西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西省西安市710049 1 引言
大型发电机主绝缘是发电机最重要的组成部分之一，其性能优劣直接关系到大电机运行的可靠性。早期的定子绕组采用沥青云母复合绝缘系统，目前基本上都采用合成树脂云母复合绝缘系统。它在发电机运行期间要遭受电、热、机械振动和冷热循环等多因子应力的联合作用，致使绝缘性能逐渐下降，最终导致击穿。一旦发生这种事故，不仅危及电机本身，而且由于事故的突发性会使整个生产线停产，造成巨大的经济损失。因此，研究大电机主绝缘的老化规律，评估其剩余寿命，对提高发电机的运行可靠性具有非常重要的意义。
绝缘老化的研究在国内外已有很长的历史，但到目前为止主要是基于热、电或机械应力等单因子分别作用于绝缘或者是两因子联合作用于绝缘的老化研究［1］，还没有对各种应力同时作用，即多因子老化进行研究，更没有提出能准确反映绝缘老化程度的特征参量。此外，也未建立起一种等价性十分明确合理的多因子老化试验模型和试验方法。因此，建立多因子老化试验模型和试验方法，寻找表征绝缘老化程度的特征参量已成为近年来国际绝缘研究领域的主要课题。本文在分析老化产生原因的基础上，建立了多因子老化试验模型，设计制作了多因子老化试验系统。试验证明该老化系统的老化效果明显，能满足研究大电机主绝缘老化规律，评估其剩余寿命的要求。
2 电老化试验
2．1 电老化的产生
绝缘在制作过程中云母等无机材料混合时会存在气隙，而且电机很难在理想均匀电场下工作。这样，在电场作用下，云母结合处的气隙会产生电晕，以至绝缘表面产生漏电痕迹现象，使其绝缘性能下降。另外，在线棒绝缘层间或线棒端部和槽部电场集中处会产生局部放电，它会腐蚀绝缘。在被腐蚀绝缘处，电场会更加不均匀，使局部放电进一步增强，腐蚀面继续扩大，直到绝缘破坏。
2．2 电老化参数的确定
为了在限定时间内模拟现场发电机定子绝缘的老化过程并寻找能反映绝缘老化程度的特征参量，考核绝缘长期耐电强度，需要提高试验场强进行电老化试验。考虑到现场发电机定子绝缘老化的实际情况并参考IEC有关热老化试验规定，采用在绝缘材料的允许温升下进行电老化试验。
提高试验场强能加速绝缘老化，但试验场强过高将引起试验线棒端部放电甚至热击穿，使其剩余寿命急剧下降而歪曲老化机理。根据IEC271－1推荐的试验电压最少应选择3点，选定的最高电压点和最低电压点的平均寿命之比应为10001，按最低试验电压下的中值试验寿命不低于5000 h的原则考虑，可确定出最低老化试验电压V1。其它2点的电压V2和V3可按经验公式（1）确定。
2．3 电老化试验系统
电老化试验系统原理框图如图1所示，该图为
ACVS—交流稳压电源；CDP—操作控制台；SPVR—单相调压器；SPTT—试验变压器；LCR—限流水电阻；TS—试样；TC—温控箱；SL—安全指示灯；OCP—过流保护；MT—测量变压器；OVP—过压保护；VDU—电压显示；ESVM—静电电压表
3路电老化试验系统的1个分支。
三相电源中的一相经交流稳压电源送至电源操作控制台，但要受电源和屏蔽室闭锁电路的控制，只有屏蔽室门关闭才允许给控制台送电，否则电源被自动切断。通过控制台可以对试样施加老化电压。系统中设计了过电流和过电压保护电路，只要试样击穿或电压值超限，保护单元会立即切断电源。另外，系统中还有自动计时电路和试样电压指示器，能累计老化时间，显示施加电压的大小。
3 热老化试验
3．1 热老化的产生
