重復(fù)方波參數(shù)對變頻電機(jī)絕緣放電頻域能量分布影響研究

于超凡，王 鵬，馬世金，李佩宜，Shakeel AKRAM

（四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

采用脈寬調(diào)制（pulse-width modulation，PWM）驅(qū)動的變頻電機(jī)具有優(yōu)異的啟動和調(diào)速性能，在新能源汽車、高速鐵路和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)三相交流電機(jī)相比，變頻電機(jī)工作在電力電子產(chǎn)生的PWM電壓下，受到饋電電纜、變頻器阻抗不匹配等因素影響，電機(jī)端部易產(chǎn)生明顯過電壓。當(dāng)此過電壓在電機(jī)繞組中分布不均時(shí)，絕緣系統(tǒng)局部承受高頻、快速變化的脈沖電壓沖擊，易發(fā)生局部放電，加速絕緣老化，導(dǎo)致絕緣早期失效[1-3]。

低壓散繞電機(jī)絕緣系統(tǒng)中含有較多有機(jī)材料組分，屬于I型絕緣結(jié)構(gòu)，在電機(jī)全生命周期內(nèi)不應(yīng)有放電存在，一般出現(xiàn)放電即判定絕緣失效。根據(jù)國際電工技術(shù)委員會（IEC）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4]，應(yīng)聯(lián)合采用正弦和重復(fù)脈沖對絕緣系統(tǒng)進(jìn)行局部放電起始電壓（PDIV）測試。并且，電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)絕緣系統(tǒng)運(yùn)行電壓應(yīng)以較大裕度低于PDIV，以確保在電機(jī)服役周期內(nèi)不產(chǎn)生放電引起的加速老化[5]?？梢?，PDIV測試是保證低壓散繞變頻電機(jī)絕緣系統(tǒng)安全的重要手段。

一般來講，相間絕緣和主絕緣PDIV測試可采用正弦電壓替代重復(fù)脈沖。然而，為模擬變頻器產(chǎn)生的PWM電壓在低壓散繞絕緣中的不均勻分布現(xiàn)象，必須采用與變頻器具有相似重復(fù)脈沖電壓上升速率（dV/dt）的重復(fù)脈沖進(jìn)行匝間絕緣PDIV測試[6]。測試過程中，應(yīng)緩慢提升電壓幅值，直至第一個(gè)放電出現(xiàn)，以得到激發(fā)放電的最小電壓值，即PDIV。

正弦電壓下PDIV測試技術(shù)（IEC 60270-2015）在工業(yè)界已有成熟應(yīng)用。然而，模擬PWM電壓的重復(fù)脈沖具有較復(fù)雜的波形參數(shù)，且IEC相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)對測試參數(shù)未有明確定義。大量研究表明，在具有短于100 ns上升時(shí)間的重復(fù)脈沖電壓下進(jìn)行PDIV測試時(shí)，產(chǎn)生重復(fù)脈沖電壓的電力電子器件會在時(shí)頻域產(chǎn)生與放電信號重合的高頻干擾，此干擾可能會損壞傳感器及弱電處理單元。并且，如采用類似于正弦下直接耦合的測試方法，放電脈沖會淹沒在電力電子開斷干擾中?？梢姡趶?qiáng)電磁干擾的影響下，正弦電壓下頻帶為500 MHz以下的放電測試技術(shù)，已不再適用于高頻、快速變化的重復(fù)脈沖電壓下的PDIV測試[7]。

采用電磁檢測方法，可有效提取重復(fù)脈沖電壓下放電的更高頻率能量。研究表明，電力電子高頻干擾（脈沖電源干擾）大多分布在500 MHz以下，特高頻測試方法可避開500 MHz以下電力電子開斷干擾的影響，是 IEC 61934-2011、IEC 60034-27-5-2021等標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)推薦的方法[8]。可見，采用特高頻傳感器提取局部放電頻域能量信號，通過頻域?yàn)V波，以500 MHz以上的放電頻域能量識別首次放電出現(xiàn)，對提升測試系統(tǒng)的靈敏度具有重要意義。

