電機(jī)絕緣系統(tǒng)熱壽命預(yù)測

1、電機(jī)絕緣系統(tǒng)熱壽命預(yù)測概述本文根據(jù)化學(xué)動力學(xué)原理，從熱老化化學(xué)反應(yīng)機(jī)理出發(fā)，導(dǎo)出了 目前常用電機(jī)絕緣等級(A、E、B、F、H)的溫度與絕緣系統(tǒng)熱壽命的 半經(jīng)驗(yàn)公式；給出了在一定的運(yùn)行溫度下和任意使用時(shí)間內(nèi)計(jì)算電機(jī) 絕緣系統(tǒng)熱老化損失率的方法；有助于加強(qiáng)對運(yùn)行中電機(jī)的溫度管 理。據(jù)已有的文獻(xiàn)資料介紹，在電動機(jī)總損壞率中因過熱而損壞的約 占25%。最后結(jié)合我廠運(yùn)行中電動機(jī)的實(shí)例， 計(jì)算了四臺高、低壓異 步電動機(jī)的年度熱老化損失率，為完善電機(jī)實(shí)際壽命定量化的預(yù)測， 提供了一定的依據(jù)。1絕緣系統(tǒng)熱老化理論按照化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)原理，反應(yīng)速度dc/d .與反應(yīng)物濃度C有如下 關(guān)系：-dc/d = KCn(1

2、)式中：n反應(yīng)級數(shù)；K反應(yīng)速度常數(shù)。根據(jù)國內(nèi)外對電機(jī)絕緣系統(tǒng)熱評定的試驗(yàn)結(jié)果，可知電機(jī)絕緣系統(tǒng)的熱老化符合一次反應(yīng)，即n=1，因此得到：ln - -K(2)Co式中：Co 反應(yīng)物的初始濃度;C時(shí)間.為時(shí)的反應(yīng)物濃度。參照電機(jī)絕緣系統(tǒng)的實(shí)際情況，設(shè)材料的性能P是濃度C的函數(shù)， 即 P = (C)，或 C = f (P)。則 In f(P)/f(P。)一K.(3)式中：P。二(Co)為材料的初始性能。上面的質(zhì)量作用定律表明，反應(yīng)速度不僅與反應(yīng)物濃度有關(guān)，而 且還與速度常數(shù)K有關(guān)。由阿累尼烏斯方程得到：dln K EdT - RT2或: K 二 Ze-旦(4)RT式中：E 反應(yīng)的活化能；R 氣體常數(shù)

3、；T 絕對溫度；Z 碰撞系數(shù)；e 自然對數(shù)的底；將式代入式得：In f (P)/ f (F0) =Ze- E (5)RT當(dāng)壬二嘰時(shí)，性能P =Pl，即此時(shí)絕緣系統(tǒng)的性能已下降到極限值， 則該系統(tǒng)已告壽終，此時(shí)l即為電機(jī)絕緣系統(tǒng)的熱壽命(運(yùn)行小時(shí))。將(5)式進(jìn)一步簡化并取對數(shù)，得到：Alg lA B式中：A、B 為特定絕緣系統(tǒng)的常數(shù)。顯然，方程式(6)的變量是暴露溫度和對應(yīng)于該溫度的損壞時(shí)間 常數(shù)A與B的數(shù)值是用于特定絕緣系統(tǒng)的材料及其相互作用的函數(shù)。其中常數(shù)A二E/R 0.434，反映了特定絕緣系統(tǒng)材料的化學(xué)反應(yīng)活化能；而常數(shù)B = lg丄1 n f（PL）/f（P。）則體現(xiàn)了這些材料相互作

4、用的碰撞2系統(tǒng)。2、半經(jīng)驗(yàn)公式的導(dǎo)出（6）式中二個(gè)常數(shù)的數(shù)值確定不僅需要一個(gè)廣泛而又復(fù)雜的試驗(yàn) 過程，而且把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成實(shí)際電機(jī)的熱壽命還需要很多的試驗(yàn)。 然而對于分析預(yù)測來說，為了估計(jì)電機(jī)壽命的非正常溫度對壽命周期 計(jì)算的影響，引用過去貫用的“經(jīng)驗(yàn)概測法”和國際電工委員會（IEC） 推薦的“溫度指數(shù)”作為已知條件，確定上述二個(gè)常數(shù)還是合理的?！敖?jīng)驗(yàn)概測法”指出：“電機(jī)的使用溫度每升高10C （A、E級為8C）則絕緣系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性降低一半， 反之亦然?！币詳?shù)學(xué)形式表示：L 二 m ； 一 - t / 2 二 m （7）式中：t表示溫度為tC時(shí)的絕緣系統(tǒng)熱壽命； t _m二一表示溫度為t _m

