(yàn)。
在老化15、20、25、30天時(shí)依次將編號(hào)No.2~No.5樣品取出,冷卻至室溫后放入密封袋,對(duì)冷卻后的干燥樣品測(cè)試吸收比和介電響應(yīng)特性,吸收比測(cè)試結(jié)果如表1所示。
表1 不同老化狀態(tài)樣品的吸收比
定子主絕緣受潮主要分為環(huán)氧基團(tuán)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(tài)存在飽和點(diǎn),初始受潮過程一般為環(huán)氧基團(tuán)吸濕,環(huán)氧基團(tuán)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(tài)的絕緣樣品,需對(duì)各老化狀態(tài)的樣品進(jìn)行不飽和受潮試驗(yàn)。另制備30天老化試樣,結(jié)合水分稱重法進(jìn)行浸水預(yù)實(shí)驗(yàn),試樣浸水3天后水分含量達(dá)到飽和點(diǎn),制定受潮試驗(yàn)步驟如下:從密封袋內(nèi)取出老化試樣,放置恒濕箱內(nèi)受潮3天(40%相對(duì)濕度(relative humidity,RH)、70%RH、100%RH),受潮結(jié)束后進(jìn)行介電響應(yīng)和吸收比測(cè)試,每次測(cè)試結(jié)束放入75 ℃干燥箱內(nèi)烘干30 h再進(jìn)行下一濕度受潮試驗(yàn)。圖1為試驗(yàn)中制備的不同老化狀態(tài)樣品經(jīng)吸潮處理后的吸收比,可以看出,隨環(huán)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(tài)樣品的吸收比Fig.1 Absorption ratios of samples with different ageing and different damp conditions
對(duì)環(huán)氧云母層壓板樣品的介電響應(yīng)測(cè)試為頻域介電譜測(cè)試,測(cè)試采用MEGGER IDAX300,交流電壓幅值為140 V,頻率范圍為10-3~104Hz。
試驗(yàn)測(cè)試了上述所有絕緣樣品的介質(zhì)損耗因數(shù)曲線,受篇幅影響,只給出不同老化天數(shù)干燥狀態(tài)和老化20天不同受潮狀態(tài)下樣品的介質(zhì)損耗因數(shù)曲線。
圖2為多種老化狀態(tài)干燥樣品的介質(zhì)損耗因數(shù)曲線,可見,隨老化程度加深,頻譜曲線在測(cè)試頻段逐漸升高,隨頻率降低上升速率逐漸加快。這是因?yàn)槔匣瘜?dǎo)致環(huán)氧云母復(fù)合絕緣膠粘劑粘結(jié)力下降,絕緣內(nèi)部形成更多的氣隙,加強(qiáng)了界面極化。此外,老化產(chǎn)生的極性產(chǎn)物會(huì)使樣品內(nèi)部游離子增多,電導(dǎo)率上升,增強(qiáng)介質(zhì)極化強(qiáng)度,電導(dǎo)與松弛損耗均增加。值得關(guān)注的是,隨熱老化天數(shù)增加,曲線在中頻段出現(xiàn)弛豫峰,該現(xiàn)象表明樣品已經(jīng)老化嚴(yán)重了。
圖2 不同老化狀態(tài)樣品的介質(zhì)損耗因數(shù)曲線Fig.2 Dielectric loss factor curves of samples underdifferent aging conditions
圖3為不同受潮狀態(tài)樣品的介質(zhì)損耗因數(shù)曲線,可見,樣品介質(zhì)損耗因數(shù)曲線因受潮狀態(tài)加深而大幅度上移,對(duì)樣品受潮狀態(tài)反映靈敏,這是因?yàn)樗肿訜o論受到環(huán)氧樹脂基體內(nèi)極性基團(tuán)的吸附,還是留存在材料界面之間,都會(huì)增大層壓板電導(dǎo)率,增加電導(dǎo)損耗和介質(zhì)損耗。
圖3 不同受潮狀態(tài)樣品的介質(zhì)損耗因數(shù)曲線Fig.3 Dielectric loss factor curves of samples underdifferent damp conditions