然而，受到重復(fù)脈沖電壓復(fù)雜參數(shù)（如幅值、上升時(shí)間、頻率、占空比等）的影響，放電特性可能會產(chǎn)生較大變化，特高頻傳感器常不能有效地采集局部放電激發(fā)的電磁信號，必須關(guān)注脈沖參數(shù)對放電頻域能量分布規(guī)律的影響，結(jié)合天線的工作原理設(shè)計(jì)并選擇具有合適參數(shù)的特高頻傳感器，提升PDIV測試過程中的信噪比和靈敏度。

初步研究表明，dV/dt對變頻電機(jī)繞組匝間絕緣放電量、放電次數(shù)、放電分布特性影響顯著[9-11]，電壓峰峰值、極性等參數(shù)對放電譜圖也有一定影響[12-13]。然而，迄今為止，還未見關(guān)于復(fù)雜脈沖參數(shù)對放電頻域能量分布影響的系統(tǒng)研究。

對此，本研究借助重復(fù)脈沖電壓參數(shù)可調(diào)的高頻脈沖發(fā)生器和寬頻帶特高頻傳感器，采用變頻電機(jī)匝間絕緣試樣，研究重復(fù)脈沖幅值、頻率、占空比、上升時(shí)間等PWM關(guān)鍵參數(shù)對放電頻域能量分布特性的影響，希望能為變頻電機(jī)絕緣PDIV測試時(shí)特高頻傳感器參數(shù)優(yōu)化、重復(fù)脈沖電壓參數(shù)的選擇提供實(shí)驗(yàn)及理論參考，進(jìn)而提升測試靈敏度和信噪比。

1 實(shí)驗(yàn)測試平臺

散繞電機(jī)匝間絕緣主要由漆包線組成，雖然生產(chǎn)過程中會進(jìn)行絕緣真空浸漬處理，但無法完全消除匝間絕緣中存在的氣隙。根據(jù)GB/T 4074.5—2008，將長度約為40 cm、耐熱等級為155級（F）的聚氨酯漆包線在絞線機(jī)上扭絞成長度約為12.5 cm、漆包線夾角約為60°的絞線對，模擬存在氣隙的變頻電機(jī)匝間絕緣[14]，用于重復(fù)脈沖電壓下實(shí)驗(yàn)研究低壓變頻電機(jī)多點(diǎn)放電電磁波的頻域能量特性。測試前，對絕緣表面進(jìn)行預(yù)處理，使用無水酒精清洗漆包線表面，去除表面可能存在的雜質(zhì)。然后將試樣放于烘箱中烘焙24 h以消除水分。為排除偶然因素的影響，獲得準(zhǔn)確的局部放電統(tǒng)計(jì)特性，相同條件下至少測試5個(gè)試樣，每個(gè)測試條件下，均采集300個(gè)周期內(nèi)的局部放電脈沖，經(jīng)過傅里葉變換后，對不同測試條件下的局部放電頻譜進(jìn)行統(tǒng)一繪制，得到放電頻域統(tǒng)計(jì)特性。

重復(fù)脈沖電壓下絕緣放電測試系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)由重復(fù)方波高壓電源、高壓探頭、特高頻天線傳感器（VSWR＜2，工作頻帶為0.5～2.0 GHz，能耗低于10%）、示波器（帶寬為2.5 GHz）、溫濕度控制箱、頻域?yàn)V波器等組成。重復(fù)脈沖電源可產(chǎn)生脈沖幅值為0～20 kV、上升時(shí)間為10～600 ns、占空比為1%～99%、頻率為1 Hz～20 kHz的重復(fù)脈沖電壓。試樣置于溫濕度控制箱內(nèi)以保證測試時(shí)的溫濕度恒定。特高頻天線置于控制箱外約15 cm處接收放電信號，經(jīng)過檢波和濾波后輸入至數(shù)字示波器通道1，高壓脈沖電源的電壓信號通過1 000∶1、帶寬為50 MHz的高壓探頭分壓后接入通道2作為同步信號。

