上升沿對漆包線耐電暈性能的影響分析

作者/王湄，福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院

上升沿對漆包線耐電暈性能的影響分析

作者/王湄，福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院

為研究上升沿對耐電暈漆包線熱老化壽命的影響，使用多家不同企業(yè)生產(chǎn)的同一型號的耐電暈漆包線進行測試，進行結(jié)果比對，得出脈沖上升時間越短，脈沖上升沿越陡，耐電暈時間越短，反之則越長。同時強調(diào)為了保證對稱的要點，下降沿時間應與上升沿時間相同，即試驗波形應選擇雙極性對稱性脈沖方波。

上升沿；耐電暈；影響

變頻電機用耐電暈漆包線是近幾年來新發(fā)展起來的品種，近年來國內(nèi)外各生產(chǎn)廠家都投入大量精力開發(fā)不同類型的耐電暈漆包線。漆包線耐電暈性能直接影響到了變頻電機的壽命，只有良好的耐電暈漆包線，才能使整機的使用達到安全、高效、耐用等指標；對于漆包線的耐電暈測試技術(shù)及其要求，IEC62068 對其測試條件里的測試溫度、測試頻率、測試電壓、脈沖上升時間、波形結(jié)構(gòu)等要素有一個寬泛的要求，而這些范圍由于過于寬廣，可能使得測試結(jié)果大相徑庭，所以需要固定相關(guān)參數(shù)進行測試，變頻電機的國家標準GB/T21707 對其使用的變頻漆包線的耐電暈性能做了相對固定的測試規(guī)定，目前大部分廠家和用戶都在參考使用。近年來由于納米技術(shù)的飛速發(fā)展，耐電暈絕緣填料的種類不斷增多，漆包線耐電暈性能得到了空前提升，但是漆包線耐電暈測試標準仍然滯后，使得此方面的需求日益嚴峻。目前國內(nèi)涉及到耐電暈漆包線的標準有GB/T21707-2008《變頻調(diào)速專用三相異步電動機絕緣規(guī)范》、JB/T10930-2010《200級耐電暈漆包銅圓線》GB/T24122-2009《耐電暈漆包線用漆》等，這些標準都對各種不同絕緣材料組成的變頻漆包線的耐電暈性提出性能要求。但沒有相對應的試驗方法標準，各廠家、檢驗機構(gòu)試驗條件差距較大，造成同個產(chǎn)品的測試數(shù)據(jù)差異很大。耐電暈漆包線的生產(chǎn)廠家對產(chǎn)品質(zhì)量的檢測十分不便，也無法比較國內(nèi)外各生產(chǎn)廠產(chǎn)品的水平和優(yōu)勢，而檢測機構(gòu)在監(jiān)管監(jiān)測方面也無標準可依。因此必須確定統(tǒng)一試驗方法及試驗參數(shù)。目前，由很多研究人員正在著力研究耐電暈檢測各參數(shù)的影響，本文重點研究上升沿對耐電暈漆包線熱老化壽命的影響。

上升沿又稱脈沖上升時間，指由零電位開始施加電壓到指定的電壓值，電壓上升過程成為上升沿，一般指從脈沖幅度的10%處上升到幅度的90%處所需的時間。這個過程是電壓增大的過程。對于雙極性而言，3000V實際是由電壓±1500V兩次沖擊，上升沿以零電位至峰值計算（見圖1、圖2）。

IEC標準中明確定義了“脈沖上升時間”為電壓幅值從峰值的10%上升至90%所需的時間，這個時間非常短，用納秒計，嚴格的定義是從脈沖峰值10%到90%之間的間隔的1.25 倍；IEC規(guī)定UP指的是單極式?jīng)_擊電壓期間能夠到達的最高電壓數(shù)值，具體解釋一下這個單極式?jīng)_擊電壓，它是指極性為正極或負極的沖擊電壓。因此，對于雙極性對稱型方波脈沖而言，脈沖上升時間為其單極式?jīng)_擊電壓期間，從峰值的10%上升至峰值的90%所需的時間，不難理解，就是以零電位為原點，從峰值的10%上升至峰值的90%所需的時間。在對脈沖電壓上升時間進行示波器測量時，應注意是使用沖擊電壓的峰值。

圖1

圖2

接下來來論證一下脈沖上升沿對變頻電機用漆包線耐電暈的影響。

1.試驗條件

試樣應在溫度為（25±5）℃；相對濕度（50±5）%的條件下進行，測量前試樣應在上述環(huán)境下放置足夠的時間進行預處理，使試樣達到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.試驗對象

200級耐電暈漆包銅圓線 QP-2/200。

3.樣品預處理

（1）每組試驗具取長約400mm的試樣五根；

（2）將試樣對折，在扭絞機上扭絞成（125±5）mm的線對，將兩端并緊。扭絞時施加在線對上的力和扭絞數(shù)應符合表1中的規(guī)定；

（3）取下試樣，將扭絞試樣的端環(huán)在兩處剪開，剪開部分的選擇應保證被剪開處試樣的兩個端頭間距最大；

（4）將扭絞試樣另一端除去絕緣；

（5）分開扭絞試樣兩端的端頭，使之具有適當?shù)木嚯x，但應避免過分彎曲或損壞絕緣。

表1 施加在線對上的負荷和扭絞數(shù)

4.試驗結(jié)果

我們選擇五個企業(yè)生產(chǎn)的同一型號規(guī)格的漆包線標記為A、B、C、D、E，每一組各有四個試樣，樣品預處理的方法按照上文所描述，將樣品制成扭絞的線對。在分別施加如表2所示的脈沖上升時間。試樣的被擊穿時間如表2所示。

