發(fā)電機作為電力系統(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)英國石油公司發(fā)布的《世界能源統(tǒng)計年鑒2019》顯示，世界發(fā)電量同比增長3.7%，其中一半的增長來自于中國。在這種背景下，發(fā)電機的發(fā)展趨勢是大容量、高效率。發(fā)電機容量的增加對發(fā)電機的運行安全有了更高的要求，制造發(fā)電機的關鍵技術之一就是定子絕緣技術。

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

例如在電機設計制造時，沒有在容易出現(xiàn)電場集中的部位做強化處理會導致絕緣失效，或者由于頻繁起動而造成定子繞組絕緣受到操作過電壓的沖擊，加速了電機絕緣老化，或者由于絕緣本身的損耗使部件發(fā)熱而導致絕緣老化。

絕緣老化會導致發(fā)電機壽命降低，因此研究發(fā)電機絕緣的壽命預測對提高發(fā)電機的運行穩(wěn)定性具有重要意義。壽命預測分為前期和后期預測，其中，前期預測是指根據(jù)發(fā)電機的設計結構，結合絕緣材料的絕緣性能，在設計初期預測絕緣的使用壽命；后期預測就是常見的發(fā)電機絕緣的剩余壽命的預測，在運行過程中，獲取大量絕緣性能表征數(shù)據(jù)，預測絕緣的剩余使用壽命，提前防范由絕緣失效引起的發(fā)電機故障。

電機定子絕緣老化機理

定子絕緣是發(fā)電機的關鍵部件之一，在工作運行環(huán)境中通常會受到電、熱和機械等因素的作用使定子絕緣的絕緣性能和力學性能逐漸下降，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，影響絕緣的力學性能；同時電老化會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。另外運行環(huán)境中的粉塵等會導致絕緣表面的漏電現(xiàn)象加重。

在所有統(tǒng)計的發(fā)電機事故的故障因素中，絕緣損壞造成的事故所占比例過半，如圖1所示。電機定子線棒絕緣性能直接影響發(fā)電機的工作穩(wěn)定性及安全性，若電機出現(xiàn)預期之外的故障，則會對發(fā)電機組的整體運行造成影響，甚至導致大面積停機。

由于發(fā)電機損壞造成的維修代價大，若可以根據(jù)電機的運行歷史或者電機的在線監(jiān)測結果獲得定子絕緣的剩余壽命，調(diào)度人員就能提前準備停機修繕。因此電機絕緣壽命的預測對于發(fā)電機組的穩(wěn)定運行有著極為重要的指導作用。

圖1 發(fā)電機事故統(tǒng)計

絕緣預測發(fā)展趨勢和展望

為了保證發(fā)電機組穩(wěn)定運行，將發(fā)電機在發(fā)生絕緣損壞之前退出運行，就要進行電機定子絕緣老化評估以及壽命預測。近年來，電機絕緣剩余壽命預測的方法有三種：基于回歸分析的預測、基于智能算法的預測和基于數(shù)據(jù)采集的預測。

為了提高發(fā)電機設計和運行的穩(wěn)定性，發(fā)電機的絕緣預測手段需要進一步在實用性和準確性上做出改進，綜合當前的研究成果，未來的發(fā)展方向應包括以下幾點：

1）提高電機運行數(shù)據(jù)收集的準確性

在進行數(shù)據(jù)收集時，往往因為發(fā)電機運行環(huán)境的不可控性，導致監(jiān)測數(shù)據(jù)受到多種因素的干擾。很多情況下，用于預測的監(jiān)測數(shù)據(jù)可能沒有控制在同一變量下，這就使得在進行單因子預測討論時受到其余因素的干擾，造成預測結果的偏差。

2）減少預測用數(shù)據(jù)集的樣本量

發(fā)電機失效成本高，定子絕緣老化壽命數(shù)據(jù)很難得到。絕大多數(shù)壽命預測方法如線性擬合或者神經(jīng)網(wǎng)絡法等，常常需要大量的樣本集來進行擬合或訓練以保證模型輸出結果的穩(wěn)定性，這也是制約發(fā)電機絕緣壽命預測發(fā)展的因素。因此將研究對象轉(zhuǎn)向降低預測模型對數(shù)據(jù)的依賴性是推動絕緣預測方法應用于工程的重要思路。

3）改進多因素老化模型

當前的預測方法多為討論某幾個應力因素對絕緣壽命的影響，例如電應力、熱應力、機械應力等。而發(fā)電機實際運行環(huán)境中影響因素有很多，這些因素都應在未來的發(fā)電機定子絕緣壽命預測的工作中有所研究，隨著多種應力因素的加入，數(shù)據(jù)的有效性以及模型的復雜度有待進一步研究。

4）提高壽命預測模型的實用性

當前壽命預測模型多為理論壽命，對運行環(huán)境的變化適應能力低且參與計算的數(shù)據(jù)參數(shù)不足，對實際發(fā)電機生產(chǎn)及運行的指導能力較差，未來的研發(fā)方向可以考慮發(fā)電機壽命預測算法與定子絕緣在線監(jiān)測聯(lián)合，實時計算剩余壽命。這可大大提高絕緣預測模型的實用性。

本文編自《電工技術學報》，原文標題為“電機定子絕緣老化壽命預測研究進展”，作者為高俊國、孟睿瀟 等。