漆包線耐電暈試驗(yàn)參數(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

諸冉冉，　張大義

（1.上海電纜研究所，上海200093；2.機(jī)械工業(yè)電工材料及特種線纜產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心，上海200093）

漆包線耐電暈試驗(yàn)參數(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

諸冉冉1，2，張大義1

（1.上海電纜研究所，上海200093；2.機(jī)械工業(yè)電工材料及特種線纜產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心，上海200093）

漆包線的耐電暈性能是影響變頻電機(jī)壽命的重要因素之一，一般通過(guò)測(cè)試漆包線在高頻脈沖電壓條件下的擊穿時(shí)間以評(píng)估其耐電暈性能。由于不同的耐電暈試驗(yàn)參數(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果有著較大的影響，故對(duì)漆包線耐電暈試驗(yàn)中所涉及到的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析研究。

變頻電機(jī)；漆包線；耐電暈；擊穿時(shí)間

0　引　言

脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)的問(wèn)世帶動(dòng)了電機(jī)交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，但將PWM變頻器直接與普通電機(jī)配套使用時(shí)，其使用壽命卻遠(yuǎn)小于工頻交流條件下的電機(jī)，部分變頻電機(jī)甚至只運(yùn)行了幾個(gè)月便已損壞。已有相關(guān)文獻(xiàn)證實(shí)，造成變頻電機(jī)過(guò)早損壞的主要原因是局部放電。而電機(jī)運(yùn)行時(shí)伴隨電暈現(xiàn)象產(chǎn)生的介質(zhì)損耗發(fā)熱、空間電荷以及振動(dòng)等多方面因素的疊加則進(jìn)一步加速了絕緣材料的老化進(jìn)程[1]，使得變頻電機(jī)壽命大幅縮短。因此，變頻電機(jī)用漆包線的耐電暈?zāi)芰εc其使用壽命有著密不可分的關(guān)系。本文在總結(jié)漆包線電暈老化機(jī)理的基礎(chǔ)上，分析研究了漆包線耐電暈試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)對(duì)其擊穿時(shí)間的影響。

1　漆包線電暈老化機(jī)理

變頻電機(jī)絕緣系統(tǒng)的電暈老化失效主要是由持續(xù)時(shí)間短、重復(fù)頻率高的脈沖電壓所導(dǎo)致的[2]。這與在交流工頻電壓下所產(chǎn)生的電老化機(jī)理完全不同，這種老化過(guò)程較為復(fù)雜，是由一個(gè)或多個(gè)物理過(guò)程疊加導(dǎo)致的結(jié)果[2]。造成變頻電機(jī)用漆包線絕緣損壞的具體原因主要有以下兩個(gè)方面：

（1）電老化。局部放電是造成漆包線絕緣電老化、壽命縮短的重要原因[3]。在高頻脈沖電壓條件下，當(dāng)漆包線相互接觸時(shí)，在它們之間的空氣層中就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的局部放電，即電暈現(xiàn)象，從而加速漆包線絕緣的老化。此外，由于現(xiàn)役變頻電機(jī)普遍采用PWM整流技術(shù)，因此，在電機(jī)運(yùn)行時(shí)由于絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的高速導(dǎo)通和高速關(guān)斷動(dòng)作，高頻方波脈沖電壓會(huì)在電源線與電機(jī)接通的瞬間加載于變頻電機(jī)繞組端。與此同時(shí)，因電纜、變頻器、電機(jī)三者之間的阻抗不匹配所產(chǎn)生的電磁波反射會(huì)導(dǎo)致尖峰過(guò)電壓的出現(xiàn)，并伴隨高頻震蕩現(xiàn)象[4]。因此，變頻電機(jī)用漆包線在這種環(huán)境下持續(xù)工作，極易因其絕緣的過(guò)度損耗而提前失效并使電機(jī)無(wú)法運(yùn)行。

（2）熱老化。在受限的電氣絕緣系統(tǒng)內(nèi)，隨著溫度的增加，電氣絕緣系統(tǒng)內(nèi)的空間尺寸逐漸變小，使得局部放電起始電壓隨之降低，電老化速率亦隨之加快[2]。

