變頻電機(jī)用漆包線耐電暈電、熱老化性能的分析研究

作者/王湄，福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院

變頻電機(jī)用漆包線耐電暈電、熱老化性能的分析研究

作者/王湄，福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院

伴隨著變頻電機(jī)的廣泛使用，變頻電機(jī)用漆包線的耐電暈性能也受到越來越多的關(guān)注。文章闡述了漆包線耐電暈性能在變頻電機(jī)中的重要性，介紹了耐電暈性能檢測涉及的各個參數(shù)，并分析了電、熱老化對漆包線所造成的損害機(jī)理。

漆包線；耐電暈；老化性能

自上個世紀(jì)80年代提出脈寬調(diào)制（PWM）的基本原理之后，PWM技術(shù)在全控型電子器件的帶動下得到迅速發(fā)展，而電機(jī)交流調(diào)試技術(shù)也在PWM技術(shù)的發(fā)展之下得到飛躍的進(jìn)步。

眾所周知，電機(jī)是最普遍的電器元部件，在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用都極為廣泛，隨處可見，大到重型工程器械，小到兒童的玩具小車都有電機(jī)的影子。近年來，變頻類電器更是成為市場上的寵兒，廣受消費者的歡迎。但是當(dāng)普通電機(jī)安裝上PWM變頻器之后，效果卻沒有預(yù)料的那樣給人帶來驚喜，很多裝上變頻器的電機(jī)僅僅使用了幾個月之后就壽終正寢，而傳統(tǒng)的工頻交流電機(jī)的使用壽命可達(dá)幾年甚至是十幾年。研究表明，局部放電就是造成變頻電機(jī)使用壽命短暫的元兇。局部放電是指當(dāng)外加電壓在電氣設(shè)備中產(chǎn)生的場強(qiáng)，足以使絕緣部分區(qū)域發(fā)生放電，但在放單區(qū)域內(nèi)未形成固定放電通道的放電現(xiàn)象。當(dāng)絕緣發(fā)生局部放電是就會影響絕緣壽命。每次放電，高能量的電子或加速電子的沖擊，特別是長期局部放電作用都會引起多種形式的物理效應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)，如帶電質(zhì)點撞擊氣泡外壁時，就可能打斷絕緣的化學(xué)鍵而發(fā)生裂解，破壞絕緣的分子結(jié)構(gòu)，造成絕緣裂化，加速絕緣損壞過程。

變頻電源系統(tǒng)工作時所產(chǎn)生的脈沖高頻電壓使電動機(jī)發(fā)生電暈，引起局部放電、介質(zhì)發(fā)熱、導(dǎo)致有機(jī)高分廣絕緣材料裂解，進(jìn)而導(dǎo)致變頻電機(jī)絕緣損壞。具體來講，變頻調(diào)速系統(tǒng)是由變頻器、電纜和電機(jī)組成的。變頻器的核心控制部件有BJT（雙極晶體管）、IGBT（絕緣柵）等多種類型，其中IGBT具有驅(qū)動簡單、易于保護(hù)和高速開關(guān)等優(yōu)點。IGBT的高開關(guān)速度建立在快導(dǎo)通和快關(guān)斷的基礎(chǔ)上，最高可達(dá)30-40kHz，正常工作情況下為20kHz。變頻器的輸出波形是具有徒上升沿和徒下降沿（0.1-0.51AS）的脈沖波，正是由于這種脈沖電壓不同于工頻正弦電壓，從而對變頻電機(jī)絕緣的工作環(huán)境造成了一系列的影響。

當(dāng)變頻器將工頻正弦波轉(zhuǎn)化成脈沖波以后，該列脈沖波從變頻器通過電纜傳到電機(jī)的接線端，由于電纜與電機(jī)之間的阻抗不匹配將產(chǎn)生反射波。反射波反饋又產(chǎn)生二次反射，二次反射波與原始脈沖電壓波疊加，當(dāng)疊加的脈沖電壓傳輸?shù)诫姍C(jī)時，就會產(chǎn)生一個尖峰電壓。尖峰電壓的大小取決于電纜的長度和脈沖電壓的上升沿時間。通常電纜長度夕加時，電線兩端都產(chǎn)生過電壓，電機(jī)端的過電壓副值隨電纜長度增加而增加。

