SIV變流器絕緣性能出廠測試及失效模式研究

孫勝苗

摘 要：針對工頻SIV變流器常見絕緣耐壓失效模式，并結(jié)合相關(guān)絕緣、耐壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，分析現(xiàn)有城市軌道車輛工頻SIV變流器絕緣耐壓測試方法，評估現(xiàn)有工頻SIV變流器絕緣耐壓測試方案在耐壓方式選擇、分組測試、耐壓等級選擇等方面的合理性。同時(shí)結(jié)合作者多年從事變流器測試技術(shù)工作的經(jīng)驗(yàn)積累提出優(yōu)化建議，旨在為工頻SIV變流器設(shè)計(jì)及測試工程師合理選擇工頻SIV變流器絕緣耐壓試驗(yàn)方法提供參考意見。

關(guān)鍵詞：工頻SIV；絕緣耐壓測試；失效模式；建議

中圖分類號：U260 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）03-0057-03

Abstract： In view of the common insulation withstand voltage failure modes of power frequency SIV converters， and combined with the related insulation and voltage test standards， the existing insulation withstand voltage test methods of power frequency SIV converters for urban rail vehicles are analyzed. This paper evaluates the reasonableness of the existing insulation withstand voltage test schemes for power frequency SIV converters in the aspects of voltage mode selection， grouping test and voltage withstanding grade selection， etc. At the same time， combined with the author's many years of experience in converter testing work， the optimization suggestions are put forward for the purpose of providing reference for the design of power frequency SIV converters and the reasonable selection of insulation withstand voltage test methods for power frequency SIV converters.

Keywords： power frequency SIV； insulation withstand voltage test； failure mode； suggestion

引言

為了確保城市軌道交通工頻SIV出廠后的絕緣耐壓性能，保證產(chǎn)品出廠后的使用安全，業(yè)界的方法是在變流器生產(chǎn)過程中對其進(jìn)行嚴(yán)格的絕緣性能試驗(yàn)和耐壓試驗(yàn)，以達(dá)到將產(chǎn)品絕緣性能缺陷提前暴露出來的目的。

不同的絕緣性能試驗(yàn)方法，對變流器絕緣性能的驗(yàn)證效果不盡相同，且試驗(yàn)本身也具有一定的破壞性。所以選擇合適的絕緣性能試驗(yàn)方法，對保證產(chǎn)品的出廠絕緣性能至關(guān)重要。本文介紹工頻SIV變流器耐壓試驗(yàn)方法和絕緣失效模式，并結(jié)合在變頻器測試技術(shù)工作中的一些工程經(jīng)驗(yàn)，希望對工頻SIV變流器設(shè)計(jì)及試驗(yàn)工作者提供參考。

1 工頻SIV變流器絕緣性能試驗(yàn)

工頻SIV變流器通過電網(wǎng)提供的DC750V和DC1500V直流電壓，通過充電電路、直流濾波電容器，送至IGBT逆變器逆變?yōu)楣ゎl三相交流電，最終經(jīng)三相變壓器轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的三相四線制AC380V或AC220V，50Hz電源給空調(diào)機(jī)組及通風(fēng)裝置、空壓機(jī)、電加熱器、客室照明等交流輔助負(fù)載使用[1]。為了保證工頻SIV變流器的絕緣性能，除了在設(shè)計(jì)階段嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行絕緣介質(zhì)選擇、絕緣間隙和爬電距離設(shè)計(jì)外，試制和量產(chǎn)的試驗(yàn)驗(yàn)證也是十分必要的。下面就工頻SIV變流器采用的絕緣試驗(yàn)策略進(jìn)行分析，并評估其合理性。

