交流調(diào)速電機(jī)沖擊波的監(jiān)測方法

吳　威

( 水力發(fā)電設(shè)備國家工程研究中心，哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司， 黑龍江哈爾濱　150040 )

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交流調(diào)速電機(jī)沖擊波的監(jiān)測方法

吳威

( 水力發(fā)電設(shè)備國家工程研究中心，哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司， 黑龍江哈爾濱150040 )

摘要：指出了逆變器供電交流調(diào)速電動機(jī)絕緣往往過早地失效。原因是：由于逆變器輸入到電動機(jī)電壓中是非常陡的沖擊波，導(dǎo)致了匝間絕緣擊穿。國際電工委員會( IEC ) , 已經(jīng)要求各國通過試驗(yàn)來制定新的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。介紹了工頻交流和脈沖電壓進(jìn)行的對比試驗(yàn)結(jié)果，表明逆變器輸入到電動機(jī)的電壓中包含有非常陡的沖擊波而導(dǎo)致了匝間絕緣擊穿。介紹了開發(fā)的一種在線監(jiān)測沖擊波的新型裝置，可防止這種事故的發(fā)生，應(yīng)用效果良好。

關(guān)鍵詞：變速交流電機(jī)；沖擊波；監(jiān)測

0引言

逆變器供電的交流電動機(jī)定子繞組絕緣過早地失效。因此，國際電工委員會(IEC)重新頒布了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60034-18-42，提出了《在電壓型變頻器饋電情況下絕緣系統(tǒng)耐局部放電鑒定試驗(yàn)的推薦意見》[1-2]，其中包括了電機(jī)絕緣系統(tǒng)不同部位的耐電壓試驗(yàn)、老化現(xiàn)象和壽命 ?，F(xiàn)在各國都在進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1沖擊波

實(shí)踐證明，由于斷路器開關(guān)引起的沖擊波而導(dǎo)致電機(jī)匝間絕緣電氣強(qiáng)度明顯降低的情況，很少見到，通常也不會引起匝間絕緣老化。然而，采用逆變器供電時，由于沖擊波的重復(fù)次數(shù)很多，就會導(dǎo)致匝間絕緣電氣強(qiáng)度的逐步衰減 。

變頻器的功能主要包括整流部分(將交流電整流為直流電)和逆變部分( 再將直流電逆變?yōu)榫哂胁煌l率的交流電)。 其中在逆變過程中， 由于電力電子元件，比如晶閘管、可關(guān)斷晶閘管整流器(GTO)或雙極性柵極晶體管(IGBT)等，在接通和關(guān)斷直流電壓時，每秒產(chǎn)生的電壓沖擊波可達(dá)2 000個，沖擊波上升的時間可達(dá)50 ns，最高頻率分量可達(dá)6 MHz。這種沖擊波會導(dǎo)致匝間絕緣電氣強(qiáng)度的降低、絕緣老化和失效。

研究分析結(jié)果證明，逆變器與電機(jī)之間的連接電力電纜長度和沖擊阻抗，以及電機(jī)定子繞組的沖擊阻抗，在匹配不當(dāng)?shù)那闆r下，可能會引起傳輸電纜線的反射效應(yīng)，并導(dǎo)致沖擊電壓的增大。

1.1沖擊幅度

當(dāng)電動機(jī)功率為1 600 kW、電壓為4 000 V、轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時，如果這種沖擊波的上升時間很短(比如只有0.01 s)。在定子繞組第一匝上出現(xiàn)的沖擊波電壓就會高達(dá)額定電壓的45%(見表1)。由此可見，沖擊波的上升速度越快，則首匝沖擊波電壓越高，沖擊幅度越大，對于電機(jī)絕緣越危險。如果沖擊波的電壓比較高、上升時間比較快和數(shù)量比較多，就會引起比較高的匝間電壓，損壞絕緣的危險性就比較大。