綜上所述，由于電老化及熱老化的疊加效應(yīng)促使變頻電機(jī)用漆包線絕緣的老化加速，縮短了漆包線的使用壽命，這是最終導(dǎo)致變頻電機(jī)損壞的主因。因此，通過(guò)對(duì)變頻電機(jī)用漆包線施加電老化效應(yīng)并輔以熱老化效應(yīng)的方式對(duì)其耐電暈性能進(jìn)行測(cè)試能有效地衡量其絕緣抗老化失效的能力。本文在結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有耐電暈漆包線產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中的耐電暈試驗(yàn)規(guī)定及IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)漆包線耐電暈試驗(yàn)的相關(guān)特性參數(shù)如脈沖電壓波形、脈沖電壓頻率、脈沖試驗(yàn)電壓等進(jìn)行了研究和驗(yàn)證。

2　耐電暈試驗(yàn)參數(shù)的影響

2.1脈沖電壓波形

驗(yàn)證試驗(yàn)表明脈沖電壓波形對(duì)耐電暈試驗(yàn)結(jié)果有著較大的影響，脈沖電壓波形的設(shè)定涉及三個(gè)方面因素。

（1）波形。根據(jù)IEC 62068-1中規(guī)定，耐電暈試驗(yàn)的脈沖電壓波形有三角波或方波可供選擇，推薦采用方波進(jìn)行漆包線的耐電暈測(cè)試。與三角波無(wú)上沖的特點(diǎn)不同，方波是由基波與無(wú)數(shù)奇次諧波疊加所構(gòu)成的，因此測(cè)試時(shí)使用方波能較好地模擬變頻電機(jī)線圈在運(yùn)行過(guò)程中所受到的高次諧波。同時(shí)也有文獻(xiàn)明確指出，變頻電機(jī)兩端施加的電壓即為方波脈沖電壓[3]，因此在進(jìn)行耐電暈測(cè)試時(shí)選擇方波脈沖更符合實(shí)際工況。

（2）極性。根據(jù)IEC 62068-1中對(duì)脈沖電壓對(duì)地極性的規(guī)定，極性可選擇雙極性或單極性，優(yōu)先選擇形式為由一個(gè)正的或負(fù)的振幅表示其一種狀態(tài)，而由零電平表示其另一狀態(tài)的雙極性脈沖。

（3）對(duì)稱(chēng)性。使用對(duì)稱(chēng)的波形可以有效減少測(cè)試過(guò)程中的誤差，消除偶發(fā)性影響因子，使得到的測(cè)試結(jié)果更具有代表性和可重復(fù)性。

綜上所述，建議漆包線耐電暈試驗(yàn)采用雙極性對(duì)稱(chēng)型方波脈沖。

2.2脈沖電壓頻率

IEC 62068-1中將脈沖電壓頻率定義為：在相同時(shí)間間隔下，兩次完整脈沖之間時(shí)間的倒數(shù)[2]。有文獻(xiàn)指出：絕緣材料的老化壽命與施加的脈沖電壓頻率成非線性衰減關(guān)系[5]。隨著頻率的升高會(huì)使得單位時(shí)間內(nèi)局部放電的次數(shù)隨之增加。為了驗(yàn)證脈沖電壓頻率對(duì)漆包線耐電暈擊穿時(shí)間的影響，進(jìn)行如下驗(yàn)證試驗(yàn)。

在φ0.60～2.00 mm范圍內(nèi)選取不同規(guī)格的耐電暈漆包圓線共計(jì)10組，依據(jù)GB/T 4074.7—2009第5條中的規(guī)定將所選樣品制成扭絞線對(duì)。在其余測(cè)試參數(shù)固定的條件下，通過(guò)更改耐電暈試驗(yàn)的脈沖電壓頻率，對(duì)試樣的局部放電起始電壓（起暈電壓）進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試設(shè)備使用常州威遠(yuǎn)電工器材有限公司制造的高頻起暈電壓測(cè)量?jī)x，主要通過(guò)捕捉絕緣材料在電暈放電時(shí)產(chǎn)生的紫外線信號(hào)轉(zhuǎn)化處理得到對(duì)應(yīng)的絕緣材料起暈電壓值。不同脈沖電壓頻率和漆包線規(guī)格對(duì)起暈電壓的影響規(guī)律如表1所示。

