冷卻油對變頻電機匝間絕緣電氣性能影響研究

董 涵，王 鵬，馬世金，顧洋豪，郭厚霖

（四川大學 電氣工程學院，四川 成都 610065）

0 引言

作為動力來源，變頻電機是驅(qū)動電動汽車的心臟。變頻電機定子承受高頻、快速變化的脈寬調(diào)制電壓，在定子繞組分布電感、電容的作用下，絕緣系統(tǒng)易產(chǎn)生電壓集中，當電壓超過局部放電起始放電電壓（partial discharge inception voltage,PDIV）時，繞組中會出現(xiàn)局部放電[1-2]。在脈沖極性快速翻轉(zhuǎn)及表面電荷的作用下，放電強度可能達到同頻率和幅值正弦電壓的7倍以上[3]，從而加速絕緣老化，導(dǎo)致絕緣早期失效。同時，快速變化的脈寬調(diào)制電壓和高頻諧振加重了電機定子銅耗、磁滯損耗和渦流損耗，導(dǎo)致電機繞組溫度升高加速絕緣熱老化，也是引起電機絕緣早期失效的重要原因[4-5]。

驅(qū)動電動汽車的變頻電機采用由有機絕緣和無機絕緣組成的低壓散繞結(jié)構(gòu)，部分絕緣結(jié)構(gòu)無耐電暈?zāi)芰Γ斁植糠烹姶嬖跁r，電老化將使絕緣快速失效。因此，依據(jù)國際電工技術(shù)委員會(IEC)提出的IEC 60034-18-41標準[6]，電機運行前應(yīng)在正弦和脈沖電壓下測試絕緣系統(tǒng)的PDIV。具有低壓散繞繞組結(jié)構(gòu)的變頻電機局部放電可能存在于匝間、相間及對地主絕緣。聯(lián)合使用正弦及重復(fù)脈沖電壓對3種情況的PDIV進行檢測，將檢測結(jié)果與電機的設(shè)計參數(shù)進行比較，在一定的安全裕度下，保證電機運行電壓高于PDIV，以確保電機在整個服役期內(nèi)沒有局部放電出現(xiàn)[7]。另外，為進一步提升電動汽車絕緣可靠性，國內(nèi)較多變頻電機絕緣結(jié)構(gòu)采用耐電暈（耐局部放電）材料，以確保在一定的放電存在時，變頻電機仍可正常工作?？梢姡琍DIV和耐電暈特性是評估變頻電機絕緣系統(tǒng)電性能的最重要指標。

電機散熱是提升電動汽車變頻電機功率密度的關(guān)鍵技術(shù)。和水冷相比，油冷技術(shù)大幅提高了冷卻效率。采用油冷替代傳統(tǒng)水冷方式已在電動汽車中得到較多應(yīng)用，成為電動汽車發(fā)展的重要方向。冷卻油本身不導(dǎo)電、不導(dǎo)磁，可直接對繞組進行冷卻。但油冷電機需要將油液直接通入電機內(nèi)部，油液的物理和化學性能可能會對絕緣系統(tǒng)造成潛在影響。因此，在保證電機油冷散熱的同時，必須考慮油冷環(huán)境對變頻電機絕緣系統(tǒng)的影響[8]。

本文在電機冷卻油環(huán)境下，研究散繞變頻電機匝間絕緣PDIV和耐電暈特性的變化規(guī)律。首先在正弦電壓下，實驗研究匝間絕緣在油液和溫度同時影響下的PDIV變化。然后，在重復(fù)脈沖電壓下，研究絕緣表面涂抹冷卻油液對絕緣耐電暈壽命的影響。通過對比有無油液時環(huán)境溫度對PDIV及耐電暈壽命的影響，得出冷卻油對電機性能的影響規(guī)律，并給出機理解釋。

1 測試系統(tǒng)搭建

正弦電壓下PDIV檢測平臺如圖1所示。功率放大器產(chǎn)生50 Hz正弦電壓，PDIV測試時通過調(diào)整功率放大器輸入，得到連續(xù)可調(diào)的輸出電壓。使用意大利Techimp PDBaseⅡ局放分析儀采集放電并得到統(tǒng)計特性。同時采用采樣率為16 GS/s、帶寬為2 GHz的數(shù)字示波器記錄單個放電信號的時頻特性。

圖1 正弦局部放電測試系統(tǒng)Fig.1 PD test system

測試試樣由兩根長度為16 cm、直徑為1.5 mm的絕緣漆包線中心交叉60°組成[9]，模擬低壓散繞繞組結(jié)構(gòu)的變頻電機匝間絕緣單點放電。試樣固定于溫濕度控制箱內(nèi)，一端接功率放大器的高壓輸出，另一端接地[10]。為清除試樣表面污穢和水分，試驗前采用無水乙醇清洗試樣，并置于155℃烘箱內(nèi)烘干12 h。為避免隨機因素對測試結(jié)果造成的分散性影響，每個條件下至少測試5個試樣[11]。