5、匚時(shí)的絕緣系統(tǒng)熱壽命；m 溫度變化系數(shù)；匚一溫度變化量（A、E級二=8C, B、F、H級二=10C ）+對應(yīng)于溫升；-對應(yīng)于溫降。至于“溫度指數(shù)”即指電機(jī)絕緣系統(tǒng)熱老化壽命曲線上相當(dāng)于壽 命為25000小時(shí)的溫度值。從目前對電機(jī)絕緣系統(tǒng)的熱評定標(biāo)準(zhǔn)來 看，該溫度值一般均指絕緣耐熱分級標(biāo)準(zhǔn)的極限溫度。見下表 1表1絕緣的耐熱分級耐熱分級極限溫度C）最熱點(diǎn)溫度與平均溫度 的差值（C）A1055E1205B13010F15515H18015表中的極限溫度就是允許的最高工作溫度。由于實(shí)際使用中電機(jī)并不經(jīng)常處于最高工作溫度下運(yùn)行，因此絕緣系統(tǒng)的熱壽命 往往超過25000小時(shí)。一般認(rèn)為，低壓電動機(jī)的平均壽

6、命為15年, 而高壓電動機(jī)的平均壽命為20年。這里特別需要強(qiáng)調(diào)的是：當(dāng)用絕緣材料組成絕緣系統(tǒng)時(shí)，不 能僅以單一絕緣材料的溫度指數(shù)來確定絕緣系統(tǒng)的熱老化壽命或 耐熱等級，其原因是：（1）由于對各種絕緣材料的要求不同，因此相應(yīng)的溫度指數(shù) 亦不同；（2）在由多種材料構(gòu)成的絕緣系統(tǒng)中，不同種類材料的相容 性會影響熱性能或其它性能。顯然，相容性主要取決于絕緣系統(tǒng) 的合理組合以及制造工藝上的保證。在應(yīng)用“經(jīng)驗(yàn)概測法”和“溫度指數(shù)”聯(lián)立求解 （6）式中二個(gè) 常數(shù)時(shí)，溫度變化系數(shù) m的不同取值將會引起一定的誤差，為減 少由此而引起的計(jì)算誤差，文中取 m = _1、2,然后再取平均值， 最終定出A、B常數(shù)?，F(xiàn)將

7、推算的電機(jī)絕緣系統(tǒng)熱壽命預(yù)測的半經(jīng)驗(yàn)公式列出如下:,5300.687 門“l(fā)g A9.625T5683.12110.064lg Elg BT4808 _7.533lg FT5428.4948.286lg -HT6086.495 9.038注：上述五式中，等式左邊的下標(biāo)均指對應(yīng)的絕緣等級。為便于對不同絕緣等級的熱壽命進(jìn)行比較， 本文將五種絕緣等級 的溫度與熱壽命的對應(yīng)關(guān)系繪于同一張阿累尼烏斯圖中。見阿累尼烏斯圖。運(yùn)行小時(shí)需要說明，從(6)式中可以看出，溫度的倒數(shù)與熱壽命的對數(shù)為線 性關(guān)系。然而在導(dǎo)出半經(jīng)驗(yàn)公式時(shí)，由于溫度變化量取值的階越性, 給阿累尼烏斯圖的繪制帶來一定的離散性。 因此，圖中給出

8、的是以最 佳直線趨勢為原則來擬合的。盡管如此，這并不影響常用絕緣等級的 分析比較。3、熱老化損失率的計(jì)算鑒于石油化工企業(yè)連續(xù)生產(chǎn)的特點(diǎn)，以及考慮到環(huán)境溫度的影 響，本文按月(720小時(shí))計(jì)算月度熱老化損失率，最后將月度熱老化 損失率相加，得出年度(8760小時(shí))的熱老化損失率。因此，設(shè)：i對應(yīng)于電機(jī)絕緣系統(tǒng)第i月平均最高工作溫度的計(jì)算壽命；i 對應(yīng)于i的月度熱老化損失率，即： 720/ i ；年度熱老化損失率，即：12=I。i 4現(xiàn)以我廠運(yùn)行中高、低壓異步電動機(jī)為例，文中收集、整理和補(bǔ) 充了四臺異步電動機(jī)的運(yùn)行記錄， 應(yīng)用半經(jīng)驗(yàn)公式，按上述計(jì)算熱老 化損失率的方法進(jìn)行計(jì)算?，F(xiàn)將四臺異步電動機(jī)的

9、銘牌數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié) 果列于表2。表2序號額定 功率(KW)額定 電壓(V)額定 電流(A)絕緣 等級極數(shù)制造廠年度熱 老化損 失率入I225600027F4AEG0.31 %n3038057F4BBC3.33 %川550600046A6上海電 機(jī)廠1.65 %IV3038056B8佳木斯 電機(jī)廠3.86 %說明，上述四臺電動機(jī)的溫度測量，除序號皿為定子鐵芯溫 度計(jì)法外，其余都是用電阻法測量，故這些數(shù)據(jù)僅反映了繞組的 平均溫度，而并不是繞組的最熱點(diǎn)溫度。根據(jù) IEC 規(guī)定，繞組的 最熱點(diǎn)溫度與平均溫度之間的差別見表 1。因此，測得的溫度在計(jì) 算時(shí)均應(yīng)加上繞組最熱點(diǎn)溫度與平均溫度的差值。4 、結(jié)論表2中的計(jì)算結(jié)果表明：盡管是相同的絕緣等級（見序號I、 II）低壓電動機(jī)的熱老化損失率幾乎是高壓電動機(jī)熱老化損失率 的 10倍，從而進(jìn)一步說明了溫度是影響