表1　不同規(guī)格耐電暈漆包線在不同試驗(yàn)頻率下的起暈電壓

從表1可以看出：對(duì)于同一規(guī)格試樣，當(dāng)脈沖電壓頻率升高時(shí)，其起暈電壓呈下降趨勢(shì)。說(shuō)明隨著脈沖電壓頻率的不斷升高，漆包線更易在較低的脈沖電壓條件下發(fā)生局部放電也即電暈現(xiàn)象，因此升高脈沖電壓頻率會(huì)在一定程度上對(duì)漆包線絕緣起到催化老化作用，絕緣的劣化隨之加速。而對(duì)于不同規(guī)格試樣，在脈沖電壓頻率相同的條件下，其起暈電壓隨著規(guī)格的增加基本呈上升趨勢(shì)。這說(shuō)明試樣的絕緣厚度會(huì)影響其起暈電壓的高低，因此通過(guò)增加耐電暈漆包線的絕緣厚度可以提高其抗電暈沖擊的能力。此外，脈沖電壓頻率的變化對(duì)漆包線起暈電壓波動(dòng)幅度的影響較小，因此還需對(duì)其它試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行研究。

2.3脈沖占空比

IEC 60034-18-41中將脈沖占空比定義為：在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)脈沖寬度和總時(shí)間的比率[6]。其中脈沖寬度指的是，脈沖瞬時(shí)值達(dá)到其沖擊幅值的規(guī)定值或規(guī)定閾值的第一瞬時(shí)和最后瞬時(shí)的時(shí)間間隔。因此，在“雙極性對(duì)稱(chēng)型方波”條件下，考慮到極性轉(zhuǎn)換時(shí)存在的“死區(qū)時(shí)間”、脈沖上升時(shí)間及下降時(shí)間，實(shí)際可產(chǎn)生的雙極性對(duì)稱(chēng)方波的占空比只能為小于50%。

2.4脈沖上升時(shí)間

IEC 60034-18-41中明確定義了“脈沖上升時(shí)間”為電壓幅值從峰值的10%上升至90%所需的時(shí)間[6]，并給出示意圖如圖1所示。

圖1　沖擊電壓波形參數(shù)

根據(jù)IEC 60034-18-41中定義，圖1中的Up是指單極式?jīng)_擊電壓期間達(dá)到的最高電壓數(shù)值[6]。而單極式?jīng)_擊電壓則是指極性為正極或負(fù)極的沖擊電壓。因此，對(duì)于雙極性對(duì)稱(chēng)型方波脈沖而言，脈沖上升時(shí)間為其單極式?jīng)_擊電壓期間，電壓幅值從峰值的10%上升至90%所需的時(shí)間，即以零電位為基點(diǎn)，電壓幅值從峰值的10%上升至90%所需的時(shí)間。在使用示波器進(jìn)行脈沖電壓上升時(shí)間的測(cè)量時(shí)應(yīng)充分注意到這個(gè)問(wèn)題。

另外，由于絕緣系統(tǒng)的負(fù)載是容性的，負(fù)載電容的大小對(duì)脈沖上升時(shí)間的影響很大，因此脈沖上升時(shí)間必須與所測(cè)試的樣品聯(lián)系起來(lái)。倘若只是給出設(shè)備空載時(shí)的上升時(shí)間卻忽略了具體的測(cè)試樣品，那么所得到的測(cè)試結(jié)果是不具備可對(duì)比性的。

2.5脈沖下降時(shí)間

基于IEC對(duì)脈沖上升時(shí)間已有了明確定義，因此脈沖下降時(shí)間的定義應(yīng)為電壓幅值從峰值的90%下降至10%所需的時(shí)間。而建議漆包線耐電暈試驗(yàn)采用雙極性對(duì)稱(chēng)型方波脈沖即意味著：試驗(yàn)要求電壓極性，正半波與負(fù)半波的波形必須相互對(duì)稱(chēng)，即圖2中的區(qū)域2正負(fù)電平的對(duì)稱(chēng)，區(qū)域1上升時(shí)間的對(duì)稱(chēng)以及區(qū)域3下降時(shí)間的對(duì)稱(chēng)。不能因?yàn)殡p極性方波脈沖波形的視覺(jué)特點(diǎn)，而將負(fù)半波的上升時(shí)間也稱(chēng)做“下降時(shí)間”。同時(shí)在示波器測(cè)量中應(yīng)注意，正半軸的電壓幅值從＋Up的10%上升至90%所需的時(shí)間應(yīng)與負(fù)半軸的電壓幅值從-Up的10%上升至90%所需的時(shí)間要保持嚴(yán)格一致，以符合其對(duì)稱(chēng)的要點(diǎn)。

