电机绝缘系统热寿命预测

电机绝缘系统热寿命预测概述本文根据化学动力学原理，从热老化化学反应机理出发，导出了目前常用电机绝缘等级（A、E、B、F、H）的温度与绝缘系统热寿命的半经验公式；给出了在一定的运行温度下和任意使用时间内计算电机绝缘系统热老化损失率的方法；有助于加强对运行中电机的温度管理。据已有的文献资料介绍，在电动机总损坏率中因过热而损坏的约占25%。最后结合我厂运行中电动机的实例，计算了四台高、低压异步电动机的年度热老化损失率，为完善电机实际寿命定量化的预测，提供了一定的依据。1、绝缘系统热老化理论按照化学反应动力学原理，反应速度dc/d€与反应物浓度C有如下关系：—dc/d€—KCn式中：n—反应级数；K—反应速度常数。根据国内外对电机绝缘系统热评定的试验结果，可知电机绝缘系统的热老化符合一次反应，即n-1，因此得到：In―=-KtC0式中：C—反应物的初始浓度；0C—时间€为时的反应物浓度。参照电机绝缘系统的实际情况，设材料的性能P是浓度C的函数,即P,©(C)，或C,f(P)。则Inf(P)/f(P)，-K€0式中：p，e(c)为材料的初始性能。00上面的质量作用定律表明，反应速度不仅与反应物浓度有关，而且还与速度常数K有关。由阿累尼乌斯方程得到：dlnK,EdT_RT2或：K，Ze-—(4)RT式中：E—反应的活化能；R—气体常数；T—绝对温度；Z—碰撞系数；e—自然对数的底；将(4)式代入(3)式得：Elnf(P)/f(P)，Ze—„€0RT当€，€时，性能P，P，即此时绝缘系统的性能已下降到极限值,LL则该系统已告寿终，此时€即为电机绝缘系统的热寿命(运行小时)。L将(5式)进一步简化并取对数，得到：A(6)lg€lT…B式中：A、B—为特定绝缘系统的常数。显然，方程式(6的)变量是暴露温度和对应于该温度的损坏时间。常数A与B的数值是用于特定绝缘系统的材料及其相互作用的函数。其中常数A二E/R€0.434，反映了特定绝缘系统材料的化学反应活化能；而常数B二lg［，Zlnf(P)/f(P)］则体现了这些材料相互作用的碰撞2L0系统。2、半经验公式的导出(6式)中二个常数的数值确定不仅需要一个广泛而又复杂的试验过程，而且把这些数据转化成实际电机的热寿命还需要很多的试验。然而对于分析预测来说，为了估计电机寿命的非正常温度对寿命周期计算的影响，引用过去贯用的“经验概测法”和国际电工委员会推荐的“温度指数”作为已知条件，确定上述二个常数还是合理的。“经验概测法”指出：“电机的使用温度每升高0A级为°C则绝缘系统的热稳定性降低一半，反之亦然。”以数学形式表示:„土m=„/2土mLt式中：„—表示温度为tC时的绝缘系统热寿命；t„±m—表示温度为t土mxo时的绝缘系统热寿命；tm—温度变化系数；…一温度变化量、级O=C,BF级o=0—对应于温升；-—对应于温降。至于“温度指数”即指电机绝缘系统热老化寿命曲线上相当于寿命为2500小0时的温度值。从目前对电机绝缘系统的热评定标准来看，该温度值一般均指绝缘耐热分级标准的极限温度。见下表表1绝缘的耐热分级耐热分级极限温度°C最热点温度与平均温度的差值C表中的极限温度就是允许的最高工作温度。由于实际使用中电机并不经常处于最高工作温度下运行，因此绝缘系统的热寿命往往超过25000小时。一般认为，低压电动机的平均寿命为15年，而高压电动机的平均寿命为20年。这里特别需要强调的是：当用绝缘材料组成绝缘系统时，不能仅以单一绝缘材料的温度指数来确定绝缘系统的热老化寿命或耐热等级，其原因是：（1）由于对各种绝缘材料的要求不同，因此相应的温度指数亦不同；（2）在由多种材料构成的绝缘系统中，不同种类材料的相容性会影响热性能或其它性能。显然，相容性主要取决于绝缘系统的合理组合以及制造工艺上的保证。在应用“经验概测法”和“温度指数”联立求解（6）式中二个常数时，温度变化系数的不同取值将会引起一定的误差，为减少由此而引起的计算误差，文中取m=±i2然后再取平均值，最终定出A、B常数。现将推算的电机绝缘系统热寿命预测的半经验公式列出如下：5300.687lg,二一9.625AT5683.121lg,二一10.064ET4808.121lg,二—7.533BT5428.494lg,二一8.286FT6086・495—9.038HT注：上述五式中，等式左边的下标均指对应的绝缘等级。为便于对不同绝缘等级的热寿命进行比较，本文将五种绝缘等级的温度与热寿命的对应关系绘于同一张阿累尼乌斯图中。见阿累尼乌斯图。运行小时tZ/X/Z/////7/Z//X/////，•一-pLx///////Z7./Z/温度倒数需要说明，从(6)式中可以看出，温度的倒数与热寿命的对数为线性关系。然而在导出半经验公式时，由于温度变化量取值的阶越性，给阿累尼乌斯图的绘制带来一定的离散性。因此，图中给出的是以最佳直线趋势为原则来拟合的。尽管如此，这并不影响常用绝缘等级的分析比较。3、热老化损失率的计算鉴于石油化工企业连续生产的特点，以及考虑到环境温度的影响，本文按月（720小时）计算月度热老化损失率，最后将月度热老化损失率相加，得出年度（8760小时）的热老化损失率。因此，设：€—对应于电机绝缘系统第月平均最高工作温度的计算寿命；i九一对应于€的月度热老化损失率，即：九，720/€；iiii九一年度热老化损失率，即：九，九ioi,1现以我厂运行中高、低压异步电动机为例，文中收集、整理和补充了四台异步电动机的运行记录，应用半经验公式，按上述计算热老化损失率的方法进行计算。现将四台异步电动机的铭牌数据和计算结果列于表2。表序号额定功率额定电压额定电流绝缘等级极数制造厂年度热老化损失率入I%II3III上海电机厂6佳木斯电机厂8说明，上述四台电动机的温度测量，除序号III为定子铁芯温度计法外，其余都是用电阻法测量，故这些数据仅反映了绕组的平均温度，而并不是绕组的最热点温度。根据规定，绕组的最热点温度与平均温度之间的差别见表1。因此，测得的温度在计算时均应加上绕组最热点温度与平均温度的差值。、结论表中的计算结果表明：尽管是相同的绝缘等级见序号I、II低压电动机的热老化损失率几乎是高压电动机热老化损失率的10倍，从而进一步说