發電機作為電力系統的重要組成部分，其工作的穩定性直接影響電力系統供電的質量。根據英國石油公司發布的《世界能源統計年鑒2019》顯示，世界發電量同比增長3.7%，其中一半的增長來自于中國。在這種背景下，發電機的發展趨勢是大容量、高效率。發電機容量的增加對發電機的運行安全有了更高的要求，制造發電機的關鍵技術之一就是定子絕緣技術。

發電機的定子繞組絕緣是發電機的重要組成部分，隨著大電機裝機容量的不斷提高，環境應力對絕緣的影響也在增大。發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熱而導致絕緣老化。

絕緣老化會導致發電機壽命降低，因此研究發電機絕緣的壽命預測對提高發電機的運行穩定性具有重要意義。壽命預測分為前期和后期預測，其中，前期預測是指根據發電機的設計結構，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據，預測絕緣的剩余使用壽命，提前防范由絕緣失效引起的發電機故障。

電機定子絕緣老化機理

定子絕緣是發電機的關鍵部件之一，在工作運行環境中通常會受到電、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。另外運行環境中的粉塵等會導致絕緣表面的漏電現象加重。

在所有統計的發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電機的工作穩定性及安全性，若電機出現預期之外的故障，則會對發電機組的整體運行造成影響，甚至導致大面積停機。

由于發電機損壞造成的維修代價大，若可以根據電機的運行歷史或者電機的在線監測結果獲得定子絕緣的剩余壽命，調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電機組的穩定運行有著極為重要的指導作用。

圖1 發電機事故統計

絕緣預測發展趨勢和展望

為了保證發電機組穩定運行，將發電機在發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據采集的預測。

為了提高發電機設計和運行的穩定性，發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，未來的發展方向應包括以下幾點：

1）提高電機運行數據收集的準確性

在進行數據收集時，往往因為發電機運行環境的不可控性，導致監測數據受到多種因素的干擾。很多情況下，用于預測的監測數據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）減少預測用數據集的樣本量

發電機失效成本高，定子絕緣老化壽命數據很難得到。絕大多數壽命預測方法如線性擬合或者神經網絡法等，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定性，這也是制約發電機絕緣壽命預測發展的因素。因此將研究對象轉向降低預測模型對數據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。而發電機實際運行環境中影響因素有很多，這些因素都應在未來的發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，數據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，對運行環境的變化適應能力低且參與計算的數據參數不足，對實際發電機生產及運行的指導能力較差，未來的研發方向可以考慮發電機壽命預測算法與定子絕緣在線監測聯合，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。