表1　線圈第一匝上沖擊電壓大小與沖擊波上升時間的關(guān)系

過去認(rèn)為，低電壓(440 V)的電動機(jī)通常不會存在局部放電現(xiàn)象。然而采用圖像增強(qiáng)和放大措施以后，便能在這種低壓電動機(jī)上觀察到由逆變器(特別是PWM和IGBT)供電時的輕微發(fā)光。通過目測還能發(fā)現(xiàn)與相引線連接的匝間有白色粉末(這是局部放電的典型痕跡)。如果由于沖擊波引起的匝間電壓比較高，沖擊幅度比較大，而導(dǎo)線的直徑又比較小，就會使導(dǎo)線之間間隙處的電壓強(qiáng)度，高于局部放電起始電壓強(qiáng)度而發(fā)生局部放電。

過去采用有機(jī)薄膜絕緣，它針對局部放電的阻抗比較小，容易老化。后來在薄膜中加入金屬氧化物，便具有比較大的局部放電阻抗，從而減少了局部放電現(xiàn)象。雖然采用定子整體浸漬工藝可以消除氣隙，也能消除局部放電。但是，實(shí)踐證明，即使沒有局部放電，由沖擊波引起的絕緣老化，卻仍然可能發(fā)生。

1.2沖擊次數(shù)

曾經(jīng)對于環(huán)氧樹脂整體浸漬的1 600 kW大型高壓電機(jī)定子繞組線圈進(jìn)行沖擊波試驗(yàn)，沖擊波上升時間為500 ns，重復(fù)率為每秒5次到5 000次，沖擊波一直施加到絕緣擊穿為止。結(jié)果表明，定子絕緣擊穿失效的沖擊波總數(shù)如表2所示[3]。

表2　不同沖擊重復(fù)率時導(dǎo)致絕緣失效的沖擊波總數(shù)　M

由表2可見：1)如果沖擊波幅值越大，引起絕緣破壞所需要的沖擊波個數(shù)越少；2)如果沖擊的次數(shù)和沖擊的重復(fù)率越高，則引起絕緣破壞所需要的沖擊波個數(shù)就越多。因?yàn)槊棵氲臎_擊重復(fù)率越高和沖擊波個數(shù)越多時，每個沖擊波用于損壞絕緣的時間很短，一直到絕緣損壞時所需要的沖擊波數(shù)目就要增多；3)沖擊波的極性也有很大影響。與正極相比，如果處于負(fù)的電壓脈沖情況下，直到引起絕緣損壞時為止，就需要更多的沖擊波。

1.3空間電荷

由沖擊波引起絕緣老化的機(jī)理是：在產(chǎn)生每個沖擊波的過程中，注入到絕緣中的空間電荷(電子)使絕緣材料中的有機(jī)分子化學(xué)鍵斷裂，降低了絕緣承受擊穿電壓強(qiáng)度的能力。試驗(yàn)表明，反復(fù)的沖擊電壓確實(shí)會引起局部放電和空間電荷的注入。因?yàn)樵谑┘用}沖電壓時，發(fā)現(xiàn)了微弱的光發(fā)射(電場引起的發(fā)光)。研究結(jié)果還證明，由于電場引起在絕緣表面引起的空間電荷確實(shí)能夠?qū)е陆^緣老化，而且，這種注入到絕緣中空間電荷的影響比較大。因此，絕緣附近存在的空間電荷數(shù)量越多，注入并損壞絕緣的危險性越大。

1.4環(huán)境溫度

如果繞組線圈的溫度比較高，而且持續(xù)時間比較長，就會導(dǎo)致絕緣承受沖擊波擊穿的電壓和能力降低，也會使絕緣損壞的可能性增加。這是因?yàn)榻^緣試樣在溫度增加時，同時也會使注入絕緣內(nèi)部離子電荷載體的能量增加了，從而導(dǎo)致它們的擴(kuò)散系數(shù)增加。此外，溫度的增加，還使絕緣試樣內(nèi)部的缺陷密度加大了，從而助長了絕緣的失效。

2監(jiān)測系統(tǒng)

1. 交流或脈沖電源； 2. 電容； 3. 分壓器； 4. 電動機(jī)相引線； 5. 電動機(jī)； 6. 溫度傳感器； 7. 示波器； 8. 邏輯器件； 9. 轉(zhuǎn)換裝置圖1　沖擊波監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

