劉虹邑 彭浣欽 何明鵬 謝志輝 李愿杰

第一作者簡(jiǎn)介：劉虹邑（1983－），男，碩士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)閺?fù)合材料。

*通信作者：李愿杰（1983－），男，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師。研究方向?yàn)樾履茉床牧?、能源與電力系統(tǒng)等技術(shù)。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.025

摘? 要：發(fā)電機(jī)組的定子繞組主絕緣材料在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中受到多場(chǎng)的熱、電、磁、力以及復(fù)雜環(huán)境因素的影響，極易出現(xiàn)局部的老化，從而降低絕緣性能，嚴(yán)重地危害設(shè)備的安全和系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。該文以某大型水電站發(fā)電機(jī)組中的定子繞組線圈及其絕緣層為研究對(duì)象，針對(duì)復(fù)合材料及界面特點(diǎn)，采用專門的材料分析技術(shù)手段，系統(tǒng)地研究電機(jī)服役一段時(shí)間后的絕緣層材料靠近銅導(dǎo)線處的結(jié)構(gòu)、形貌、成分和微缺陷等變化。結(jié)果表明，在使用1年后，絕緣層包覆材料靠近銅導(dǎo)線側(cè)局部出現(xiàn)微裂紋，相應(yīng)的材料特性也發(fā)生變化，并顯示出與位置分布的差異性。研究結(jié)果為持續(xù)跟蹤電機(jī)服役可靠性中的材料性能演變提供實(shí)證支撐。

關(guān)鍵詞：材料界面；微缺陷；定子繞組；發(fā)電機(jī)；材料性能演變

中圖分類號(hào)：TV734.2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）16-0108-04

Abstract： During the long-term operation， the main insulation material of generator stator winding is affected by many fields of heat， electricity， magnetism， force and complex environmental factors， so it is easy to appear local aging， thus reducing the insulation performance. it seriously endangers the safety of the equipment and the stability and reliability of the system. This paper takes the stator winding coil and its insulation layer in a large hydropower station as the research object， and adopts special material analysis technology according to the characteristics of composite material and interface. The changes of the structure， morphology， composition and micro-defects of the insulation material near the copper wire after the motor has been in service for a period of time are studied systematically. The results show that after one year of use， the local micro-cracks appear in the insulating layer coating material near the side of the copper wire， and the corresponding material properties change， and show the difference with the position distribution. The research results provide empirical support for continuously tracking the evolution of material properties in motor service reliability.

Keywords： material interface; microdefect; stator winding; generator; material performance evolution

大型發(fā)電機(jī)組是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，其安全可靠運(yùn)行是經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的重要保障。發(fā)電機(jī)一旦發(fā)生嚴(yán)重事故，將導(dǎo)致設(shè)備損壞，電力供應(yīng)中斷，造成一系列的經(jīng)濟(jì)損失。大量的統(tǒng)計(jì)發(fā)電機(jī)機(jī)組的故障數(shù)據(jù)表明，絕緣損壞是引起發(fā)電機(jī)故障的主要原因[1]。發(fā)電機(jī)定子繞組的復(fù)合絕緣材料在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中易受到嚴(yán)重的電、熱、機(jī)械應(yīng)力以及各種環(huán)境因素的影響，加速了絕緣材料的老化變質(zhì)，嚴(yán)重地影響了電機(jī)的安全可靠運(yùn)行[2]。因此，對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組的絕緣老化性能進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試，并對(duì)其老化規(guī)律進(jìn)行研究是十分必要的。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)電機(jī)繞組絕緣老化的研究較多。劉耀南等[3]介紹了采用直測(cè)法、比較法和充放電法測(cè)試材料的絕緣特征；Kimura等[4]研究了絕緣材料剩余擊穿電壓的影響因素，認(rèn)為用喘振頻率來確定剩余擊穿電壓是可靠的；Hao等[5]研制了超聲波和沖擊回波檢測(cè)儀器，研究了與絕緣老化和缺陷相關(guān)的電氣參數(shù)。

國(guó)內(nèi)外在定子繞組線棒的老化研究中，通常集中于其宏觀電學(xué)性質(zhì)部分的分析，而對(duì)于其本質(zhì)的材料學(xué)特性缺少較為深入的研究[6]。本文結(jié)合大型水電站發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行的情況，采用抽樣檢測(cè)的方式，對(duì)定子繞組線棒中的絕緣復(fù)合材料的綜合特性進(jìn)行了研究分析，同時(shí)結(jié)合X射線掃描等技術(shù)對(duì)材料缺陷進(jìn)行了測(cè)試。