1.1 工頻SIV變流器試驗(yàn)方案

工頻SIV變流器業(yè)界出廠調(diào)試，在規(guī)定范圍的溫度和濕度條件下，進(jìn)行1min持續(xù)工頻耐壓試驗(yàn)。試驗(yàn)中，根據(jù)不同電位將電路分組成高壓回路、次高壓回路、弱電壓回路和地四個(gè)回路，其中高壓回路包括1500V或者750V等級主回路電路及電路上的電壓、電阻、電容、斷路器等高壓器件及IGBT逆變器進(jìn)行逆變后輸出PWM波交流電壓630V左右電壓，次高壓回路包括輸出變壓器（TR1）進(jìn)行電壓隔離、降壓，交流電容器（ACC）濾波得到低諧波含量的三相準(zhǔn)正弦電壓，輸出三相AC380Vrms/50Hz電壓及電路上的交流電容、電壓變換器、輸出接觸器等高壓非保護(hù)性器件，弱電壓回路包括110V控制電路和經(jīng)高頻整流橋整流、電抗器、電容器濾波后得到穩(wěn)定的DC110V電源充電機(jī)110V輸出回路及以下電壓，地指的是大地。

1.2 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)分析

除耐壓試驗(yàn)方法和方案選擇之外，耐壓試驗(yàn)的等級選擇也十分關(guān)鍵，過高、過低都會使產(chǎn)品留下絕緣性能隱患?，F(xiàn)分別參考IEC＼EN＼TB等國際、歐洲及鐵路標(biāo)準(zhǔn)，來分析其合理性。IEC60077-2017、EN50343-2003及TB/T3153-2007作為國內(nèi)現(xiàn)有動車組及地鐵車輛耐壓標(biāo)準(zhǔn)，適合多電壓等級及高速運(yùn)行條件[4]，三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)耐壓等級對比表1如下。

以1500V電壓等級平臺為例，高壓回路按三種標(biāo)準(zhǔn)依次耐壓值為5000V、4250V、4887.5V，次高壓回路依次耐壓值為2500V/2550V/2125V， 弱電壓回路依次耐壓值為1500V/1000V/1275V。通過對比分析可以看出，不同標(biāo)準(zhǔn)間在所有電壓等級回路都有一定的差異，而IEC標(biāo)準(zhǔn)普遍高于EN＼TB等地域或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，等級選擇時(shí)可依據(jù)耐壓和產(chǎn)品投放地域綜合考慮。

此外每個(gè)耐壓分組中，并不是所有的電壓都完全一致，例如既有高壓回路DC1500V的直流電壓，也有逆變出來的次高壓回路工頻630V交流電壓，又如弱電回路就有DC110V、DC24V、DC15V等多種電壓形式。對于低壓回路而言，都是提高電壓等級加嚴(yán)測試，只要在保證不損壞器件和安全的前提下，考慮操作的便捷性是可以采用的。

2 常見的絕緣性能出廠測試的問題

出廠測試中器件導(dǎo)致的變流器絕緣性能試驗(yàn)不通過多數(shù)屬于個(gè)例，通過更換合格器件即可重新通過試驗(yàn)。但是也有器件存在批量無法通過耐壓試驗(yàn)，例如散熱風(fēng)機(jī)、二次電源等。發(fā)生類似問題，經(jīng)分析往往是這些部件的設(shè)計(jì)或加工工藝問題導(dǎo)致其內(nèi)部電路的絕緣能力不符合要求造成。出廠測試中另一比較常見的問題是加工過程中不良操作，對部件絕緣材料的誤傷。如下線時(shí)，工人無意中割傷了絕緣層；如變壓器、電抗器在轉(zhuǎn)運(yùn)或組裝過程中，絕緣漆被破壞。還有產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)絕緣距離安全余量不足。另外加工過程沒有充分識別風(fēng)險(xiǎn)，也會給產(chǎn)品的絕緣性能留下隱患。如兩種電位的端子，平行安裝時(shí)可以滿足絕緣間距的要求，但是歪斜一定角度又可能導(dǎo)致絕緣間隙不足。此外選擇合適的試驗(yàn)電壓等級不僅可以保證缺陷的可篩選性，也是試驗(yàn)過程不對產(chǎn)品產(chǎn)生不可逆破壞的前提，如網(wǎng)絡(luò)通訊線束試驗(yàn)電壓值過高就非常容易發(fā)生擊穿現(xiàn)象。