當(dāng)變頻電機(jī)的絕緣線圈中通過脈沖電流時，短上升沿時間的脈沖波引起電壓在線圈中的分布不均。在模擬電動機(jī)定子繞組上進(jìn)行了電壓波形的測量，表明在電動機(jī)定子繞組的首端幾匝上承擔(dān)了約80%過電壓副值，這樣繞組首匝處承受的匝間電壓超過工頻交流電壓條件下平均匝間電壓的10倍以，雖然仍遠(yuǎn)低于絕緣的擊穿電壓（變頻導(dǎo)線可耐受工頻電壓13000V），但是已經(jīng)超過了局部放電起始電壓?？梢娋植糠烹娛窃斐勺冾l電機(jī)絕緣過早破壞的主要原因，而介質(zhì)損耗發(fā)熱、空間電荷、電磁激振以及振動等多種因素的存在加速了材料的老化過程。

變頻調(diào)速系統(tǒng)的心臟部位就是變頻電機(jī)，變頻電機(jī)的使用壽命長短以及它的運行是否穩(wěn)定安全都決定了整個變頻調(diào)速是否能安全運行。而變頻漆包線所組成的內(nèi)部繞組則是電機(jī)實現(xiàn)變頻的關(guān)鍵部位，為了避免變頻電機(jī)出現(xiàn)壽命短、易被擊穿的現(xiàn)象，漆包繞組線不僅需要具備良好的機(jī)械性能、熱性能、電性能，還要具備優(yōu)良的耐電暈性能。因此要想提高變頻電機(jī)的使用壽命，其元部件漆包線的耐電暈性能是關(guān)鍵。但是變頻調(diào)試裝置充電后的脈沖波，其高聳的脈沖電壓、陡峭的上升沿和很高的脈沖頻率，還有局部放電和局部介電加熱等因素對漆包線的使用壽命都是很大的挑戰(zhàn)。在這種環(huán)境下，研究人員研制出了一種新式的變頻漆包線，也就是能夠抗電暈的耐電暈漆包線。變頻電機(jī)、起重電機(jī)、調(diào)速電機(jī)都廣泛使用此類耐電暈漆包線。

與傳統(tǒng)的機(jī)械變速和直流變速電機(jī)相比，變頻電機(jī)的供電電壓頻率高、上升沿短且是雙極性脈沖電波，這就使變頻電機(jī)在運行過程中要承受高頻率脈沖電壓的不斷沖擊，且會在工程中出現(xiàn)大的噪音和振動，也會有比較大的軸承機(jī)械磨損。且在脈沖電源下，電機(jī)中變頻漆包繞組的運行環(huán)境更加惡劣，漆包線的絕緣遭受各種損害老化而喪失作用，致使變頻電機(jī)使用壽命減短。這種老化的機(jī)理同交流工頻電壓下電機(jī)運作的機(jī)理完全不同，可說是十分復(fù)雜，因為在脈沖電壓所產(chǎn)生的磁場電場交叉作用下，會產(chǎn)生多種物理和化學(xué)反應(yīng)，且各反應(yīng)之間相互影響相互疊加，造成了這種絕緣老化的繁雜性。但歸根結(jié)底來說，老化的機(jī)理都可從電老化和熱老化來進(jìn)行分析。

（1）電老化。上文已經(jīng)提到，在雙極性高頻脈沖電壓的沖擊下，變頻電機(jī)的漆包繞組匝間易出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象。局部放電就是引起各類物理和化學(xué)反應(yīng)的重要因素，而電暈就是帶電體表面在氣體或液體介質(zhì)中局部放電的現(xiàn)象，常發(fā)生在不均勻電場中電場強(qiáng)度很高的區(qū)域內(nèi)（例如高壓導(dǎo)線的周圍，帶電體的尖端附近）。其特點是出現(xiàn)與日暈相似的光層，發(fā)出“嗤嗤”的聲音，產(chǎn)生臭氧、氧化氮等。電暈是極不均勻電場中所特有的電子崩—流柱形式的穩(wěn)定放電。不均勻.電場的差別就在于空氣間隙內(nèi)，各點的電場強(qiáng)度不均勻，在電力線比較集中的電極附近，電場強(qiáng)度最大，而電力線疏的地方，電場強(qiáng)度很小。通常均將空氣視為非導(dǎo)體，但空氣中含有少數(shù)由宇宙線照射而產(chǎn)生的離子，帶正電的導(dǎo)體會吸引周圍空氣中的負(fù)離子而自行徐徐中和。當(dāng)加上高壓后，會在電機(jī)附近產(chǎn)生空氣的局部放電—電暈放電，電壓再加高時，電暈放電更加強(qiáng)烈，致使間隙內(nèi)發(fā)生刷狀、火花放電，最后導(dǎo)致電弧放電（擊穿）。因空氣分子在碰撞時會發(fā)光，故電暈時在導(dǎo)體間斷處可見亮光。這種電離子不斷地侵蝕漆包繞組線的絕緣，加速了絕緣的老化過程，而PMW整流技術(shù)的高速導(dǎo)通和關(guān)斷動作，使繞組線端被瞬間加載雙極性對稱高頻脈沖方波而出現(xiàn)的尖峰過電壓不斷擊中，絕緣被過度損耗。