表2

由表2中我們可以看到，當脈沖上升時間越短，即脈沖上升沿越陡，脈沖電壓的諧波頻率也就越高，這就相當于電壓變化的加速度也越大，對樣品的電壓沖擊力越大，絕緣材料所受的傷害就越大，耐電暈時間也就越短。而當脈沖上升時間設定為50ns時，所有的試樣的均在較短時間內(nèi)被擊穿，反之則耐電暈時間延長，且試樣間的擊穿時間差異較大。這是因為電磁線在生產(chǎn)過程中，因為設備、環(huán)境、人為等客觀和主觀原因，造成一些無法避免的細小的缺陷，而這些缺陷往往在進行試驗時確是致命的，因為缺陷一般就是電場較為集中的地方。試樣的表面電荷在較短的脈沖電壓上升沿下積累的較多，且一部分偶極子在脈沖電壓下的快速上升時間作用下無法跟上外施電場的迅猛變化，這就造成了試樣的表面電位差變大，而變大的電位差則會造成扭絞線對表面或內(nèi)部放電，絕緣材料在這種頻繁的放電過程中遭到破壞，在較短時間內(nèi)被擊穿。

典型的脈沖的上升時間通常為0.1～1μs，而GB/T24122-2009《耐電暈漆包線用漆》標準中是0.08～2.5μs，這只是理論值，理論值一般在研究中只能參考，而我們做了大量的比對試驗顯示，扭絞線對作為脈沖電源的負載，它本身的電容值對脈沖上升時間的影響很大。特別當電源對扭絞線對充電時，如果其負載的電容較大，脈沖上升時間會變得比較緩慢，上升沿較長；而當其負載的電容值較小時結(jié)果則相反。因此在進行該試驗時，應充分考慮試驗樣品的電容值可能造成的影響，并盡量量化，如果只簡單按照設備裝置給出的空載上升時間，得出的試驗結(jié)果準確性將大打折扣。

另外，從脈沖上升沿的定義可以看出，脈沖電壓的峰值對上升沿的設定有一定的影響。所以在試樣進行試驗時，更應關(guān)注脈沖電壓的上升率。脈沖電壓上升率是指0.8倍的脈沖電壓幅值除以零到峰值脈沖電壓10%～90%的時間間隔。在很多實際試驗中，因為扭絞線對負載時的電容值對試驗的影響量化較困難，故而設備裝置給出的都是空載的脈沖上升時間。而這是理想狀態(tài)，在研究試驗中卻不得不考慮扭絞線對本身電容值會帶來影響這一客觀存在現(xiàn)象。而且根據(jù)我們的研究試驗表明，設備在加上負載之后，應設定比空載上升時間更長的脈沖電壓上升時間才比較符合實際，結(jié)果也更有可取性。

現(xiàn)如今國內(nèi)外各廠家和檢測機構(gòu)在測量耐電暈性能的試驗中，采用的脈沖電壓上升沿一般是100ns，因為一般的耐電暈漆包線在100ns試驗條件下，大部分都能保證試驗結(jié)果在十幾個小時或者更長，可取性較好。

在這個參數(shù)的研究過程中，我們發(fā)現(xiàn)脈沖下降時間也是一個很值得進行描述的參數(shù)。IEC對脈沖上升沿有明確的定義，那么脈沖下降沿理解起來也比較容易，與上升沿對稱地，即為電壓幅值從峰值的90%下降到10%所需要的時間。雙極性對稱型方波脈沖最明顯的特點就是對稱，即正半波和負半波的相對波形必須對稱，包括正負電平的對稱、上升沿對稱以及下降沿的對稱。還要注意的一點是，負半波的上升沿在視覺感官上雖然是向下，卻是上升時間，萬不可當做下降時間；負半波的下降沿也是此理。

5.結(jié)論

電磁線在生產(chǎn)過程中，因為設備、環(huán)境、人為等客觀和主觀原因，造成一些無法避免的細小的缺陷，而這些缺陷往往在進行試驗時確是致命的，因為缺陷一般就是電場較為集中的地方。試樣的表面電荷在較短的脈沖電壓上升沿下積累的較多，且一部分偶極子在脈沖電壓下的快速上升時間作用下無法跟上外施電場的迅猛變化，這就造成了試樣的表面電位差變大，而變大的電位差則會造成扭絞線對表面或內(nèi)部放電，絕緣材料在這種頻繁的放電過程中遭到破壞，在較短時間內(nèi)被擊穿。

GB/T22566.1-2008《電氣絕緣系統(tǒng) 重復脈沖產(chǎn)生的電應力 第1部分：電老化評定的通用方法 A.5 電壓幅值和脈沖電壓特性的影響》標準中也有相關(guān)規(guī)定：高頻電壓試驗中必須明確脈沖電壓上升時間對老化速率有幾種不同影響，如包含多匝繞組的特定EIS中，上升時間越短，通過相鄰匝繞組的電壓比率越高，如果局部放電是老化的因素的話，那么較短的上升時間會產(chǎn)生較短的老化壽命。另外，老化的物理機理取決于上升時間，更進一步講，電荷的聚集隨時間而定，因而影響電場分布。

* [1]姜其斌，陳紅生，衷敬和等.變頻電機用耐電暈絕緣材料的應用研究進展[J].絕緣材料，2007,40（6）:19-22