采用雙極性高壓方波發(fā)生器輸出重復(fù)方波電壓，模擬變頻電機高頻脈沖環(huán)境并測試匝間絕緣的耐電暈壽命。脈沖電源輸出方波的最大峰峰值為15 kV，上升時間可調(diào)。測試系統(tǒng)如圖2所示，耐電暈壽命測試過程中，采用特高頻天線結(jié)合頻域濾波監(jiān)測放電信號，并同時利用高壓探頭采集高壓脈沖作為同步信號，用于分析局部放電發(fā)生時的同步相位。為確認放電點，采用紫外成像儀監(jiān)測放電位置。

圖2 高壓脈沖耐電暈測試系統(tǒng)Fig.2 Corona resistance test system

為提升測試靈敏度，避免高頻電力電子器件開斷對測試結(jié)果造成干擾，試驗前先在試樣滴油條件下測量室溫時正弦電壓下的PDIV。

在一些電動汽車設(shè)計中，變速箱油液在實現(xiàn)其潤滑作用的同時，還可以對變頻電機內(nèi)部繞組進行冷卻，因此試驗采用常用的自動變速箱油(automatic transmission fluid，ATF)滴加或涂沫在絕緣表面。然后，根據(jù)變頻電機匝間絕緣的耐熱等級（F級155 ℃），研究不同環(huán)境溫度（30、60、90、120、155 ℃）下PDIV的變化規(guī)律。接著，使用幅值為4.5 kV、上升時間為80 ns、占空比為50%的雙極性方波測試變頻電機匝間絕緣的耐電暈壽命，同時采用特高頻測試技術(shù)觀察試樣搭接點有無冷卻油時高壓方波下的放電統(tǒng)計特性，研究油液對電老化過程及最終絕緣壽命的影響。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 正弦環(huán)境不同油量下的起始放電特性

當試樣中無冷卻油液時，多次測試表明，試樣的PDIV約為1.8 kV。隨著冷卻油液的滴加，局部放電起始電壓變化曲線如圖3所示。從圖3可知，隨著油液的滴加，PDIV呈上升趨勢。滴加0.01～0.05 mL油液時，PDIV變化并不明顯，當試樣全部浸入油液后，局部放電起始電壓上升至13.5 kV。通過采集放電數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，與無油液環(huán)境相比，滴加油液后局部放電的相位未發(fā)生明顯變化。

2.2 不同環(huán)境溫度下的起始放電特性

圖3 不同油液滴加量下的局部放電起始電壓變化曲線Fig.3 The PDIV under different oil quantity

在試樣搭接處滴加0.01 mL油液的條件下，測試環(huán)境溫度對PDIV的影響，結(jié)果如圖4所示。從圖4可知，當試樣間氣隙受到油液影響時，PDIV較無油液條件有所上升[12]。但隨著溫度的升高，PDIV整體呈下降趨勢，油液對PDIV的影響不再顯著。

圖4 不同溫度條件下局部放電起始電壓變化曲線Fig.4 The PDIV curve under different temperature

2.3 重復(fù)方波電壓下的耐電暈壽命

在試樣接觸點周圍涂抹冷卻油液，使油液均勻附著在試樣表面，模擬變頻電機脈寬調(diào)制電應(yīng)力，在頻率為2 kHz、峰峰值為4.5 kV、上升時間為80 ns的雙極性重復(fù)方波電壓下，測試匝間絕緣的耐電暈壽命。并采用阿基米德平面螺旋天線，結(jié)合頻域硬件濾波方法，記錄高頻方波電壓下的局部放電。改變環(huán)境溫度，記錄油液條件下環(huán)境溫度變化對放電統(tǒng)計特性及耐電暈壽命的影響。以上測試均與無冷卻油環(huán)境進行對比，以研究油液對絕緣耐電暈壽命和放電統(tǒng)計特性的影響。在有、無油液環(huán)境下匝間絕緣的耐電暈壽命統(tǒng)計結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，溫度較低時（＜120℃），匝間絕緣表面涂抹油液后的耐電暈壽命下降。當環(huán)境溫度達到120℃以上時，絕緣表面存在的少量油液對耐電暈壽命無明顯影響。圖6為155℃下（F級絕緣）有、無油液時試樣擊穿后，使用光學顯微鏡觀察得到的接觸點放電腐蝕和擊穿狀態(tài)。從圖6中可以看出，當絕緣表面涂抹有少量油液時，表面腐蝕程度較空氣中放電更為集中，說明表面油液加入可能會改變放電過程對絕緣表面的電老化過程。

圖5 不同環(huán)境溫度下的耐電暈壽命Fig.5 Endurance under different temperatures

圖6 搭接點表面腐蝕及擊穿特性Fig.6 Characteristic of breakdown points

試驗中同時發(fā)現(xiàn)，當絕緣材料表面涂抹較多冷卻油，使放電點幾乎浸入油中時，如果局部放電仍存在，此時試樣耐電暈壽命達到無油液和少量油液的4倍以上。這是因為此時絕緣表面大部分被油覆蓋，從而抑制了大部分放電發(fā)生。