3 城市軌道車輛工頻SIV變流器絕緣性能的失效模式

SIV變流器任一瞬間電場可近似視作為靜電場[2]，當(dāng)變流器中電介質(zhì)承受的電場強(qiáng)度超過一定限值時(shí)就會失去絕緣能力而損壞。若強(qiáng)場區(qū)局限于較小范圍，則電介質(zhì)可能只是局部損壞，發(fā)生局部放電現(xiàn)象，但放電發(fā)展到貫穿性的空氣擊穿稱為閃絡(luò)。若強(qiáng)場區(qū)范圍很大，則電介質(zhì)將全部失去絕緣性能，造成電極間短路，即電介質(zhì)擊穿。

SIV變流器常見的電介質(zhì)有空氣、絕緣漆、絕緣套管、環(huán)氧絕緣子、硅橡膠帶和云母帶等，下面將就變流器使用及試驗(yàn)過程中常見絕緣失效形式，進(jìn)行具體闡述。

3.1 空氣擊穿及閃絡(luò)

工頻SIV變流器常用空氣作為絕緣介質(zhì)，例如裸露的母排與腔體壁之間、接線端子之間就是利用了空氣的絕緣性能。當(dāng)電路中因過電壓而導(dǎo)致電場強(qiáng)度達(dá)到一定的數(shù)值后，氣體會失去絕緣能力，從而造成事故。

環(huán)境中的空氣，由于空中紫外線、宇宙射線及來自地球內(nèi)部輻射線的作用，通?？偸谴嬖谛×侩娰|(zhì)子的。當(dāng)電場較弱時(shí)，由于帶電質(zhì)子極少，氣體仍為優(yōu)良的絕緣體。但是當(dāng)提高氣體間隙上的外施電壓而達(dá)到一定數(shù)值后，電流突然劇增，氣體失去絕緣性能。可見空氣的絕緣性能，與不同電壓等級電路之間的電勢差別負(fù)相關(guān)，與不同電位電路之間的間隙距離正相關(guān)。而不同電路之間的電勢差別，既與電路之間的電壓等級有關(guān)，還與電壓類型有關(guān)；絕緣間隙和爬電距離，取決于電路導(dǎo)體具體的結(jié)構(gòu)，它由產(chǎn)品設(shè)計(jì)尺寸和生產(chǎn)過程誤差疊加決定的。

3.2 固態(tài)電介質(zhì)擊穿

工頻SIV變流器除了使用空氣作為絕緣介質(zhì)外，還常使用一些固體介質(zhì)作為絕緣介質(zhì)。例如在端子與柜體之間，常使用環(huán)氧絕緣子作為絕緣介質(zhì)；在母排與柜體之間絕緣距離不足而又因柜體體積限制無法增加間隙的位置，往往在母排上套上絕緣套管或者硅橡膠帶進(jìn)行絕緣處理，這些都是利用了固體絕緣材料作為介質(zhì)的辦法。有時(shí)由于固體絕緣介質(zhì)選擇不當(dāng)或者絕緣介質(zhì)存在缺陷無法達(dá)到預(yù)期的絕緣效果，造成了產(chǎn)品的絕緣性能達(dá)不到要求。所以下面將重點(diǎn)分析，固體絕緣介質(zhì)的擊穿原理和對固體介質(zhì)絕緣效果的影響因數(shù)。

電介質(zhì)根據(jù)化學(xué)鍵可分為離子鍵和共價(jià)鍵，在電極間加上電介質(zhì)，由于電場作用下電介質(zhì)帶電物質(zhì)產(chǎn)生應(yīng)變，會在電介質(zhì)的端面上產(chǎn)生與電極性相反的電荷，把這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)極化。根據(jù)不同的化學(xué)鍵，會產(chǎn)生不同的極化形式，當(dāng)極化超過一定程度或足夠長的時(shí)間之后，會產(chǎn)生電介質(zhì)溫度急劇上升而損壞介質(zhì)甚至直接損壞介質(zhì)，而使介質(zhì)產(chǎn)生熔化的通道或者裂縫。影響固體介質(zhì)擊穿電壓的主要因素，包括電壓作用的時(shí)間、溫度、電場均勻程度、干擾電壓的種類、累積效應(yīng)、受潮和機(jī)械負(fù)荷。