這種由于逆變器供電的沖擊波引起絕緣損壞的危險性，取決于電機(jī)的沖擊波阻抗特性、逆變器的特性以及它們之間連接電纜的長度、阻抗和傳輸特性等。此外，由于這種電動機(jī)是可調(diào)速的，經(jīng)常處在不同的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，所遇到的沖擊波總數(shù)是很難預(yù)測的。在這種復(fù)雜的條件下，為了預(yù)防絕緣損壞的危險性，只是采取監(jiān)測局部放電的措施是不夠的。因?yàn)闆]有局部放電也會導(dǎo)致絕緣老化。所以，只能針對沖擊波本身來實(shí)施監(jiān)測。

開發(fā)了一種新型監(jiān)測裝置。這種監(jiān)測系統(tǒng)的接線示意圖如圖1所示。它能夠在線監(jiān)測沖擊波的性質(zhì)，并發(fā)出預(yù)警信號。除了電容式分壓器和溫度傳感器以外，這種新型監(jiān)測裝置還包括了一種能將沖擊波對匝間絕緣的損壞程度、通過轉(zhuǎn)化而指示出來的軟件。所以，為了測量沖擊波的大小，首先應(yīng)當(dāng)確定沖擊波的上升時間，而且還要計(jì)算沖擊波的總數(shù)。

2.1傳感器

用于檢測沖擊波的傳感器，是一臺電容式分壓器。它的頻率范圍為0.6～8 Hz，電壓為13.8 kV。它與1 600 kW電動機(jī)的相引線直接連接。分壓器的輸出電壓很低，不會被沖擊波損壞它的電子器件。分壓器的高壓部分是一個80 pF的電容器，它采用環(huán)氧—云母介質(zhì)。高壓電容器的額定電壓，與電動機(jī)的電壓相匹配。因?yàn)槿嗬@組的各相沖擊波是相同的，所以每臺電動機(jī)只安裝一個分壓器。由于繞組溫度對于承受沖擊波的能力有很大影響，所以還安裝了用于繞組線圈的熱電偶型溫度傳感器。如果溫度越高，并且持續(xù)時間越長，就能夠使線圈絕緣承受沖擊波擊穿的電壓越低，損壞的危險性越大。

2.2邏輯器件

雖然可以采用脈沖計(jì)算器和數(shù)字示波器等電子設(shè)備，但是價格比較高。所以，開發(fā)了專用的可編程邏輯器件。它將來自分壓器的輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字后，便將沖擊波的初始部分存入存儲器中。同時，還能采用可編程邏輯器件來分析所捕捉的沖擊波上升時間和幅值。只要沖擊波電壓超過預(yù)設(shè)值，程序就會被觸發(fā)和起動。但是，沖擊波之間的間隔必須是大于或等于1.5 μs。微控裝置可將每個沖擊波的上升時間和幅值及其沖擊波數(shù)目，存入隨機(jī)存儲器中，沖擊波的重復(fù)率也可以被確定下來。

2.3轉(zhuǎn)換裝置

采用的轉(zhuǎn)換裝置和轉(zhuǎn)換軟件，可用于指示沖擊波對電機(jī)絕緣損壞的程度。它能夠?qū)⒋嫒腚S機(jī)存儲器中的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為沖擊波引起的破壞概率并顯示出來。它的轉(zhuǎn)換過程如下：首先將具有任何上升時間的沖擊波幅值轉(zhuǎn)換為等效的標(biāo)準(zhǔn)幅值(即上升時間為0.1 μs的沖擊波幅值)。如果沖擊波上升時間為1 μs，轉(zhuǎn)換以后的幅值將是很低的。這是考慮到重復(fù)率而對被轉(zhuǎn)換幅值進(jìn)行的調(diào)整。具有高重復(fù)率的沖擊波轉(zhuǎn)換為等效的標(biāo)準(zhǔn)幅值以后便被減小[4]，這是因?yàn)樗鼈兊钠茐男员容^小，盡管它們單位時間的沖擊波數(shù)目很多。