2.4 不同溫度下冷卻油對放電統(tǒng)計特性的影響

在有、無油液條件下，環(huán)境溫度為30℃和155℃時，試樣的放電統(tǒng)計特性如圖7所示。從圖7可知，在重復(fù)方波電壓下，溫度變化對放電特性的影響顯著。為便于分析不同溫度環(huán)境下的放電特性，分別記錄局部放電數(shù)據(jù)，不同試驗記錄1 000個周期，當溫度從30℃至155℃變化時，放電數(shù)量及放電在上升沿和下降沿處的占比如表1所示。從表1可知，隨著溫度的升高，較多比例放電出現(xiàn)在上升沿和下降沿后20 μs內(nèi)，且溫度越高，放電出現(xiàn)的相位延遲越大。

圖7 有無油液下典型PRPD圖Fig.7 PRPD patterns with and without cooling oil

通過圖7及表1總結(jié)得出：①較無油液情況下，油液的加入會使放電特性改變，放電相位延遲增大；②隨著溫度的升高，更多放電發(fā)生在上升沿和下降沿后，且幅值明顯升高。

表1 放電特性隨溫度變化統(tǒng)計Tab.1 PD features at different temperatures

3 油液對絕緣性能影響機理分析

冷卻油對變頻電機匝間絕緣電性能的影響主要從兩個方面分析：PDIV和耐電暈性能的變化，分別代表流注放電的起始以及放電對絕緣的電老化影響。

流注放電的產(chǎn)生需滿足以下條件：①氣隙內(nèi)電場強度超過局部放電起始電場；②出現(xiàn)激發(fā)電子崩的初始電子[13-15]。根據(jù)巴申定律，放電位置應(yīng)發(fā)生在試樣接觸點的外側(cè)，與接觸位置有一定距離[16]。因此，在放電腐蝕作用下，絕緣最終擊穿點也應(yīng)位于放電點附近。采用高精度顯微鏡記錄的放電腐蝕和擊穿試樣如圖8所示。

圖8 試樣擊穿點狀態(tài)Fig.8 The breakdown and erosion location

從圖8可知，在漆包線接觸點附近，自由電子行程達不到激發(fā)電子崩和流注放電條件，因此放電電老化腐蝕和最終擊穿區(qū)域位于試樣接觸點外側(cè)一定范圍內(nèi)。

3.1 油液及溫度對PDIV的影響機理分析

匝間絕緣氣隙中油液的加入會填充試樣接觸處的氣隙，如圖9所示，從而在氣隙處不易發(fā)生放電，較大提升了PDIV，得到圖3的結(jié)果，即室溫下隨著油滴的加入，PDIV呈逐漸升高的趨勢。從圖3中也注意到，當?shù)斡土看笥?.05 mL時，試樣氣隙外側(cè)大部分已被油浸，因此較難出現(xiàn)放電，此時PDIV大幅升高。

圖9 油液滴加后試樣狀態(tài)Fig.9 Sample condition after dropping oil

然而，隨著溫度的升高，絕緣氣隙內(nèi)的油液黏度下降，油液會沿絕緣材料表面擴散，改變絕緣氣隙形狀，交界處部分油滴失去填充作用，因此得到圖4結(jié)果，即隨著溫度升高，PDIV逐漸降低。另外，在沒有油滴填充條件下，溫度升高有利于電子崩過程發(fā)射初始電子，更易滿足流注放電的第2個條件，放電更易發(fā)生。

3.2 油液對局部放電特性及耐電暈壽命的影響

隨著溫度升高，放電發(fā)生后熱老化作用加劇，絕緣的耐電暈壽命逐漸下降。本研究中在有油和無油條件下，隨著溫度的升高，匝間絕緣的耐電暈壽命都逐漸下降，這一變化趨勢與其他研究結(jié)果一致[17-19]。

從圖7可知，絕緣表面附著油液后，放電可能由單點放電變?yōu)辄c面放電，與無油狀態(tài)相比，上升沿和下降沿后出現(xiàn)了更多放電。但隨著溫度升高，一方面油滴由于溫度上升，黏度下降后發(fā)生擴散，更多絕緣暴露在空氣中；另一方面，相對于油液環(huán)境影響，放電過程中環(huán)境溫度對電老化起到更加重要的作用。

4 結(jié)論

在正弦和重復(fù)脈沖電壓下，實驗研究了冷卻油環(huán)境對散繞電機匝間絕緣PDIV和耐電暈性能的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）室溫環(huán)境下，較無油液環(huán)境，滴油及浸油環(huán)境，變頻電機匝間絕緣的PDIV顯著提高；油液環(huán)境下，溫度升高時PDIV呈先上升后下降的趨勢，但均高于無油條件下的PDIV。

（2）絕緣表面受少量油液污染情況下，油液對絕緣耐電暈壽命的影響受環(huán)境溫度的影響較大，溫度升高時表面油液對耐電暈壽命的影響作用減弱。

（3）冷卻油在增加低壓散繞電機絕緣繞組散熱能力的同時，可顯著提升PDIV，客觀上提升了高頻脈沖電壓下變頻電機絕緣的電性能。