1? 樣本狀況

本文使用的樣本為大型水電站發(fā)電機(jī)組內(nèi)的定子繞組線棒（結(jié)構(gòu)如圖1所示），其中樣本1為已經(jīng)使用過的樣本，作為實(shí)驗(yàn)組；樣本2為新裝機(jī)的樣本，作為對(duì)照組。繞組線圈內(nèi)部為多層銅扁線，銅扁線整體由復(fù)合絕緣材料包覆，按照所處電壓等級(jí)的不同，本樣本的銅扁線需要包扎層數(shù)不一的云母帶。電機(jī)在運(yùn)行過程中，在某曲率半徑較小的尖端電極附近，由于該處電場(chǎng)強(qiáng)度超過環(huán)境中氣體的電離場(chǎng)強(qiáng)，使氣體容易出現(xiàn)電離現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)生電暈放電。為了防止電暈放電對(duì)繞組的負(fù)面影響，本樣本在每個(gè)線圈的直邊和曲面部分分別加包絕緣帶。所用的絕緣材料為層狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)含云母帶，緊密地附著在銅扁線上，形成穩(wěn)定的一體化結(jié)構(gòu)。隨著繞組線圈長(zhǎng)時(shí)間地在高壓環(huán)境下運(yùn)行，銅扁線包覆絕緣帶的結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)變化，產(chǎn)生各種微小的缺陷，這些缺陷在線圈直邊和曲面的分布有所區(qū)別，且隨時(shí)間的積累會(huì)發(fā)生進(jìn)一步演變。本文的2組樣本在圖1（b）所示不同的位置取樣，分別編號(hào)為樣本1-1、樣本1-2、樣本1-3、樣本2-1、樣本2-2和樣本2-3，對(duì)照研究其性質(zhì)的變化。

注：（a）為實(shí)物圖；（b）為結(jié)構(gòu)示意圖與取樣位置示意圖。

圖1? 定子線棒

2? 結(jié)果與討論

2.1? 紅外光譜分析

采用Bruker傅里葉變化紅外光譜儀ATR-FT-IR對(duì)樣本進(jìn)行結(jié)構(gòu)測(cè)試，測(cè)試分辨率為4 cm-1。

圖2給出了樣本1和樣本2不同部位的傅里葉紅外光譜的分析結(jié)果。圖中最強(qiáng)峰出現(xiàn)在1 027.5 cm-1位置，對(duì)應(yīng)于環(huán)氧樹脂與固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)時(shí)，由于環(huán)氧基的開環(huán)反應(yīng)形成的C-O-C的對(duì)稱伸縮振動(dòng)；而位于950 cm-1和750 cm-1區(qū)間內(nèi)的峰來源于未開環(huán)環(huán)氧基的彎曲振動(dòng)和變形振動(dòng)。1 736 cm-1處的峰對(duì)應(yīng)C=O的伸縮振動(dòng)。1 380 cm-1-1 650 cm-1之間的峰對(duì)應(yīng)于芳香C=C鍵的伸縮振動(dòng)。3 362 cm-1對(duì)應(yīng)-OH平面伸縮振動(dòng)。在2 850 cm-1和2 920 cm-1之間對(duì)應(yīng)的是-CH2（亞甲基基團(tuán)）的伸縮振動(dòng)。對(duì)比樣本1與樣本2的位置1的紅外光譜，其結(jié)果幾乎相同，但是樣本1-1的峰強(qiáng)度低于樣本2-1，說明定子使用過程中對(duì)環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定破壞，其中對(duì)C=O鍵和C=C鍵影響最為顯著。

圖2? 樣本1與樣本2不同位置的紅外光譜

在C=C鍵對(duì)應(yīng)的區(qū)間內(nèi)，樣本1-2的峰強(qiáng)低于樣本2-2，說明此位置C骨架遭到了破壞，可能是由于熱致機(jī)械應(yīng)力所致。樣本1-3的峰強(qiáng)度與樣本2-3略有差異，樣本1-3中含O鍵的吸收峰強(qiáng)度高于樣本2-3，同時(shí)非含O鍵的吸收峰強(qiáng)度低于樣本2-3，說明位置3處絕緣材料出現(xiàn)一定程度的老化。

2.2? XPS分析

采用Thermo Fisher公司型號(hào)為ESCALAB 250Xi光電子能譜儀進(jìn)行X射線光電子能譜（XPS）測(cè)試。典型的結(jié)果如圖3所示。

圖3（a）和（b）分別為樣本1-1和樣本2-1的XPS全譜分析。2種樣本的成分都主要由O、C、Si、N 4種元素組成，其中樣本1-1的O、C、Si、N 4種元素的原子百分比分別為49.23%、41.52%、8.6%和0.65%；樣本2-1的O、C、Si和N 4種元素的原子百分比分別為48.37%、41.51%、7.88%和2.24%。兩者相比，使用過后的樣本O元素含量有所提升，C元素百分比有所下降，說明空氣中的氧氣參與到了絕緣層的老化過程中來。樣本1-1與樣本2-1的C1s軌道的精細(xì)譜分峰分析如圖3（c）和（d）所示。兩者C1s軌道精細(xì)譜差別較大，使用過的樣本1-1對(duì)比嶄新出廠的樣本2-1，C-O/C-N鍵的百分比大幅提高，從31.88%提高到了48.95%；C=O鍵的百分比含量幾乎不變；而C-C/C=C鍵的百分比含量從59.23%下降到了42.44%，說明了絕緣層老化過程中O元素含量的提高是由于C元素氧化造成的，這一過程需要空氣中的氧氣參與。本文同時(shí)分析了位置2的XPS圖譜，結(jié)果表明位置2使用前后的樣本成分含量只有略微的差別，老化程度較小，老化速度較慢。