灰色關(guān)聯(lián)評(píng)估法評(píng)估定子主絕緣受潮狀態(tài),需要構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)參考狀態(tài)向量組,通過計(jì)算待評(píng)估樣品與各標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)向量的關(guān)聯(lián)度,獲知樣品的受潮狀態(tài)。
為構(gòu)建上述參考狀態(tài)向量組,同時(shí)兼顧評(píng)估精度,需要基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)劃分盡可能多的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中指出,現(xiàn)場(chǎng)定子絕緣受潮檢測(cè)過程中,吸收比是反映絕緣受潮程度的重要指標(biāo),吸收比低于1.6時(shí),定子絕緣嚴(yán)重受潮或缺陷嚴(yán)重。同時(shí),結(jié)合圖1不同老化狀態(tài)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(tài):吸收比大于2.4為優(yōu)秀,狀態(tài)編號(hào)X1;吸收比在(2.0, 2.4]區(qū)間內(nèi)為良好,狀態(tài)編號(hào)X2;吸收比在(1.6,2]區(qū)間內(nèi)為一般,狀態(tài)編號(hào)X3;吸收比小于等于1.6為嚴(yán)重,狀態(tài)編號(hào)X4。
圖2、圖3的介電測(cè)試結(jié)果分析顯示,絕緣嚴(yán)重老化時(shí),在0.1~220 Hz頻段出現(xiàn)弛豫峰,標(biāo)記該頻域段為熱老化特征頻段。同時(shí),絕緣受潮對(duì)測(cè)試頻段整體均產(chǎn)生影響,即測(cè)試頻段介質(zhì)損耗因數(shù)的大小和變化決定了樣品的受潮狀態(tài),因此,標(biāo)記測(cè)試頻段為受潮特征頻段。根據(jù)上述分析,細(xì)分受潮特征頻段,首先通過熱老化特征頻段將測(cè)試頻段分成三段,再按頻率點(diǎn)分布將熱老化特征頻段一分為二,最后將受潮特征頻段細(xì)分成220~104Hz、10~220 Hz、0.1~10 Hz、10-3~0.1 Hz四個(gè)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(jié)層壓板樣品的測(cè)試結(jié)果提取特征參數(shù)。根據(jù)測(cè)試結(jié)果,多次測(cè)量下,相比于吸收比,介質(zhì)損耗因數(shù)曲線測(cè)試結(jié)果分散度更低,而且由于介電譜測(cè)試特別適用于容性試品,絕緣內(nèi)部的水分屬于強(qiáng)極性電介質(zhì),其極化和損耗行為在高頻和低頻段反映靈敏;采用多個(gè)頻率點(diǎn)的損耗因數(shù)值,有效避開了工頻干擾,提高準(zhǔn)確度。此外,積分值是介質(zhì)損耗因數(shù)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(diǎn)的隨機(jī)性,又消除了曲線突變的影響,測(cè)試具有抗干擾性和高穩(wěn)定性。同時(shí)積分值涵蓋了整個(gè)頻段的測(cè)試點(diǎn),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(tài)介質(zhì)損耗譜的相對(duì)幅度大小和對(duì)應(yīng)頻段曲線的形狀趨勢(shì),能夠在絕緣受潮狀態(tài)評(píng)估中增加評(píng)估準(zhǔn)確度,同時(shí)積分值之間各自獨(dú)立,無法相互轉(zhuǎn)化。
為評(píng)估絕緣受潮狀態(tài),由以上特征參量構(gòu)建特征向量組,表達(dá)式為
X0=(X(1),X(2),X(3),X(4))。
(5)
根據(jù)吸收比測(cè)試結(jié)果,將試驗(yàn)數(shù)據(jù)依據(jù)吸收比測(cè)試結(jié)果進(jìn)行受潮分類,對(duì)每種受潮狀態(tài)下的介質(zhì)損耗因數(shù)曲線進(jìn)行均值化運(yùn)算得到4組新曲線,分別對(duì)應(yīng)受潮的四種參考狀態(tài)。對(duì)這四條曲線提取特征參量,組建參考狀態(tài)向量組,具體結(jié)果如表2所示。
表2 參考狀態(tài)向量組
