基于Wiener_过程的电机主绝缘材料寿命预测方法

成电机故障,电机故障中有三成以上都是电机绝缘
试验,选用最大局部放电量作为电机主绝缘材料的
故障
[1]
。 研究电机主绝缘材料退化过程,预测电机
主绝缘材料寿命,对减少电机故障和提升电机可靠
性具有重要意义。
退化特征量,建立基于 Wiener 过程的电机主绝缘材
料退化模型并利用极大似然估计法得出模型中的未
知参数,进而得到电机主绝缘材料在加速应力下的
作者简介:李贵衡(1998—) ,男,硕士研究生,研究方向为电机可靠性;
Wiener process parameters under accelerated stress and the data of the accelerated degradation test were
的关系。 部分学者对电机主绝缘材料聚酰亚胺在高
电机运行过程中,导致其主绝缘材料退化的最
温下的力为热应力。 高温使绝缘材料中电子的动能
酰亚胺薄膜进行高温试验,并利用热重法分析了聚
保持在高水平状态,且温度升高会加速绝缘材料中
酰亚胺在高温下的动力学规律,得出聚酰亚胺具有
意义。 本文对高性能电机主绝缘材料 6050 聚酰亚胺薄膜进行恒定温度应力加速退化试验,得到不
同温度应力下电机主绝缘材料的三种指标参数。 选取线性的最大局部放电量为退化特征量,并建
立基于 Wiener 过程的电机主绝缘材料退化模型。 利用极大似然估计法对 Wiener 过程中的未知参
数进行估计,得到不同温度应力下电机主绝缘材料寿命的概率密度曲线与可靠度曲线。 利用加速
部分电子的激发,进而提高放电机率。 同时,高温会
良好热稳定性的结论。 文献[5] 采用两步合成法研
使绝缘材料内部发生水解、氧化、裂化等化学反应,
究了聚酰亚胺的热稳定性,并利用热分析法探究了
这些化 学 反 应 的 速 率 决 定 着 绝 缘 材 料 退 化 的 速
温度应力对聚酰亚胺热分解反应速率的影响,结果
based on Wiener process
LI Guiheng1,2 , ZHANG Jian3 , HUANG Shaopo4 , XIANG Shihu1,2 ,
NIU Feng1,2 , FANG Youtong3
(1. Key Lab of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability of Hebei Province, Hebei University of Technology,
Tianjin 300401, China; 2. State Key Lab of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment, Hebei University of
Technology, Tianjin 300401, China; 3. School of Electric and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;
目前,国内外大部分对于电机绝缘材料退化的
研究均聚焦于借助局部放电量来判定绝缘材料的退
化情况。 文献[2] 深入研究了绝缘材料表面电荷的
运动过程,并描述了其内部的物理化学反应,得到了
寿命分布与可靠度函数。 最后利用高温下 Wiener
过程的参数估计值与加速退化试验数据建立 Arrhe-
nius 模型,实现常温下电机主绝缘材料的寿命预测。
表明聚酰亚胺在高温下的热分解速率较低,即聚酰
亚胺具有优越的耐热能力。
Wiener 过程模型参数较少, 预测精准度较高,
因而被广泛用于各种设备和材料的退化建模
[6 - 8]
。
文献[9] 采用融入剩余寿命自适应预测方法的 Wie-
率 [14] 。 所以绝缘材料的退化速率与温度应力关系
密切,并且在实际加速退化试验中,温度应力相较其
李贵衡等:基于 Wiener 过程的电机主绝缘材料寿命预测方法
41
used to establish the Arrhenius model, and the pseudo failure life of the motor GW insulation material under normal temperature stress was deduced. The article provides theoretical guidance for the life prediction and efficient operation and maintenance of motor GW insulation material under different temperatures, and provides support for the reliability improvement of motor system.