圖2　雙極性方波的對(duì)稱(chēng)性

2.6脈沖試驗(yàn)電壓

經(jīng)研究人員總結(jié)得出：真正造成耐電暈漆包線絕緣過(guò)早失效的原因除了雙極性方波的上升沿陡峭度、下降沿陡峭度外還有“穩(wěn)態(tài)沖擊電壓”以及“尖峰電壓”。其中，穩(wěn)態(tài)沖擊電壓指：沖擊電壓的終值（見(jiàn)圖1中Ua）；尖峰電壓是指超過(guò)穩(wěn)態(tài)沖擊電壓的峰值電壓值（見(jiàn)圖1中Ub）。因此，在進(jìn)行測(cè)試時(shí)應(yīng)關(guān)注“穩(wěn)態(tài)沖擊電壓”及“尖峰電壓”兩者對(duì)于漆包線耐電暈測(cè)試結(jié)果的影響。

（1）穩(wěn)態(tài)沖擊電壓Ua

進(jìn)行以下測(cè)試以研究穩(wěn)態(tài)沖擊電壓的輸出穩(wěn)定性：在耐電暈試驗(yàn)儀負(fù)載條件下，使用示波器對(duì)任一輸出端進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試間隔為每次5 min，連續(xù)測(cè)試40組。所測(cè)得的穩(wěn)態(tài)沖擊電壓與試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系如圖3所示。從圖3中可以看到，隨時(shí)間的推移，穩(wěn)態(tài)沖擊電壓基本無(wú)明顯的波動(dòng)。這是因?yàn)椤胺€(wěn)態(tài)沖擊電壓”是由設(shè)備的直流電源進(jìn)行控制的，其輸出穩(wěn)定精度能控制在±1%以?xún)?nèi)，不會(huì)產(chǎn)生大幅波動(dòng)的現(xiàn)象。

圖3　穩(wěn)態(tài)沖擊電壓示意圖

（2）尖峰電壓Ub

由于現(xiàn)有“漆包線耐電暈試驗(yàn)儀”普遍使用IGBT的H橋電路控制技術(shù)模擬變頻電機(jī)的控制變頻器，因此在實(shí)際電路中因分散電感的影響會(huì)形成“尖峰電壓”，且這一固有特性一般難以消除。

對(duì)于“尖峰電壓”，除了有設(shè)備本身固有的特性原因外，當(dāng)測(cè)試電路中所加載的樣品不同時(shí)，所測(cè)得的“尖峰電壓”也是不同的。首先，通過(guò)使用如圖4所示的簡(jiǎn)化仿真模型電路模擬使用“耐電暈試驗(yàn)儀”測(cè)試不同規(guī)格漆包線，對(duì)所產(chǎn)生的過(guò)沖電壓進(jìn)行理論驗(yàn)證。

圖4　尖峰電壓簡(jiǎn)化仿真模型

通過(guò)更換仿真模型電路中的負(fù)載電容得到如圖5所示尖峰電壓與負(fù)載電容關(guān)系示意圖。

圖5　負(fù)載電容與尖峰電壓關(guān)系（仿真）

仿真結(jié)果表明：尖峰電壓會(huì)隨著負(fù)載電容的變化而變化，隨著負(fù)載電容的增加其所對(duì)應(yīng)的尖峰電壓則呈下降趨勢(shì)。為了進(jìn)一步證明仿真結(jié)果，進(jìn)行如下驗(yàn)證試驗(yàn)。

分別對(duì)空載及負(fù)載時(shí)的耐電暈試驗(yàn)儀任一輸出端的尖峰電壓進(jìn)行測(cè)量。其中，負(fù)載條件下所使用的耐電暈漆包線試樣規(guī)格分別為0.80 mm、1.00 mm及1.50 mm。測(cè)試間隔為每次5 min，連續(xù)測(cè)試10組，取測(cè)試結(jié)果的平均值繪制成曲線如圖6所示。

