變頻電機(jī)絕緣系統(tǒng)鑒定試驗(yàn)研究分析

康 駿， 黃慧潔， 管兆杰， 周冬生

(1.上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司上海電器設(shè)備檢測(cè)所，上海 200063;2.3M中國(guó)有限公司，上海 200336)

0 引言

采用安全、可靠的絕緣結(jié)構(gòu)不僅是電機(jī)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，也決定電機(jī)能否具有足夠長(zhǎng)的運(yùn)行壽命。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，其與電機(jī)的結(jié)合應(yīng)用越來越廣泛，也越來越緊密，電機(jī)與變頻器的配合使用就是一個(gè)典型。

對(duì)于變頻電機(jī)，絕緣結(jié)構(gòu)老化機(jī)理有別于傳統(tǒng)工頻供電下的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，如果不考慮變頻器的影響，采用與工頻供電電機(jī)相同的絕緣結(jié)構(gòu)，可能導(dǎo)致變頻電機(jī)的匝間、相間、對(duì)地絕緣快速失效，電機(jī)只有2～3年甚至幾十個(gè)小時(shí)的運(yùn)行壽命。近年，在變頻電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是風(fēng)力發(fā)電機(jī)、電梯配套電機(jī)中，這種現(xiàn)象越來越多。如不對(duì)電機(jī)絕緣材料和工藝進(jìn)行改進(jìn)，使其與所連的變頻器相匹配，將會(huì)大大阻礙變頻電機(jī)的發(fā)展。

1 變頻器供電電機(jī)絕緣老化機(jī)理

給電機(jī)供電的變頻器輸出電源典型波形如圖1所示。

圖1 3級(jí)變頻器饋電的電機(jī)終端的相至地面電壓

由圖1可得出，變頻器供電電壓波形與傳統(tǒng)正弦波存在不同:第一個(gè)不同是帶有Upk/pk′的高頻瞬時(shí)脈沖電壓(頻率范圍為1～20 kHz);第二個(gè)不同是在ns級(jí)的du/dt影響下，基頻下電壓峰峰值大于傳統(tǒng)正弦波的峰峰值，使絕緣所承受的電應(yīng)力大大增加。

如果絕緣所承受的電應(yīng)力幅值大于其局部放電起始電壓，電機(jī)絕緣則會(huì)承受持續(xù)的局部放電，而且電壓波形中存在ns級(jí)的du/dt導(dǎo)致其放電電流會(huì)很大，電流產(chǎn)生發(fā)熱造成達(dá)1 000℃的高溫，使絕緣迅速老化失效(見圖2)。

圖2 局部放電導(dǎo)致線棒破壞

2 變頻器供電電機(jī)絕緣鑒定方法

目前國(guó)內(nèi)、外標(biāo)準(zhǔn)將變頻器供電的電機(jī)繞組絕緣分為兩類，其中Ⅰ型繞組絕緣在電機(jī)運(yùn)行期間不承受局部放電，Ⅱ型繞組絕緣在電機(jī)運(yùn)行期間經(jīng)受局部放電。低壓電機(jī)一般都設(shè)計(jì)為在運(yùn)行過程中不發(fā)生局部放電，為Ⅰ型繞組絕緣;對(duì)于高壓電機(jī)，由于額定電壓較高，在運(yùn)行過程中多會(huì)發(fā)生局部放電，為Ⅱ型繞組絕緣。電機(jī)繞組絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示例如圖3所示。

2.1 Ⅰ型絕緣結(jié)構(gòu)的鑒定方法

工頻供電下的低壓電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)在實(shí)際工況中不存在局部放電，而在變頻供電下，電機(jī)端電壓波形發(fā)生本質(zhì)變化，突變電壓產(chǎn)生的峰峰電壓和納秒級(jí)的du/dt使低壓散嵌絕緣結(jié)構(gòu)發(fā)生局部放電，由于低壓電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)不存在耐電暈材料，如發(fā)生局部放電，則可使電機(jī)絕緣迅速失效，因此變頻供電下的電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)也必須要求在運(yùn)行中不發(fā)生局部放電。

圖3 電機(jī)繞組絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示例

圖4 絕緣結(jié)構(gòu)局部放電起始電壓(PDIV)變化趨勢(shì)圖

由圖4可看出，隨著熱老化時(shí)間的延長(zhǎng)，電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)的PDIV逐漸變小。絕緣結(jié)構(gòu)熱老化評(píng)定依據(jù)阿累尼烏斯原理，通過3個(gè)或3個(gè)以上的溫度點(diǎn)加速老化試驗(yàn)，得出絕緣結(jié)構(gòu)的老化方程，然后外推至絕緣結(jié)構(gòu)的溫度等級(jí)所對(duì)應(yīng)的失效時(shí)間。圖5為阿累尼烏斯曲線。其中:t為絕緣結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的溫度等級(jí);T為絕對(duì)溫度值;log τ為失效時(shí)間的對(duì)數(shù)。

對(duì)于Ⅰ型絕緣結(jié)構(gòu)而言，熱老化分周期后的診斷試驗(yàn)應(yīng)為PDIV測(cè)試，以此判斷絕緣結(jié)構(gòu)熱老化后是否失效，這有別于常規(guī)工頻耐壓診斷試驗(yàn)。合格的Ⅰ型絕緣結(jié)構(gòu)必須在整個(gè)老化周期內(nèi)，PDIV均高于實(shí)際工況的規(guī)定值。

圖5 阿累尼烏斯曲線圖

對(duì)于PDIV診斷試驗(yàn)，從圖6、7可看出，絕緣結(jié)構(gòu)所承受的電壓波形有別于工頻正弦電壓，所以在高頻重復(fù)脈沖電壓下的PDIV與工頻電壓下的PDIV有顯著差別。

