高压电机定子绕组绝缘非均匀老化诊断基于介电谱多指标融合

《Energies》：Non-Uniform Aging Diagnosis of High-Voltage Machine Stator-Winding Insulation Using Multi-Indicator Fusion of Dielectric Spectra

　　

高压电机定子绕组绝缘状况的准确评估对设备安全运行至关重要。传统评估方法将绝缘视为空间均匀体且仅提供整体性评价；然而实践中绝缘壁内劣化呈非均匀分布，靠近铜导体的内层通常劣化更严重，导致现有诊断方法无法准确评价非均匀劣化。针对该空白，研究人员提出一种基于介电谱多指标融合的定子绕组绝缘非均匀老化诊断方法。研究人员建立并实验验证了一个显式纳入非均匀老化的频域介电谱(FDS)仿真模型，利用验证模型生成多种非均匀老化场景下的FDS响应，从中提取量化非均匀程度的多个特征指标，进而构建基于多锚点TOPSIS的非均匀老化评价方法以实现诊断。

研究背景与问题提出

高压电机是电力系统关键设备，其定子绕组绝缘状况直接决定整机运行可靠性与寿命。长期运行中电-热-机械多应力协同作用会引发主绝缘沿厚度方向的非均匀分层老化，其中铜导体为热源，近导体侧绝缘承受更高热应力而劣化更快，易致局部击穿。传统基于频域介电谱(FDS)的评估多假设绝缘整体均匀老化、仅反映平均状态，无法刻画近导体侧局部严重劣化，造成“评估过于乐观、风险识别滞后”的隐患。虽变压器油纸绝缘与电缆交联聚乙烯绝缘的非均匀老化诊断已有积累，但其材料结构、模型精度与评价指标均不能直接迁移至环氧-云母定子绝缘体系。为此，研究人员开展面向高压电机定子绕组环氧-云母绝缘的非均匀老化介电诊断研究，论文发表于《Energies》。

主要关键技术方法

研究人员以额定电压15.75 kV、F级绝缘的高压电机新制定子条槽部取样（60 mm×20 mm×4 mm主绝缘片）经180 ℃热老化5/10/15 d获取不同劣化度材料参数；用IDAX 322在1 mHz–1 kHz、200 V_pp、20 ℃三电极法测FDS获ε_r与σ；基于电准静态(EQS)方程与有限元(FEM)建模仿真均质及多层非均匀老化（层间0.1 mm空气隙等效界面）FDS，以R²与MAPE校验；用修正Davidson-Cole模型（含DC电导与跃迁电导项）借MATLAB lsqcurvefit拟合提取β、ζ、σ_dc等参数；定义一阶差分标准差变异系数(CV)量化非均匀度；构建含健康(H)/轻度(Mi)/中度(Mo)/严重(S)四锚点的多锚点TOPSIS，经对数变换、分位缩放、折线投影与侧向残差惩罚得综合贴近度CMA及0–100绝缘健康评分IHS。

研究结果

1. 2.
   非均匀老化定子绕组绝缘FDS有限元计算模型
   2.1 FDS仿真原理：在1 mHz–1 kHz波段尺寸远小于波长，磁场可忽略，内部场近似电准静态(EQS)，由复数相对介电常数ε_r^*(ω)求解复阻抗Z^*(ω)反演ε′、ε″得FDS曲线。
   2.2 主绝缘劣化试验与材料参数提取：热老化试样FDS显示随老化时间增加ε′与ε″均上升，低频（10^?3–10¹ Hz）界面极化主导变化更明显，高频为取向极化；热老化仅提供材料参数基础，未复现真实电-热-机耦合。
   2.3 基于FEM的FDS仿真模型：单层均质模型仿真与实测对比R²极高、MAPE极小，验证精度。
   2.4 考虑非均匀老化的FDS仿真模型与验证：四层（15 d/10 d/5 d/0 d热老化参数自高压电极向低压电极排列，层间0.1 mm气隙）等效近导体侧重老化梯度；复合模型仿真与多层实测趋势一致，R²=0.9976，ε′、ε″的MAPE分别为4.5928、6.2758，证明可合理复现非均匀老化FDS主趋势。
2. 3.
   主绝缘非均匀老化频域介电响应分析
   3.1 基于修正DC模型的参数辨识：修正DC模型引入β（弛豫时间分布宽度）、ζ（离子/界面跃迁电导幅值）、n（异质界面指数）、σ_dc等；各非均匀场景FDS拟合MAPE<5%，获参数集。
   3.2 定子绕组绝缘非均匀度评价方法
   3.2.1 特征参数选取：以各层FDS一阶差分标准差σ⁽ⁱ⁾的变异系数(CV)定义非均匀度；拟合发现β与非均匀度近似线性，ζ、σ_dc呈指数关系——β反映弛豫分布展宽，ζ表征低频跃迁与界面非理想极化，σ_dc体现等效直流通道增强，三者可表征非均匀老化。
   3.2.2 基于多锚点TOPSIS的非均匀度评价：对ζ、σ_dc取对数后与β构样本向量，设H/Mi/Mo/S四锚点；经分位缩放加权得理想/反理想解算经典贴近度C^*，再将样本投影至H-Mi-Mo-S折线得弧长参数t与侧向偏差d_⊥，用分段校准函数φ修正C^*并通过λ=0.2侧向惩罚得CMA，映射为IHS=100×CMA；分级阈值为健康≥85、注意70–85、退化50–70、危急<50。

讨论与结论翻译

定子绕组绝缘在长期运行中易发生非均匀老化，传统依赖全局响应的FDS诊断难以识别局部劣化，存在误判漏检风险。本文提出基于介电谱建模与多指标融合的评价方法，为主绝缘非均匀老化早期检测与状态评估提供有效手段。主要结论：（1）有限元(FEM)可快速计算均质与非均匀热老化下FDS曲线，支撑非均匀老化频域数据库扩充；（2）修正DC模型中非均匀度参数β、跃迁电导ζ与直流电导σ_dc均与非均匀度呈显著函数关系，可有效表征非均匀老化状态；（3）所提多锚点TOPSIS融合β、ζ、σ_dc，给出非均匀老化程度综合评分框架。本研究聚焦绝缘厚度方向温度梯度导致的非均匀热老化，后续将进一步考察电-热-机耦合应力与随机分布界面缺陷的影响。