圖6表明試樣的電容會(huì)在一定程度上影響尖峰電壓。在“穩(wěn)態(tài)沖擊電壓”相同的條件下，對(duì)于不同規(guī)格的試樣，所測(cè)得的“尖峰電壓”與其固有電容有關(guān)。因而，在進(jìn)行漆包線耐電暈試驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意：測(cè)試一組相同規(guī)格試樣時(shí)，應(yīng)盡量控制各試樣的電容相等或接近，以減少尖峰電壓對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。此外，分析圖6可知：對(duì)于不同規(guī)格的試樣，其所對(duì)應(yīng)的“尖峰電壓”也是不同的，試樣的電容越大加載于其兩端的尖峰電壓值反而越小。因此，在脈沖峰值電壓Up相同的情況下，對(duì)于不同規(guī)格的試樣，其所承受的“穩(wěn)態(tài)沖擊電壓”與“尖峰電壓”也是不同的。若只關(guān)注耐電暈試驗(yàn)中的脈沖峰值電壓Up，會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果的可對(duì)比性造成一定程度的影響。

圖6　負(fù)載電容與尖峰電壓關(guān)系（實(shí)測(cè)）

3　結(jié)束語(yǔ)

變頻電機(jī)用耐電暈漆包線雖已有近十年的應(yīng)用，但目前仍處于發(fā)展階段，尚存在許多需要進(jìn)一步研究和解決的未知因素。IEC現(xiàn)有適用于“變頻電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)”的相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)雖然已經(jīng)推行，但是可供借鑒的IEC漆包線耐電暈試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)仍未形成。建議在選擇漆包線耐電暈試驗(yàn)參數(shù)時(shí)，除了要充分遵從和理解IEC現(xiàn)有的指導(dǎo)方法及標(biāo)準(zhǔn)外，還應(yīng)遵循嚴(yán)格借鑒和充分驗(yàn)證相結(jié)合的原則，選擇可簡(jiǎn)化試驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺€(wěn)定的參數(shù)作為試驗(yàn)的參考和依據(jù)，使所得到的試驗(yàn)結(jié)果具有更高的可重復(fù)性和代表性，以滿(mǎn)足漆包線行業(yè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測(cè)的要求。

[1]姜其斌，陳紅生，衷敬和，等.變頻電機(jī)用耐電暈絕緣材料的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].絕緣材料，2007，40（6）：19-22.

[2]GB/T 22566.1—2008電氣絕緣系統(tǒng)重復(fù)脈沖產(chǎn)生的電應(yīng)力第1部分：電老化評(píng)定的通用方法[S].

[3]劉電霆，張聲嵐，錢(qián)三來(lái)，等.變頻電機(jī)絕緣材料失效主要因素與壽命評(píng)估方法[J].絕緣材料，2011，44（5）：55-58.

[4]賈大江.永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)與技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2012.77-79.

[5]徐躍，鄧小軍.不同頻率和溫度的電暈放電對(duì)聚酰亞胺薄膜的損傷特性研究[J].絕緣材料，2014，47（1）：85-88.

[6]IEC 60034-18-41：2014 ed1.0 Rotating electrical machines-Part 18-41：Partial discharge free electrical insulation systems（Type I）used in rotating electricalmachines fed from voltage converters-Qualification and quality control tests[S].

The Influence of the Corona Resistance Testing Parameters for Enamelled Round W inding W ires on the Test Results

ZHU Ran-ran1，2，ZHANG Da-yi1
（1.Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai200093，China；2.Machinery Industry Quality Supervision and Test Center for Electric Material and SpecialWire and Cable，Shanghai200093，China）

The corona resistance of the enamelled round winding wires is one of the important factors that affect the life of the variable frequency electric machine.Generally，we evaluate the corona resistance of the enamelled round winding wires by testing the breakdown time of them under high frequency pulse voltage.Different corona test parameters affect the testing results，so the key parameters of the corona resistance test for enamelled round windingwires are determinded and discussed throughly in this paper.

variable frequency electricmachine；enamelled round windingwires；corona resistance；breakdown time

TM245.1

A

1672-6901（2016）01-0032-05

2015-06-01

諸冉冉（1986-），女，工程師.

作者地址：上海市軍工路1000號(hào)[200093].