他应力更易于调控。 因此,本文选择温度作为加速
退化应力。
1. 2 加速退化试验设计
聚酰亚胺长期使用温度范围为 - 200 ~ 300 ℃ ,
ner 过程描述桥梁结构的退化过程,实现了桥梁结
选择略低于其长期最高工作温度的 290 ℃ 为最低加
非线性漂移的 Wiener 过程模型,在模型表达式中加
高温度 300 ℃ , 以 此 类 推 T3 , T4 分 别 设 置 为 310、
张 健(1980—) ,男,博士,教授,博士生导师,研究方向为永磁电机、电机状态监测与智能化故障诊断、面向大数据的装备健康管理等;
lation material based on the Wiener process was established. The Maximum likelihood estimation method
was used to estimate the unknown parameters in the Wiener process, and the life probability density curve
4. College of Information Engineering, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617, China)
Abstract:The ground-wall( GW) insulation performance is one of the important indexes of motor reliability evaluation. The constant temperature stress accelerated degradation test of high-performance motor insulation material 6050 polyimide film was carried out, and three index parameters of the motor GW insu-
Keywords:motor insulation; life prediction; accelerated degradation; Wiener process; Arrhenius model
现样本个体间的退化差异,使退化模型更符合工程
0 引 言
实际。 文献[12] 和文献[13] 建立了考虑退化过程
第 27 卷 第 11 期
2023 年 11 月
电 机 与 控 制 学 报
Electri c Machines and Control
Vol. 27 No. 11
Nov. 2023
基于 Wiener 过程的电机主绝缘材料寿命预测方法
李贵衡1,2 , 张健3 , 黄少坡4 , 项石虎1,2 , 牛峰1,2 , 方攸同3
DOI:10. 15938 / j. emc. 2023. 11. 005
中图分类号:TM344. 6
文献标志码:A
文章编号:1007- 449X(2023)11- 0040- 08
Life prediction method of motor ground-wall insulation material
应力下的 Wiener 过程参数和加速退化试验数据建立阿伦尼斯模型,进而外推出正常温度应力下电
机主绝缘材料的伪失效寿命。 本文为不同温度下电机主绝缘材料的寿命预测和高效运维提供了理
论指导,为电机系统的可靠性提升提供支撑。
关键词:电机绝缘;寿命预测;加速退化;Wiener 过程;Arrhenius 模型
寿命试验方法总则》 ( GB 2689. 1—1981) 与试验成
本等实际因素,制定出 6050 聚酰亚胺薄膜的加速退
化试验方案:以 0. 25 mm 的 6050 聚酰亚胺薄膜为
电 机 与 控 制 学 报 第 27 卷
(1. 河北工业大学 河北省电磁场与电器可靠性重点实验室,天津 300401; 2. 河北工业大学 省部共建电工装备可靠性
与智能化国家重点实验室,天津 300401; 3. 浙江大学 电气工程学院,浙江 杭州 310027;
4. 北京石油化工学院 信息工程学院,北京 102617)
摘 要:主绝缘性能是电机可靠性评估的重要指标之一,对电机主绝缘材料进行寿命预测具有重要
lation material under different temperature stress were obtained. The linear maximum partial discharge
was selected as the degradation characteristic quantity, and the degradation model of the motor GW insu-
and reliability curve of the motor GW insulation material under different temperature stress were obtained.
收稿日期: 2022 - 11 - 11
基金项目:国家自然科学基金(52322702,52077054)
黄少坡(1986—) ,男,博士,讲师,硕士生导师,研究方向为电机状态监测与故障诊断。
通信作者:牛 峰
第 11 期
电机是电力工业中的关键设备,其可靠性很大
程度上取决于绝缘结构与绝缘材料性能。 随着电机
中各种随机性的步进应力加速退化模型,提升了步
进应力模型的预测精度。
服役时间的增加,其在运行过程中承受的热应力、电
本文在分析电机主绝缘材料退化机理的基础
应力、环境应力等会加速绝缘的不可逆退化,甚至造
上,对电机主绝缘材料进行恒定温度应力加速退化
构剩余寿命的自适应预测。 文献[10] 提出了融入
入标准布朗运动描述退化过程的随机性,并推导出
相应的寿命概率密度函数与分布函数的数学表达
式。 文献[11] 考虑了 Wiener 过程模型参数的随机
性,假设不同样本的漂移参数服从正态分布,以此体
速应力水平 T1 ,应力水平 T2 设定为其长期工作的最
320 ℃ 。 综合国家标准《 恒定应力寿命试验和加速
本文为不同温度下电机主绝缘材料的寿命预测提供
绝缘材料表面电荷数量与局部放电量之间的关系。
理论指导,提高电机主绝缘的可靠性。
文献[3] 比较了不同电应力下绝缘材料局部放电量
1 加速退化试验
的变化规律,并建立了绝缘材料的剩余寿命预测模
型,进而得到绝缘材料局部放电量与剩余寿命之间
1. 1 加速应力的选取