发电机定子绝缘在长期运行中因发热温升而产生物理和化学变化，导致绝缘老化。对于环氧云母绝缘，热老化主要是指热对有机高分子材料环氧树脂或聚酯树脂粘结剂的影响。在热的作用下，云母带层间或云母之间的粘结力降低而产生剥离，出现气隙，气隙在电场作用下会发生局部放电，局部放电又会使绝缘局部温度升高。而且绝缘老化分层后，绝缘的等效导热系数和热导减小，铜线散热更加困难，线棒的平均铜温逐渐上升，这样就形成了恶性循环，加速了绝缘的热老化。热老化不仅使绝缘的电气强度降低，而且使其机械性能下降。
3．2 热老化参数的确定
对于环氧云母复合绝缘系统，不同的绝缘等级，其允许温升也不同。所以，热老化温度应根据绝缘的允许温升来决定，但最高老化温度不可超过200℃［2］。因为超过200℃就会引起绝缘老化机理的改变，所以，对于F级绝缘选择155℃，对于B级绝缘选择135℃作为老化温度。老化时间的确定取决于试验目的，若是研究老化规律，需从新模型线棒开始老化，老化时间较长。若是研究反映老化程度的特征参量，采用已使用过的真机线棒进行老化即可，这样老化时间较短，大约为3000h。
3．3 热老化试验系统
热老化试验系统采用3套改造后的恒温控制箱，最高温度可达250℃，容积为1．2 m×1．2 m×1．8 m，有自动鼓风装置，以保证恒温箱中温度的均匀性。温度由温控仪来调节，以满足不同用途的要求。
4 机械应力老化试验
4．1 机械应力老化的产生
发电机定子绕组的电磁振动使槽部、槽口及端部绝缘持续地承受着交变机械负荷，导致绝缘逐渐老化。从材料劣化角度分析，绝缘材料的劣化包括一定应力下的蠕变和交变应力下的疲劳。起动时的电磁力在绝缘内部产生很大的应力，由于此弯曲应力的反复作用，在绝缘层内产生疲劳劣化。热劣化收缩和槽楔压力下绝缘层内的蠕变收缩会使槽内线圈松动，松动后线圈在运行中振动使绝缘磨损劣化，这种现象也经常发生在线圈端部。
4．2 机械老化参数的确定
发电机线圈的不同位置，所承受的机械应力也不同。电磁振动力既会引起线圈端部产生悬臂梁式的弯曲振动，又会引起线圈直线部分产生简支梁式横向振动。为了模拟机械应力的作用，设计了机械应力加速老化试验装置，给试样施加一定频率的振动力来促使其绝缘裂纹和分层。对于线棒的槽部，采用3点横向振动方式进行老化［2］；对于线棒的端部，采用悬臂梁振动方式进行老化［3］。不论那种振动方式，最重要的3个参数是振动频率fv，振动幅值δ和振动加速度Av。在振动过程中，3个参数不可能同时变化，因此，只有固定1个或2个参数来改变其他参数才能达到老化目的。加速度Av取决于系统施加的应力F和试样及夹具质量m。因试样和夹具质量已确定，所以，只要改变应力F的大小就可改变加速度Av的大小。这里F变化范围为10～200 N，而且是正弦振动力，fv变化范围为0．1～10kHz，δ变化范围为800～5000μm，可根据不同的老化目的和老化试样来组合老化参数。
4．3 振动系统设计
4．3．1 振动模型
定子线圈的实际受力可近似采用简支梁和悬臂梁结合的等截面梁结构来模拟，如图2所示（图中，O和B为支点，A和C为激振力作用点）。
考虑复合边界条件，可按简单载荷下伯努力—欧拉梁结构来分析其动态响应和固有振动频率[4]。当在试验线棒中间和一端同时施加正弦交变应力F时，梁的横向振动偏微分方程为
式中 y（x，t）为横向位移；f（x，t）为单位长度上的分布载荷；m（x，t）为单位长度上的分布外力矩；ρ为线棒密度；s为试验线棒的横截面；Y为杨氏弹性模量；I为惯性矩。
若f（x，t）＝m（x，t）＝0，即线棒不加外力，那么线棒的自由横向振动模型为
解式（3）并代入边界条件，可得线棒作横向自由振动时的各阶固有频率分别为