（2）熱老化。電機(jī)內(nèi)部漆包繞組線所安裝的位置空間十分有限，而激烈的電磁場活動必定使內(nèi)部稀少的空氣溫度越來越高，受熱膨脹的空氣又使內(nèi)部空間逐漸變小，如此循環(huán)往復(fù)，繞線組絕緣長期在這樣的高溫環(huán)境下作業(yè)，老化速度也隨之加快，容易過早失效而加速被擊穿。

另外，電老化的過程中也會加速熱老化進(jìn)程，而熱老化也會使電老化加劇，二者相互影響相互促進(jìn)?？傊冾l電機(jī)用耐電暈漆包線的絕緣就在這循環(huán)往復(fù)的電老化和熱老化的作用下被快速老化，使用的時間越長，絕緣的電性能、熱性能都每況愈下，使用壽命不斷減短，惡性循環(huán)，這是造成變頻電機(jī)使用壽命不長最重要的原因。因此，在對耐電暈漆包線進(jìn)行耐電暈性能的檢測時，一般都通過電、熱老化效應(yīng)的相輔相成來進(jìn)行衡量。

根據(jù)變頻電機(jī)所使用的裝置電源，一般漆包線耐電暈性能的檢測涉及到以下幾個變量。

（1）脈沖波形：脈沖波是一種間斷的持續(xù)時間極短的突然發(fā)生的電信號。凡是斷續(xù)出現(xiàn)的電壓或電流成為脈沖電壓或電流，電信波形除了正弦波和若干個正弦分量合成的連續(xù)波形以外，都可以稱為脈沖波。常見的脈沖波形有：方形波、矩形波、鋸齒波、尖峰波、三角波、梯形波。而變頻電機(jī)中一般所使用的為雙極性對稱性脈沖方波。

（2）頻率：一個周期內(nèi)的重復(fù)次數(shù)，或每秒的周波數(shù)。

（3）脈沖電源：按照一定的時間規(guī)律，向負(fù)載加電一定的時間，然后又?jǐn)嚯娨欢ǖ臅r間，通斷一次形成一個周期，如此反復(fù)執(zhí)行，便構(gòu)成脈沖電源。

（4）脈沖上升時間：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。

（5）占空比：高電平所占周期時間與整個周期時間的比值。在一串理想的脈沖系列（如方波），正脈沖的持續(xù)時間與脈沖總周期的比值。

對于變頻電機(jī)用漆包線都要滿足在高頻脈沖下的性能測試，其主要測試原理為：在一定的測試溫度下，給待測試樣施加雙極性定值高頻方波電壓，在此電壓波形的一個周期內(nèi)，包括了一個正電平、一個負(fù)電平、一個電壓上升、一個電壓下降；在此條件下測試制成絞線對形式的試樣，直至其破壞、擊穿，具體為通過下述規(guī)定參數(shù)測試條件下的壽命應(yīng)不小于一定的電暈時間。

變頻電機(jī)用耐電暈漆包線是新發(fā)展起來的新品種，國內(nèi)外各廠家近年來都在大力開發(fā)各種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(jī)的壽命，只有良好的耐電暈漆包線，才能使整機(jī)的使用達(dá)到安全、高效、耐用等指標(biāo)。對于漆包線的耐電暈測試技術(shù)包括測試溫度、測試頻率、測試電壓、脈沖上升時間、波形結(jié)構(gòu)等要素及其機(jī)理要深入研究才能制造出性能優(yōu)良的產(chǎn)品。變頻漆包線的耐電暈性能是變頻電機(jī)能否長期完好安全運行的保證，作為長期在高電場下工作的元件，檢測漆包線的耐電暈性能高低有著重要的意義。市場上的耐電暈漆包線產(chǎn)品種類繁雜，耐電暈性能可能千差萬別。目前針對漆包線耐電暈性能的國標(biāo)尚未出臺，這在產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)管上存在漏洞，希望有關(guān)方面要加快國標(biāo)的制定和推行，讓該類產(chǎn)品的檢測有據(jù)可依。

* [1]劉電霆，張聲嵐，錢三來等.變頻電機(jī)絕緣材料失效主要因素與壽命評估方法[J].絕緣材料，2011,44（5）:55-58.