圖1 重復(fù)脈沖電壓下絕緣放電測試系統(tǒng)Fig.1 Insulation discharge test system at repetitive impulsive voltages

2 頻域能量分布測試結(jié)果

2.1 占空比對放電頻域能量分布的影響

經(jīng)初步測試，待測試樣的PDIV約為2.0 kV。因此，為研究占空比對匝間絕緣放電頻域能量分布的影響，固定雙極性重復(fù)方波峰峰值為2.4 kV、脈沖上升時(shí)間為200 ns、頻率為200 Hz。通過改變重復(fù)脈沖發(fā)生器的觸發(fā)信號得到占空比分別為10%、20%、30%、40%、50%的重復(fù)方波。在電壓上升沿處激勵(lì)試樣產(chǎn)生放電，采用特高頻傳感器記錄放電脈沖。多次測量得到不同電壓占空比下的放電頻譜如圖2所示。從圖2可以看出，在占空比小于20%時(shí)，放電脈沖頻譜主要分布在0.50～1.50 GHz，1.50～2.00 GHz頻段未發(fā)現(xiàn)有明顯的能量分布，且0.50～1.00 GHz內(nèi)的能量占比高于1.00～1.50 GHz的能量占比。隨著測試電壓占空比的增加，放電脈沖在各頻率處的幅值增大，頻譜變寬，當(dāng)占空比大于20%時(shí)，1.50～2.00 GHz開始出現(xiàn)能量分布。

圖2 不同占空比下的局部放電頻譜Fig.2 Partial discharge spectrum with different duty ratio

為定量研究不同頻率區(qū)間內(nèi)放電脈沖頻域能量的變化情況，引入頻域能量積分值Ef如式（1）[15]所示。

式（1）中：fh為不同頻段頻率上限；fl為不同頻段頻率下限；f為頻率；F（f）為局部放電脈沖的傅里葉變換結(jié)果。

將放電能量分為低頻E1（0.50～1.00 GHz）、中頻 E2（1.00～1.50 GHz）以 及 高 頻 E3（1.50～2.00 GHz）3個(gè)部分。圖3為放電脈沖頻域能量分布圖。從圖3可以看出，在不同占空比下，各頻段能量在放電信號中的占比呈現(xiàn)相同變化規(guī)律。放電脈沖頻域能量主要集中在低頻E1，中頻E2有部分能量，高頻E3幾乎沒有能量分布。隨占空比的增大，E1、E2、E3均呈增長趨勢，高頻成分E3的增長速度遠(yuǎn)大于E1和E2。

圖3 不同占空比局部放電脈沖頻域能量分布Fig.3 Frequency domain energy distribution of PD pulse voltages with different duty ratio

可見，在進(jìn)行重復(fù)方波電壓下的PDIV測試時(shí)，采用50%占空比重復(fù)方波，系統(tǒng)能探測到更多的放電頻域能量，有利于提升測試靈敏度。如采用小占空比重復(fù)方波電壓（如10%），系統(tǒng)探測到放電能量較小，在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)應(yīng)著重提高傳感器在0.5～1.5 GHz的增益以獲取較多高頻放電能量。

2.2 頻率對放電頻域能量分布的影響

頻率是驅(qū)動變頻電機(jī)逆變器輸出波形的重要參數(shù)，開關(guān)頻率提升有利于提升電力電子裝置的能量密度、降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。在進(jìn)行PDIV測試時(shí)，研究方波電壓頻率對放電統(tǒng)計(jì)特性的影響較為重要[16-17]。