式（4）βil可从文［4］中查得。根据研究用780k W／6kV磨煤电机试验线棒的外形尺寸，截面为3mm×2 mm，长度为700 mm，不论是单根线棒还是多根线棒其固有频率均大于100 Hz。所以，选择100Hz作为振动频率，完全可以避免共振现象。
如果给试验线棒中间和一端施加应力F使其作横向受迫振动，可采用叠加法求出其端部振幅为
对于单根线棒，在振幅为1500μm时，单位面积仅需39．4 N的力。所以，只要选取合适的激振力，就可以满足一定振幅的要求。
4．3．2 振动系统
新设计的振动系统示意图如图3所示，它分为振动台主体和控制监测装置两大部分。振动台主体由振动台面、固定试样线棒的支架及夹具和可以升降的激振器组成。振动台面是水泥浇注钢筋结构的不锈钢板，规格为长×宽×高＝1．5 m×0．6 m×1．2m，可以老化1．2 m长的试样线棒。台面上固定有可移动的支架，以适应不同长度试样的要求。可升降的激振器向试样提供大小可控的振动力。控制监测装置包括功率放大器、信号发生器、电荷放大器、加速度和位移传感器，用以控制激振力的大小并检测加速度和位移量以达到老化目的。
5 冷热循环试验
5．1 冷热循环的产生
冷热循环老化是因发电机起动、停车和负荷变动等原因引起的机械老化和热循环老化，它是大容量发电机主绝缘老化的主要原因之一。当电机负荷快速变化时，导体的温升较绝缘变化快，由于两者温度和膨胀系数的差别，沿着定子线棒的长度方向，铜与绝缘之间将出现巨大的剪切应力，长期作用将会使铜与绝缘之间的粘合遭到破坏，并且使主绝缘内部层间产生撕裂和疲劳。
5．2 冷热循环老化参数的确定
为了模拟现场电机起动、停车和负荷变动对定子线棒绝缘的老化效应，可采用给试验线棒循环加热和冷却的方法进行［5］。只要严格控制加热和冷却的速度，即可达到冷热循环老化的目的。对于环氧云母绝缘的定子线棒，B级绝缘的允许温升为135℃，考虑到铜的热稳定常数，使试验线棒在40min内急速升至135℃，然后调节冷却装置又使其在40 min内冷却至室温，这样在80 min内就完成一个冷热循环。冷热循环次数可根据不同的试验目的确定。冷热循环试验过程中试验线棒的温度与时间关系如图4所示。
5.3冷热循环老化系统
本文采用外热式加热法，即控制恒温箱热源，使绝缘的温度升高，控制器采用时间－温度控制原则，保证在40 min内箱内温度达到135℃。冷却采用多台风扇强制试验线棒在40 min内降至室温。
6 试验和试验方法
6．1 多因子老化模型
在发电机实际运行中，定子绝缘要遭受电、热和机械应力等因子的协同作用，显然，单因子顺序老化不能真实反映其老化过程。文［2］中介绍的多因子老化模型对于热的效应只考虑了温度因素，而没有考虑运行中主绝缘由于机组起停和负荷变化产生的热疲劳。由于在振动台上同时加热、加电存在许多困难，要克服这些困难需大量资金。根据文［2］报道，发电机主绝缘室温下的电寿命与180℃时的电寿命显著不同。参考IEEEStd 275标准并考虑冷热循环影响，本文建立的多因子老化试验模型如图5所示。
6．2 试样制备
用于多因子老化的试验线棒取自于秦岭发电厂780k W磨煤电机，其电压等级为6kV，主绝缘采用环氧粉云母B级绝缘，绝缘平均厚度为2 mm。为了节约试验费用并根据恒温控制箱的容积，每个线圈被切成两段长700 mm的直线段，如图6所示。试样两端露出的铜导体长为10 mm，在试样两端的绝缘体上涂40 mm长的防晕层，并将铜导体的边角磨成圆弧状以消除电老化时轴向应力集中，防止端部电晕发生。
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