研究意義

絕緣老化會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)壽命降低，因此研究發(fā)電機(jī)絕緣的壽命預(yù)測(cè)對(duì)提高發(fā)電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要意義。

發(fā)電機(jī)作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，其工作的穩(wěn)定性直接影響電力系統(tǒng)供電的質(zhì)量。根據(jù)英國(guó)石油公司發(fā)布的《世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒2019》顯示，世界發(fā)電量同比增長(zhǎng)3.7%，其中一半的增長(zhǎng)來自于中國(guó)。在這種背景下，發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是大容量、高效率。發(fā)電機(jī)容量的增加對(duì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行安全有了更高的要求，制造發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一就是定子絕緣技術(shù)。

發(fā)電機(jī)的定子繞組絕緣是發(fā)電機(jī)的重要組成部分，隨著大電機(jī)裝機(jī)容量的不斷提高，環(huán)境應(yīng)力對(duì)絕緣的影響也在增大。發(fā)電機(jī)的壽命主要取決于絕緣壽命，而絕緣會(huì)受到各種因素的影響導(dǎo)致失效。

例如在電機(jī)設(shè)計(jì)制造時(shí)，沒有在容易出現(xiàn)電場(chǎng)集中的部位做強(qiáng)化處理會(huì)導(dǎo)致絕緣失效，或者由于頻繁起動(dòng)而造成定子繞組絕緣受到操作過電壓的沖擊，加速了電機(jī)絕緣老化，或者由于絕緣本身的損耗使部件發(fā)熱而導(dǎo)致絕緣老化。

絕緣老化會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)壽命降低，因此研究發(fā)電機(jī)絕緣的壽命預(yù)測(cè)對(duì)提高發(fā)電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要意義。壽命預(yù)測(cè)分為前期和后期預(yù)測(cè)，其中，前期預(yù)測(cè)是指根據(jù)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，結(jié)合絕緣材料的絕緣性能，在設(shè)計(jì)初期預(yù)測(cè)絕緣的使用壽命；后期預(yù)測(cè)就是常見的發(fā)電機(jī)絕緣的剩余壽命的預(yù)測(cè)，在運(yùn)行過程中，獲取大量絕緣性能表征數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)絕緣的剩余使用壽命，提前防范由絕緣失效引起的發(fā)電機(jī)故障。

電機(jī)定子絕緣老化機(jī)理

定子絕緣是發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件之一，在工作運(yùn)行環(huán)境中通常會(huì)受到電、熱和機(jī)械等因素的作用使定子絕緣的絕緣性能和力學(xué)性能逐漸下降，加速絕緣的老化。在熱老化作用下，云母發(fā)生熱降解脆化和聚合物膨脹引起缺陷，影響絕緣的力學(xué)性能；同時(shí)電老化會(huì)使絕緣材料的放電次數(shù)增加，加劇局部放電問題，使局部溫度升高，加速老化。另外運(yùn)行環(huán)境中的粉塵等會(huì)導(dǎo)致絕緣表面的漏電現(xiàn)象加重。

在所有統(tǒng)計(jì)的發(fā)電機(jī)事故的故障因素中，絕緣損壞造成的事故所占比例過半，如圖1所示。電機(jī)定子線棒絕緣性能直接影響發(fā)電機(jī)的工作穩(wěn)定性及安全性，若電機(jī)出現(xiàn)預(yù)期之外的故障，則會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)組的整體運(yùn)行造成影響，甚至導(dǎo)致大面積停機(jī)。

由于發(fā)電機(jī)損壞造成的維修代價(jià)大，若可以根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行歷史或者電機(jī)的在線監(jiān)測(cè)結(jié)果獲得定子絕緣的剩余壽命，調(diào)度人員就能提前準(zhǔn)備停機(jī)修繕。因此電機(jī)絕緣壽命的預(yù)測(cè)對(duì)于發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行有著極為重要的指導(dǎo)作用。

絕緣預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)和展望

為了保證發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，將發(fā)電機(jī)在發(fā)生絕緣損壞之前退出運(yùn)行，就要進(jìn)行電機(jī)定子絕緣老化評(píng)估以及壽命預(yù)測(cè)。近年來，電機(jī)絕緣剩余壽命預(yù)測(cè)的方法有三種：基于回歸分析的預(yù)測(cè)、基于智能算法的預(yù)測(cè)和基于數(shù)據(jù)采集的預(yù)測(cè)。

為了提高發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的穩(wěn)定性，發(fā)電機(jī)的絕緣預(yù)測(cè)手段需要進(jìn)一步在實(shí)用性和準(zhǔn)確性上做出改進(jìn)，綜合當(dāng)前的研究成果，未來的發(fā)展方向應(yīng)包括以下幾點(diǎn)：

1）提高電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)收集的準(zhǔn)確性

在進(jìn)行數(shù)據(jù)收集時(shí)，往往因?yàn)榘l(fā)電機(jī)運(yùn)行環(huán)境的不可控性，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)受到多種因素的干擾。很多情況下，用于預(yù)測(cè)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能沒有控制在同一變量下，這就使得在進(jìn)行單因子預(yù)測(cè)討論時(shí)受到其余因素的干擾，造成預(yù)測(cè)結(jié)果的偏差。

2）減少預(yù)測(cè)用數(shù)據(jù)集的樣本量

發(fā)電機(jī)失效成本高，定子絕緣老化壽命數(shù)據(jù)很難得到。絕大多數(shù)壽命預(yù)測(cè)方法如線性擬合或者神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，常常需要大量的樣本集來進(jìn)行擬合或訓(xùn)練以保證模型輸出結(jié)果的穩(wěn)定性，這也是制約發(fā)電機(jī)絕緣壽命預(yù)測(cè)發(fā)展的因素。因此將研究對(duì)象轉(zhuǎn)向降低預(yù)測(cè)模型對(duì)數(shù)據(jù)的依賴性是推動(dòng)絕緣預(yù)測(cè)方法應(yīng)用于工程的重要思路。

3）改進(jìn)多因素老化模型

當(dāng)前的預(yù)測(cè)方法多為討論某幾個(gè)應(yīng)力因素對(duì)絕緣壽命的影響，例如電應(yīng)力、熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力等。而發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中影響因素有很多，這些因素都應(yīng)在未來的發(fā)電機(jī)定子絕緣壽命預(yù)測(cè)的工作中有所研究，隨著多種應(yīng)力因素的加入，數(shù)據(jù)的有效性以及模型的復(fù)雜度有待進(jìn)一步研究。

4）提高壽命預(yù)測(cè)模型的實(shí)用性

當(dāng)前壽命預(yù)測(cè)模型多為理論壽命，對(duì)運(yùn)行環(huán)境的變化適應(yīng)能力低且參與計(jì)算的數(shù)據(jù)參數(shù)不足，對(duì)實(shí)際發(fā)電機(jī)生產(chǎn)及運(yùn)行的指導(dǎo)能力較差，未來的研發(fā)方向可以考慮發(fā)電機(jī)壽命預(yù)測(cè)算法與定子絕緣在線監(jiān)測(cè)聯(lián)合，實(shí)時(shí)計(jì)算剩余壽命。這可大大提高絕緣預(yù)測(cè)模型的實(shí)用性。

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