3.3 失效的判別方法

絕緣性能的判別方法主要有耐壓前后的絕緣值對比、漏電流值是否異常、異響和閃絡(luò)弧光等物理現(xiàn)象。

耐壓前后的絕緣值對比方法為耐壓前先對變流器進(jìn)行絕緣電阻測量試驗(yàn)并記錄絕緣電阻值，然后進(jìn)行1min工頻介電強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)過程沒有閃絡(luò)和擊穿，最后再測量一次絕緣電阻值并與第一次測量值比較，確認(rèn)兩次絕緣電阻測量值沒有超過10%量值變化。其次通過漏電流值是否異常，雖然所有的標(biāo)準(zhǔn)中沒有要求對漏電流值進(jìn)行測量，但是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)正常SIV耐壓時(shí)，漏電流值一般不會超過20mA，一旦超過需要檢查和分析原因。最后，試驗(yàn)過程中要保證環(huán)境的相對安靜，最好有2個(gè)以上人員站在不同角度觀測試驗(yàn)現(xiàn)象，一旦發(fā)現(xiàn)異響和閃絡(luò)弧光源頭，要立即停下來排查。以上三種方法需要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)綜合使用，才能更好的發(fā)揮效果。

4 結(jié)束語

本文通過總結(jié)工頻SIV變流器使用和試驗(yàn)過程中常見的絕緣失效模式，并分析高壓設(shè)備絕緣性能出廠試驗(yàn)方法，論證了業(yè)界工頻SIV變流器絕緣性能出廠試驗(yàn)方法的合理性。結(jié)合作者多年在變頻器測試技術(shù)工作中積累的經(jīng)驗(yàn)，在符合業(yè)界相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，得出操作層面的建議如下：

產(chǎn)品耐壓等級選擇應(yīng)該嚴(yán)格參考標(biāo)準(zhǔn)，鑒于不同標(biāo)準(zhǔn)間也存在一定的差異，應(yīng)從技術(shù)要求和產(chǎn)品運(yùn)營地域綜合考慮。

由于不同電位等級間的漏電程度，與電路中所有器件成正相關(guān)。因此試驗(yàn)過程中，除保護(hù)器件（如：EMI濾波器及熔斷器）外，應(yīng)盡可能的將所有器件按實(shí)際使用情況接入耐壓回路。

在盡可能將所有的器件接入耐壓回路的前提下，要綜合考慮功率模塊、機(jī)箱等可更換單元的試驗(yàn)策略，盡量避免重復(fù)耐壓。如果可更換單元在生產(chǎn)過程中已經(jīng)單獨(dú)試驗(yàn)，可不接入整柜耐壓回路，但仍需先裝配并斷開回路，再進(jìn)行試驗(yàn)。如果可更換單元參與變流器整柜耐壓，可更換單元盡量避免重復(fù)耐壓，但單獨(dú)出廠的可更換單元需制定一套單獨(dú)的工藝路線及試驗(yàn)方案。

試驗(yàn)回路電阻、電感、電容等器件，需采用短接輸入、輸出電極的方式參與耐壓。

雖然現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)中沒有試驗(yàn)過程中的漏電流測量要求，為便于判斷和發(fā)現(xiàn)潛在隱患器件，應(yīng)盡量根據(jù)批量工程經(jīng)驗(yàn)，建議給出推薦值。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求及考慮與110V電壓等級差別較大，36V以下電壓回路最好區(qū)別110V電源及控制回路，進(jìn)行單獨(dú)分組測試。

要關(guān)注溫度、濕度對絕緣耐壓性能的影響。

試驗(yàn)后絕緣電阻值相比試驗(yàn)前絕緣值降低不能超過10%。

參考文獻(xiàn)：

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