另一種轉(zhuǎn)換方法是將標(biāo)準(zhǔn)上升時間和重復(fù)率的沖擊波換算為3.5 p.u.的沖擊波(它相當(dāng)于1 000個1.75 p.u.的沖擊波)。如果是一個7.5 p.u.的沖擊波，它被轉(zhuǎn)換以后，就是1 000個3.5 p.u.的沖擊波。將被轉(zhuǎn)換為3.5 p.u.和上升時間為0.1 μs的沖擊波數(shù)目加起來，其總數(shù)便通過液晶顯示器顯示出來，而且能夠不斷地更新。由此便能對電動機(jī)絕緣的壽命進(jìn)行評估和預(yù)測，防止絕緣失效和電動機(jī)運(yùn)行事故的發(fā)生。通常，一個標(biāo)準(zhǔn)的電動機(jī)，能夠承受1 000個這樣的(3.5 p.u.和0.1 μs)沖擊波。實(shí)際上，質(zhì)量好的電動機(jī)，能夠超過該值許多倍。

3應(yīng)用

開發(fā)的這種新型沖擊波在線監(jiān)測系統(tǒng)，在石油化工部門某個企業(yè)的1 600 kW電動機(jī)上應(yīng)用效果良好。由于對出現(xiàn)的沖擊波進(jìn)行了沖擊幅度、時間、次數(shù)等各種因素的及時監(jiān)測和調(diào)整，在運(yùn)行過程中尚未發(fā)現(xiàn)匝間絕緣擊穿和絕緣失效的現(xiàn)象。近年來，根據(jù)自己的情況，確定應(yīng)用這種監(jiān)測系統(tǒng)的產(chǎn)品用戶在不斷增加。

4結(jié)語

1) 多年的運(yùn)行實(shí)踐證明，采用變頻調(diào)速技術(shù)的交流電動機(jī)過早地失效。這是由于逆變器供電時沖擊波的作用而使繞組線圈的匝間絕緣擊穿而引起的。

2) 導(dǎo)致絕緣失效的機(jī)理是：在產(chǎn)生沖擊波的過程中，由于周圍的空間電荷注入到絕緣中，并使其有機(jī)分子的化學(xué)鍵斷裂，從而使絕緣承受擊穿電壓強(qiáng)度的能力降低。

3) 如果沖擊波的電壓比較高、上升時間比較快和數(shù)量比較多，就會引起比較高的匝間電壓，損壞絕緣的危險性就比較大。如果繞組線圈的溫度比較高，而且持續(xù)時間比較長，就會進(jìn)一步導(dǎo)致絕緣承受沖擊波擊穿的電壓和能力降低，也會使絕緣損壞的可能性增加。

4) 采用開發(fā)的在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時評估電動機(jī)的這種沖擊波的危害狀況，以便采取適當(dāng)措施來防止絕緣過早地失效。

參考文獻(xiàn)

[1] Functional evaluation of electrical insulation systems, IEC 60034-18-32.

[2] Qualification and type tests for electrical insulation systems used in rotation electrical machines fed from converters ,IEC TS 60034-18-41.

[3] 孫永鑫，大電機(jī)定子線圈的直流耐壓和交流耐壓試驗(yàn)研究(J)，大電機(jī)技術(shù)，2012(6)：1-3.

[4] 欒茹，高頻脈沖下變頻電機(jī)的電場分布[J]，大電機(jī)技術(shù)，2011(1)：8-11.