圖6 高頻重復(fù)脈沖電壓下PD信號(hào)

圖7 正弦工頻電壓下PD信號(hào)

表1為某一電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)模型線圈的測(cè)試數(shù)據(jù)，在不同的電壓波形下，發(fā)生局部放電時(shí)的能量完全不同。按常理而言，電勢(shì)能的大小取決于其峰峰幅值，但從表1得出的是完全不同的兩個(gè)電壓等級(jí)，造成這種情況的原因?yàn)閚s級(jí)的du/dt，且為高頻，電壓的極性轉(zhuǎn)換很快，能量在整個(gè)絕緣結(jié)構(gòu)中的分布很不均勻，致使絕緣結(jié)構(gòu)中某一部位的能量積累遠(yuǎn)大于其他部位，從而發(fā)生局部放電。

綜上所述，對(duì)于Ⅰ型絕緣結(jié)構(gòu)的鑒定，是以熱老化試驗(yàn)與高頻重復(fù)脈沖電壓下PDIV診斷試驗(yàn)為主。

表1 不同電壓波形下電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)PDIV對(duì)比

2.2 Ⅱ型絕緣結(jié)構(gòu)的鑒定方法

Ⅱ型絕緣結(jié)構(gòu)在運(yùn)行期間經(jīng)受局部放電，所以老化主導(dǎo)因素為電老化。Ⅱ型絕緣結(jié)構(gòu)一般為高壓電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)，為成型線圈，由于電機(jī)額定電壓較高，已大于絕緣結(jié)構(gòu)的PDIV，所以基本都以環(huán)氧云母作為對(duì)地絕緣，外包高低阻帶作為防暈結(jié)構(gòu)，起到耐電老化的作用。

對(duì)于高壓電機(jī)而言，無論是變頻供電還是工頻供電，都會(huì)使絕緣結(jié)構(gòu)發(fā)生局部放電，針對(duì)變頻供電電機(jī)端的特殊波形，必須考慮的是電機(jī)端峰峰電壓的幅值和高頻脈沖電壓對(duì)整個(gè)絕緣結(jié)構(gòu)電老化過程的影響。

對(duì)于絕緣結(jié)構(gòu)電老化壽命的鑒定，依據(jù)目前國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，用L=k×U－n作為經(jīng)驗(yàn)公式繪制出絕緣結(jié)構(gòu)的電老化壽命曲線。其中:U為電壓，n為電老化系數(shù)，k為常數(shù)，L為失效時(shí)間。

從公式可以看出，電壓與壽命的關(guān)系取決于n值的大小。對(duì)于一般的環(huán)氧云母結(jié)構(gòu)，其n值在8～12之間，這從理論上就可說明，絕緣結(jié)構(gòu)所承受的電勢(shì)能大小對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)壽命起著決定性的作用。從圖6、7可以看出，高頻脈沖電壓幅值和基頻電壓幅值是不對(duì)等的，高頻脈沖電壓的幅值明顯小于基頻電壓幅值，所以需確定高頻脈沖電壓在整個(gè)電老化過程中所起到的作用，可以依據(jù)電老化主導(dǎo)率的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

變頻供電下高頻脈沖波形對(duì)電老化主導(dǎo)率計(jì)算公式為

式中:n——電老化系數(shù)。

因此，對(duì)于Ⅱ型絕緣結(jié)構(gòu)的鑒別，只需取3個(gè)不同的電壓老化點(diǎn)，在最大工作溫度下施加相應(yīng)的工頻電壓至失效，由電壓的對(duì)數(shù)和失效時(shí)間的對(duì)數(shù)繪制出電老化曲線(見圖8)，推算出理論壽命或與基準(zhǔn)曲線作比較，就可對(duì)高壓變頻電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行一個(gè)客觀的評(píng)定。

圖8 電老化曲線圖

綜上所述，對(duì)于Ⅱ型絕緣結(jié)構(gòu)的鑒別，只要計(jì)算出基頻電壓和高頻脈沖電壓對(duì)電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)老化分別所占的主導(dǎo)率，就可施加相應(yīng)的工頻峰峰電壓進(jìn)行電老化評(píng)定，再以所得出的電老化曲線和老化主導(dǎo)率，推算出相應(yīng)的壽命數(shù)據(jù)。

3 結(jié) 語

變頻電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)的鑒定，不僅需要貫徹相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，還需要從基本老化理論著手，實(shí)際工況參數(shù)作為基本依據(jù)，對(duì)電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)實(shí)際老化過程進(jìn)行研究分析，得出相應(yīng)客觀的方法，鑒定絕緣結(jié)構(gòu)是否滿足實(shí)際使用要求。如果結(jié)果不滿足使用要求，應(yīng)對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)于低壓電機(jī)，應(yīng)提升絕緣的局部放電起始電壓;對(duì)于高壓電機(jī)，應(yīng)采取措施提升絕緣的耐電暈性能，使電機(jī)在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)能夠承受住局部放電造成的損壞。

［1］GB/T 22720.1—2008，旋轉(zhuǎn)電機(jī)電壓型變頻器驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)用Ⅰ型電氣絕緣結(jié)構(gòu)的鑒別和型式試驗(yàn)［S］.2008.

［2］IEC 60034-18-42:2008.Qualification and acceptance tests for partial discharge resistant electrical insulation systems(type II)used in rotating electrical machines fed from voltage converters［S］.2008.

［3］袁建敏.變頻電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)在工頻下局部放電測(cè)量的探討［J］. 電機(jī)與控制應(yīng)用，2009，36(10):55-56.