固定雙極性重復(fù)方波電壓峰峰值、上升時(shí)間、占空比分別為3.5 kV、600 ns、50%，通過改變重復(fù)方波電源的觸發(fā)信號得到頻率為50 Hz、1 kHz、2 kHz和5 kHz的重復(fù)脈沖。在4種頻率下檢測試樣的放電頻域能量，得到放電頻譜分布如圖4所示。

圖4 不同頻率下的放電頻譜分布Fig.4 Partial discharge spectra at different frequencies

從圖4可以看出，在脈沖電壓頻率為50 Hz時(shí)，放電頻域能量分布較廣，能量主要分布在0.50～1.50 GHz，1.50～1.75 GHz具有少量能量，1.75～2.00 GHz幾乎沒有能量分布。隨著脈沖電壓頻率增加，頻譜范圍逐漸變窄。當(dāng)測試電壓頻率大于1.00 kHz時(shí)，1.75～2.00 GHz頻段能量幾乎衰減至0。隨著電壓頻率增加至5.00 kHz，無能量分布的頻段擴(kuò)大至1.50～2.00 GHz。計(jì)算頻域能量Ef，得到放電脈沖頻域能量分布圖，如圖5所示。

圖5表明放電脈沖的頻域能量主要集中在E1和E2，E3內(nèi)僅分布少量的能量。隨著頻率的增加，E1、E2、E3能量分布均呈減小趨勢，且總體衰減速度近似相等?？梢?，隨著頻率的增加，在各個(gè)頻段放電能量都有所衰減，必然會影響重復(fù)方波電壓下PDIV測試的靈敏度。根據(jù)放電機(jī)理及已有報(bào)道[18]，頻率并不直接影響絕緣的PDIV。故低頻和高頻電壓下應(yīng)得到相似的PDIV，即方波電壓頻率對絕緣實(shí)際PDIV影響較小。因此，在進(jìn)行重復(fù)方波電壓下PDIV測試時(shí)，采用低頻方波電壓采集局部放電頻域能量，更有利于提升測試靈敏度。

圖5 不同頻率局部放電脈沖頻域能量Fig.5 The energy in frequency domain of PD pulse at different frequencies

2.3 上升時(shí)間對局部放電頻域能量分布的影響

上升時(shí)間是PWM電壓的重要參數(shù)。一方面，上升時(shí)間會影響變頻電機(jī)端部過電壓及電壓在繞組中的分布特性[19-20]；另一方面，上升時(shí)間也受到電力電子功率器件開關(guān)特性、外部負(fù)載特性等因素影響。在進(jìn)行PDIV測試時(shí)，上升時(shí)間是重復(fù)方波電壓的重要參數(shù)，必須考慮其對PDIV測試過程和測試結(jié)果的影響。

固定重復(fù)脈沖電壓頻率、幅值、占空比分別為50 Hz、3.5 kV和50%，通過改變高壓電路充放電電阻參數(shù)，得到上升時(shí)間分別為60、200、500、1 000 ns的重復(fù)方波電壓，研究待測試樣在不同電壓上升時(shí)間下的頻域能量分布，將不同上升時(shí)間下放電頻譜繪制于圖6。由圖6可知，在上升時(shí)間較短時(shí)，放電脈沖頻譜能量增大，且主要分布在0.50～1.00 GHz和1.00～1.50 GHz，而1.50～2.00 GHz僅有少量能量。隨著測試電壓上升時(shí)間的增加，放電脈沖在各頻率處的幅值減小，頻譜范圍變窄。0.50～1.50 GHz的能量占比遠(yuǎn)高于1.50～2.00 GHz。

圖6 不同電壓上升時(shí)間下的局部放電頻譜Fig.6 Partial discharge spectrum under different voltage rise time

圖7為3個(gè)不同頻域能量隨上升時(shí)間變化的統(tǒng)計(jì)特性。圖7表明，隨著電壓上升時(shí)間的增加，各頻段的頻域能量均快速下降。放電脈沖頻域能量E1、E2、E3隨電壓上升時(shí)間的增加總體呈減小趨勢，高頻成分E3在500 ns上升時(shí)間電壓下迅速衰減，E2的衰減速度和E1的衰減速度幾乎相同，隨著上升時(shí)間從60 ns增長至500 ns，頻域能量的衰減速度不斷加快。