圖4繪制了老化20天樣品在不同受潮狀態(tài)下的Ttanδ(f)實(shí)測(cè)值隨測(cè)試頻率間的關(guān)系,由圖可知,在同一頻率段內(nèi),隨著絕緣受潮狀態(tài)加重,Ttanδ(f)顯著增大,這說明Ttanδ(f)對(duì)絕緣受潮狀態(tài)的反應(yīng)非常敏感。對(duì)圖中Ttanδ(f)與頻率f進(jìn)行擬合,結(jié)果如表3所示,可以看出,Ttanδ(f)與測(cè)試頻率f之間具有良好的指數(shù)關(guān)系。這表明,在相同積分頻域范圍內(nèi)絕緣樣品Ttanδ(f)呈指數(shù)規(guī)律增大。
表3 Ttanδ(f)與頻率間的擬合關(guān)系
圖4 絕緣Ttanδ(f)測(cè)試值與測(cè)試頻率間的關(guān)系Fig.4 Relationship between the measured value of insulation Ttanδ(f) and the test frequency
為在有限頻段內(nèi)獲得更多Ttanδ(f)攜帶的受潮信息,選定測(cè)試頻率內(nèi)對(duì)受潮狀態(tài)最為敏感的頻率點(diǎn)積分最大值Ttanδmax為受潮評(píng)估因子,是定量評(píng)估定子主絕緣樣品受潮程度的介電特征參量,表達(dá)式為
(6)
整個(gè)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(tài)。圖5為試驗(yàn)所有數(shù)據(jù)的受潮評(píng)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(shù)聯(lián)系,其擬合關(guān)系如表4所示,擬合公式中A、B、C為與受潮程度和測(cè)試環(huán)境相關(guān)的常數(shù),該擬合關(guān)系的擬合優(yōu)度達(dá)到0.98。
圖5 絕緣吸收比與Ttanδmax之間的關(guān)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(guān)系
綜合上述研究,從定性、定量?jī)煞矫嫣岢鲆惶锥ㄗ咏^緣受潮狀態(tài)評(píng)估方法。首先,將灰色關(guān)聯(lián)理論應(yīng)用在定子絕緣受潮狀態(tài)的定性評(píng)估中;然后,利用介電譜提取受潮評(píng)估因子定量評(píng)估絕緣層壓板的受潮狀態(tài),所得結(jié)果可以互相驗(yàn)證。
為驗(yàn)證上述評(píng)估方法,重新制備新樣品S1~S3作為待評(píng)估對(duì)象進(jìn)行介電測(cè)試,利用式(1)~式(4)和式(6)提取相應(yīng)的介電特征參量,組成待評(píng)估向量組,如表5所示,同時(shí)測(cè)試樣品吸收比分別為2.12、2.64、1.40,通過灰色關(guān)聯(lián)理論評(píng)估受潮狀態(tài)。
表5 待評(píng)估樣品介電特征參量
灰色關(guān)聯(lián)理論的實(shí)質(zhì)是計(jì)算待評(píng)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(shí)別對(duì)象屬于參考向量組中哪一類。從待評(píng)估樣品中提取特征量T1、T2、T3、T4作為向量元素構(gòu)成待評(píng)估的狀態(tài)向量組Xi=(Xi(1),Xi(2),…,Xi(m)),待評(píng)估向量組分別與參考向量X0=(x0(1),x0(2),…,x0(n))進(jìn)行匹配識(shí)別。識(shí)別過程需要通過計(jì)算關(guān)聯(lián)度來完成,決策得到待識(shí)別樣品與參考向量組內(nèi)關(guān)聯(lián)度最高的狀態(tài)。關(guān)聯(lián)度是對(duì)兩個(gè)向量之間關(guān)聯(lián)性的度量,本文選用的鄧氏關(guān)聯(lián)度法因算法完善度高、計(jì)算方便,是最常用的關(guān)聯(lián)度方法,關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式為:
(7)
(8)
式中:γ(X0,Xi)是待評(píng)估向量Xi和參考向量X0之間的關(guān)聯(lián)度;ρ為分辨系數(shù),通常取0.5。