邢敏， 女，1984年6月生，哈工大 電氣工程與自動化專業(yè)，碩士研究生畢業(yè)，獲 碩士學(xué)位。高級工程師。主要研究方向?yàn)椋喊l(fā)電設(shè)備的自動控制。

·信息點(diǎn)滴·

國家發(fā)改委：國家加快推進(jìn)清潔能源等七大類重大工程包建設(shè)

2014年以來，遵照國務(wù)院部署，國家發(fā)展改革委會同有關(guān)部門推出信息電網(wǎng)油氣網(wǎng)絡(luò)、生態(tài)環(huán)保、清潔能源、糧食水利、交通運(yùn)輸、健康養(yǎng)老服務(wù)、能源礦產(chǎn)資源保障七大類重大工程包。

在選擇列入重大工程包項(xiàng)目時，主要考慮以下幾個方面：一是對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有全局性、基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性意義，有利于形成新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)；二是有利于調(diào)結(jié)構(gòu)、補(bǔ)短板，加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)建設(shè)，增加公共產(chǎn)品和服務(wù)供給；三是符合“十二五”規(guī)劃和相關(guān)專項(xiàng)規(guī)劃要求，符合國家產(chǎn)業(yè)政策；四是具備一定工作基礎(chǔ)，通過加大工作力度能夠盡快推進(jìn)。

重大工程包推出以來，國家發(fā)展改革委會同各地方、有關(guān)部門和企業(yè)積極發(fā)揮聯(lián)動機(jī)制作用，定期協(xié)調(diào)調(diào)度工程進(jìn)展，加快推進(jìn)重大工程建設(shè)。目前重大工程建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)，對促投資、穩(wěn)增長發(fā)揮了積極作用。

20150303

歐盟表明風(fēng)電和水電更具經(jīng)濟(jì)效益

據(jù)古巴拉美通訊社布魯塞爾報(bào)道，歐盟委員會能源司進(jìn)行的一項(xiàng)研究表明，風(fēng)電和水電比其他可再生能源更具經(jīng)濟(jì)效益。在不考慮市場和技術(shù)風(fēng)險的情況下，該能源司對風(fēng)電、水電同核電、光伏發(fā)電等各種能源(在項(xiàng)目運(yùn)營期內(nèi)的)單位成本進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水電每兆瓦?時的成本為50歐元，風(fēng)電為 80多歐元，而核電成本為110歐元，光伏發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電和天然氣發(fā)電則達(dá)到了115歐元。

據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會(EWEA)表示，公布上述數(shù)據(jù)是為了配合一項(xiàng)名為“支持風(fēng)能”的計(jì)劃，目的之一是使大家確信，風(fēng)電和水電還能創(chuàng)造更多的就業(yè)機(jī)會。美國馬薩諸塞大學(xué)經(jīng)濟(jì)政策學(xué)院的一項(xiàng)研究報(bào)告表明，向風(fēng)電領(lǐng)域每投資100萬美元可創(chuàng)造13個就業(yè)崗位。歐盟委員會的研究還顯示，丹麥、西班牙、德國、意大利和歐盟是世界上可再生能源占比最高的國家和地區(qū)，全世界出現(xiàn)了向清潔能源轉(zhuǎn)變的明顯變化。

20150304

西門子h級燃?xì)廨啓C(jī)助德國電廠刷新世界紀(jì)錄

近日，西門子h級燃?xì)廨啓C(jī)已在lausward聯(lián)合循環(huán)電廠按照計(jì)劃首次點(diǎn)火。lausward是德國杜塞爾多夫市的傳統(tǒng)供電中心，位于此地的lausward聯(lián)合循環(huán)電廠預(yù)計(jì)于2015年年底投入商業(yè)運(yùn)營。

據(jù)悉，全新lausward燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量達(dá)595 MW，凈效率將超過61%，在這兩方面都將刷新世界紀(jì)錄。此外，電廠生產(chǎn)的部分蒸汽將用于杜塞爾多夫市的區(qū)域供熱系統(tǒng)。整臺機(jī)組可提供高達(dá)300 MW的熱能，用于區(qū)域供暖。這將使全廠熱效率提高到大約85%。這些創(chuàng)紀(jì)錄的數(shù)字將使該電廠成為全球最高效、最環(huán)保的電廠。西門子股份公司發(fā)電與天然氣集團(tuán)項(xiàng)目管理業(yè)務(wù)部負(fù)責(zé)人lotharballing指出，在電廠建設(shè)期間，超過700天、180萬工時無任何事故報(bào)告，這使該電廠的建設(shè)在職業(yè)健康與安全方面也堪稱典范。

20150305

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