圖7 不同電壓上升時(shí)間局部放電脈沖頻域能量Fig.7 The energy in frequency domain of PD pulse in different voltage rising time

可見，上升時(shí)間對放電信號頻域分布影響顯著，短上升時(shí)間激發(fā)的放電信號高頻能量較多，采用高頻響應(yīng)較好的特高頻傳感器易獲取放電能量，發(fā)現(xiàn)放電，從而提升測試靈敏度。然而，隨著上升時(shí)間的增加，電力電子器件開斷動作也必然產(chǎn)生時(shí)頻域幅值增加的干擾，此時(shí)，改進(jìn)高頻成分的傳感器增益性能，也更利于測試信噪比的提升。

2.4 電壓幅值對放電頻域能量分布的影響

固定重復(fù)脈沖電壓頻率、上升時(shí)間、占空比分別為50 Hz、200 ns和50%，通過改變直流母線電壓，在峰峰值分別為2.0、2.4、2.8、3.2、3.6、4.0 kV的重復(fù)脈沖電壓下采集匝間絕緣試樣的放電信號，得到不同電壓峰峰值下放電頻域平均頻譜如圖8所示。

由圖8可知，不同放電幅值下放電能量主要分布在0.50～1.25 GHz和1.50～1.75 GHz。隨著測試電壓幅值增加，放電脈沖在各頻段的幅值增大，頻譜范圍呈變寬趨勢，但在0.50～1.25 GHz頻段的能量占比遠(yuǎn)高于1.50～1.75 GHz。因此，僅將頻段能量分為低頻E1（0.50～1.00 GHz）和高頻E2（1.00～2.00 GHz）。

圖8 不同電壓幅值下的放電頻譜分布Fig.8 Partial discharge spectrum under different voltage amplitudes

圖9為頻域能量分布圖。從圖9可以看出，放電脈沖頻域能量E1、E2隨電壓幅值增加呈明顯增長趨勢，且二者的增長速度相近，E1和E2在局部放電能量中所占比例基本保持不變。在電壓達(dá)到PDIV時(shí)，放電幅值較小，如果傳感器增益較小，首次放電可能會淹沒在背景噪聲或電力電子高頻開斷干擾中，此時(shí)需提升傳感器的增益才能探測到首次放電。

圖9 不同電壓幅值局部放電脈沖頻域能量Fig.9 The energy in frequency domain of PD pulse with different voltage amplitude

3 結(jié)論

（1）不同的脈沖參數(shù)下，放電頻域能量主要集中在0.75 GHz和1.25 GHz附近，特高頻傳感器有效工作頻帶應(yīng)覆蓋0.5～2.0 GHz。重復(fù)方波幅值增加，各頻段內(nèi)放電脈沖頻域能量增大，PDIV測試時(shí)也更易檢測出放電，發(fā)現(xiàn)絕緣系統(tǒng)的潛在缺陷。

（2）隨著重復(fù)方波電壓占空比在0～50%增加，重復(fù)方波上升沿處的放電能量在1.5～2.0 GHz頻段內(nèi)提升顯著，說明占空比為50%的對稱方波電壓有利于提升重復(fù)方波電壓下PDIV測試靈敏度。

（3）重復(fù)方波電壓上升時(shí)間對整個(gè)頻段范圍內(nèi)放電能量分布影響明顯，高頻成分隨上升時(shí)間減小而增加。說明提升0.5～1.5 GHz處的特高頻傳感器增益，結(jié)合0.5 GHz下頻率濾波，有利于提升PDIV測試信噪比。

（4）重復(fù)方波電壓頻率增加，頻率放電能量減少，說明在進(jìn)行PDIV測試時(shí)，低頻方波更易提升測試信噪比。