圖4（a）和（b）分別為樣本1-3和樣本2-3的XPS全譜分析。其中樣本1-3中，C1s軌道峰出現(xiàn)在282.32 eV；529.06 eV的峰為O1s軌道；100.15 eV的峰為Si2p軌道；397.40 eV的峰為N1s軌道。樣本2-3中，C1s軌道峰出現(xiàn)在282.89 eV；529.35 eV的峰為O1s軌道；100.84 eV的峰為Si2p軌道；398.25 eV的峰為N1s軌道。2種樣本的成分都主要由O、C、Si和N 4種元素組成，其中樣本1-3的O、C、Si和N 4種元素的原子百分比分別為50.72%、38.84%、8.61%和1.84%；樣本2-3的O、C、Si和N 4種元素的原子百分比分別為49.79%、40.21%、8.04%和1.97%。兩者相比，使用過后的樣本O元素含量有所提升，C元素百分比有所下降，說明空氣中的氧氣參與到了絕緣層的老化過程中來。樣本1-3與樣本2-3的C1s軌道的精細(xì)譜分峰分析如圖4（c）和（d）所示。樣本1-3中284.8 eV處的峰為絕緣層材料中的C-C/C=C鍵，百分比含量為44.05%；285.98 eV處的峰對(duì)應(yīng)于絕緣層材料中的C-O/C-N鍵，百分比含量為48.86%，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)峰位位置286.06 eV發(fā)生了約0.02 eV的位移；289.08 eV處的峰對(duì)應(yīng)于絕緣層材料中的C=O鍵，百分比含量為7.09%，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)峰位位置289 eV發(fā)生了0.08 eV的位移。樣本2-3中284.8 eV處的峰為絕緣層材料中的C-C/C=C鍵，百分比含量為60.91%；286.16 eV處的峰對(duì)應(yīng)于絕緣層材料中的C-O/C-N鍵，百分比含量為32.44%，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)峰位位置286 eV發(fā)生了0.16 eV的位移；288.97 eV處的峰對(duì)應(yīng)于絕緣層材料中的C=O鍵，百分比含量為6.65%，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)峰位位置289eV發(fā)生了0.03 eV的位移。兩者C1s軌道精細(xì)譜差別較大，使用過的樣本1-3對(duì)比嶄新出廠的樣本2-3，C-O/C-N鍵的百分比大幅提高，從32.44%提高到了48.86%；C=O鍵的百分比含量從6.65%提高到了7.09%；而C-C/C=C鍵的百分比含量從60.91%下降到了44.05%，說明了絕緣層老化過程中O元素含量的提高是由于C元素氧化造成的，這一過程需要空氣中的氧氣參與，與電暈放電密切相關(guān)。

2.3? 2D CT掃描分析

采用phoenix microme x neo對(duì)2個(gè)樣本進(jìn)行了CT掃描分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5展示了絕緣層與Cu導(dǎo)體界面的CT圖像。對(duì)比圖5（a）與（b）可以看出，層狀主絕緣層的襯度分布不均勻，說明使用過程使得主絕緣材料局部密度發(fā)生變化，與Cu導(dǎo)體接觸的部分和與空氣接觸的部分密度較低，兩邊都不接觸的密度較高，并且在主絕緣層中產(chǎn)生了間隙，間隙的產(chǎn)生對(duì)定子繞組的機(jī)械性能、安全性能、導(dǎo)電性能會(huì)產(chǎn)生不良的影響。由圖5（c）與（d）的對(duì)比分析可以看出，絕緣層與Cu導(dǎo)體接觸的區(qū)域可以觀察到明顯的電暈放電痕跡，與Cu導(dǎo)體越近的絕緣層材料，受到電暈放電的影響越嚴(yán)重，從而使主絕緣層的層狀結(jié)構(gòu)受到的影響越嚴(yán)重；而與空氣直接接觸的部分，空氣中的氧含量遠(yuǎn)高于定子線棒內(nèi)部，從而在定子線棒表面的氧化速度快于內(nèi)部，對(duì)主絕緣層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。此外，定子線棒工作過程中會(huì)受到一定的機(jī)械應(yīng)力的作用，從而對(duì)主絕緣層的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，影響銅扁線包覆材料的絕緣性能。

圖5? 樣本1與樣本2絕緣層與Cu界面的CT圖像

3? 結(jié)論

定子繞組線棒工作過程中受到工作環(huán)境的影響會(huì)產(chǎn)生明顯的老化，并且老化程度隨定子線棒的位置不同會(huì)有所不同，其中在位置3的老化程度最高，位置2老化程度最低。定子線棒內(nèi)部缺陷的多少與空間位置有很大的關(guān)系，主要集中在位置3處Cu導(dǎo)體與主絕緣結(jié)構(gòu)的界面、主絕緣結(jié)構(gòu)與空氣接觸的界面和承受機(jī)械應(yīng)力的主結(jié)構(gòu)。本工作的研究結(jié)果為發(fā)電機(jī)組定子繞組絕緣層不同部位的老化研究提供了實(shí)驗(yàn)支撐。

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