圖6為關(guān)聯(lián)度計(jì)算流程圖。在計(jì)算關(guān)聯(lián)度之前,由于狀態(tài)向量各元素量綱不同,需要對(duì)待評(píng)估樣品和標(biāo)準(zhǔn)向量組原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化,表達(dá)式為:
圖6 關(guān)聯(lián)度計(jì)算流程圖Fig.6 Correlation degree calculation flow chart
(9)
首先,將待評(píng)估向量組與四個(gè)參考狀態(tài)向量構(gòu)建成四個(gè)4×4的評(píng)估矩陣,采用式(9)所示的均值化算子對(duì)四個(gè)矩陣進(jìn)行歸一化處理;然后,采用式(7)鄧氏關(guān)聯(lián)度計(jì)算法計(jì)算表5中歸一化后的待評(píng)估向量組與參考狀態(tài)向量組之間的關(guān)聯(lián)度,結(jié)果如表6所示;最后,選擇關(guān)聯(lián)度最大值,判斷待評(píng)估樣品所屬狀態(tài),待評(píng)估樣品S1~S3分別與受潮狀態(tài)X2、X1、X4屬于同一類。將待評(píng)估樣品實(shí)測(cè)狀態(tài)和評(píng)估狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)均與實(shí)測(cè)狀態(tài)相符,證明了灰色關(guān)聯(lián)理論定性分析的有效性。
表6 待評(píng)估樣品與參考向量組的關(guān)聯(lián)度
對(duì)待評(píng)估樣品進(jìn)一步進(jìn)行定量分析,根據(jù)2.3節(jié)所提的受潮狀態(tài)量化方法,結(jié)合表5受潮評(píng)估因子Ttanδmax和表4擬合公式計(jì)算得到待評(píng)估樣品S1、S2、S3吸收比的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如表7所示,可知計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果也基本吻合,驗(yàn)證了所提方法定量評(píng)估的可行性。
表7 待評(píng)估樣品吸收比測(cè)試值與擬合值
為彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電機(jī)主絕緣檢測(cè)中吸收比測(cè)試的不穩(wěn)定性,本文借助加速老化和受潮試驗(yàn),制備不同老化程度和受潮狀態(tài)的層壓板樣品作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)理論與介損積分將介電響應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于定子主絕緣受潮狀態(tài)評(píng)估中。得到如下結(jié)論:
1)結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度理論,以《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》和試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)劃分絕緣層壓板四種受潮狀態(tài)和四個(gè)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)向量組;
2)根據(jù)不同受潮狀態(tài)絕緣樣品介損積分隨測(cè)試頻率單調(diào)遞增趨勢(shì),定義測(cè)試頻段介損積分最大值為受潮評(píng)估因子,建立受潮評(píng)估因子與吸收比的指數(shù)擬合關(guān)系,使介質(zhì)損耗頻域譜攜帶的受潮信息得到量化;
3)從定性、定量?jī)煞矫嫣岢鲆惶锥ㄗ咏^緣受潮狀態(tài)評(píng)估方法。以實(shí)驗(yàn)室三個(gè)絕緣樣品為對(duì)象,計(jì)算與標(biāo)準(zhǔn)受潮狀態(tài)的關(guān)聯(lián)度和樣品吸收比,證實(shí)所提方法的有效性,增強(qiáng)了介電響應(yīng)評(píng)估技術(shù)的適用性。