油污環(huán)境對變頻電機芳綸絕緣PDIV影響研究

陳 林，杜玉春，安笑妍，郭厚霖，董 涵，劉國棟，王 鵬

（1.四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065；2.煙臺民士達特種紙業(yè)股份有限公司，山東 煙臺 264006）

0 引言

變頻電機具有優(yōu)良的調(diào)速性能，是新能源汽車的動力來源，也是汽車三大關(guān)鍵技術(shù)之一。由于功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用，變頻電機承受高頻、快速變化的脈寬調(diào)制（PWM）電壓沖擊。受到容性和感性分布參數(shù)的影響，電機端部電壓在繞組中容易產(chǎn)生不均勻分布。當絕緣中電壓超過局部區(qū)域空氣擊穿電壓時，便會以高概率出現(xiàn)局部放電，加速絕緣電老化，最終出現(xiàn)早期失效現(xiàn)象[1-5]。同時，脈寬調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生的脈沖電壓和高頻諧振也可能加重電機定子銅耗和鐵耗，提高電機繞組溫升，加速絕緣熱老化，增加了絕緣早期失效概率[6]。

針對以上情況，國際電工技術(shù)委員會（IEC）提出了IEC 60034-18-41[7]。標準要求，對低壓散繞電機必須在重復(fù)方波和正弦電壓下測試絕緣系統(tǒng)的PDIV，并在電機絕緣設(shè)計時，確保PDIV高于電機的額定電壓，且具有一定的安全裕度，以避免電機運行過程中產(chǎn)生局部放電。

間位芳綸紙具有優(yōu)良的絕緣性能[8]，被廣泛應(yīng)用在H級和C級絕緣系統(tǒng)的主絕緣中[9]，可提高電機過熱過載能力，減小電機尺寸，大幅提高電機的使用壽命和安全性?？梢?，在變頻電機應(yīng)力下研究芳綸PDIV特性對評估電機絕緣性能具有重要意義。

因空間和質(zhì)量限制，提供汽車驅(qū)動力的電機向大功率、輕量化方向發(fā)展是大勢所趨[10]。然而，將電機的溫升限制在允許范圍內(nèi)是保證電動汽車正常運行的重要前提，解決電機的散熱問題成為電動汽車發(fā)展的重要任務(wù)。和傳統(tǒng)水冷相比，油冷可大幅提高冷卻效率[11-12]，已在電動汽車中得到廣泛應(yīng)用，成為電動汽車發(fā)展的重要方向。然而，冷卻油直接通入電機內(nèi)部，與電機絕緣長期接觸，可能對電機絕緣造成潛在影響[13]。當散熱不均勻時，電機內(nèi)部可能出現(xiàn)局部油溫過高，使絕緣介質(zhì)性能下降。因此，油冷電機在應(yīng)用前需考慮油液環(huán)境對其絕緣系統(tǒng)的影響。目前國內(nèi)外針對油液環(huán)境下變頻電機芳綸絕緣紙絕緣特性的研究較少，在不同溫度下研究油液對芳綸紙PDIV的影響，對提高變頻電機絕緣可靠性具有重要的工程意義。

變頻電機絕緣承受高頻脈沖電壓，但脈沖電壓參數(shù)較為復(fù)雜。一般來講，根據(jù)局部放電條件并結(jié)合氣體擊穿理論，采用正弦電壓更易得到絕緣起始放電電壓的保守值[14-15]。對此，本文重點研究油污和溫度變化對芳綸保守PDIV的影響，而并不關(guān)注PWM電壓下復(fù)雜的電壓參數(shù)。通過對比同一溫度下有、無油液時PDIV的變化，得出冷卻油液對芳綸紙絕緣性能的影響規(guī)律，并分析其可能原因。

1 試驗

1.1 試樣

試樣采用煙臺民士達特種紙業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的YT510型芳綸紙，其厚度分別為0.22、0.25、0.30 mm，性能參數(shù)如表1所示。在一些電動汽車的設(shè)計中，其變速箱油在潤滑變速齒輪的同時對電機進行冷卻，因此試驗油液采用美孚ATF220汽車自動排檔油。

表1 芳綸紙參數(shù)Tab.1 Aramid paper parameters

實驗前按照以下步驟對試樣進行處理：①將芳綸紙剪裁成40 mm×40 mm的正方形，使用無水乙醇擦拭試樣表面，并置于105℃的真空干燥箱中烘焙1 h，以清除試樣表面可能存在的雜質(zhì)和水分。②將干燥后的一半試樣均勻涂抹0.02 mL油液。

實驗時將試樣置于溫度控制箱內(nèi)，測試在不同環(huán)境溫度（20、80、120、150℃）下的PDIV。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。

1.2 電極結(jié)構(gòu)

試驗采用如圖1所示的球-板電極結(jié)構(gòu)，其中半球形電極直徑為15 mm，接至正弦高壓，直徑為50 mm的平板電極與地電位相接。

圖1 電極結(jié)構(gòu)Fig.1 Electrode configuration

1.3 局部放電測試系統(tǒng)

局部放電測試系統(tǒng)如圖2所示，主要由正弦電源、溫度控制箱、示波器、PC和試樣構(gòu)成。正弦電壓由功率放大器產(chǎn)生，測試時通過調(diào)整功率放大器輸入，可得到在0～30 kV內(nèi)連續(xù)可調(diào)的輸出電壓。使用高壓探頭（50 MHz帶寬，分壓比為1 000∶1）采集高壓信號并接入數(shù)字示波器（2 GHz帶寬，采樣率為16 GS/s）通道CH1作為放電同步信號。同時使用TechImp公司的PD-BaseⅡ采集放電，其測試數(shù)據(jù)經(jīng)過光纖轉(zhuǎn)換模塊傳輸后與局域網(wǎng)連接并由計算機端接收。

圖2 PDIV測試系統(tǒng)Fig.2 PDIV test system

2 結(jié)果與討論

2.1 局部放電相位特性

在正弦電壓下，芳綸絕緣紙發(fā)生局部放電時的典型相位譜圖如圖3所示。由圖3可知，局部放電脈沖分布在10°～105°和190°～275°，主要集中于第一象限和第三象限，并且存在較明顯的極性效應(yīng)，即工頻負半周的放電量比正半周大。同時，第三象限的放電相位分布更集中在190°～240°，而第一象限的放電相位分布較為分散，表明正弦電壓下芳綸絕緣紙的局部放電主要發(fā)生在電壓上升階段。

圖3 局部放電相位譜圖Fig.3 PRPD spectrum

2.2 厚度對PDIV影響

在環(huán)境溫度為20℃下，3種厚度的芳綸絕緣紙的PDIV測試結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，無油時，厚度為0.22 mm的芳綸絕緣紙在3.2 kV左右就發(fā)生了放電，而厚度為0.30 mm的芳綸絕緣紙則在3.7 kV左右才開始放電；油液環(huán)境中，3種厚度的芳綸絕緣紙的PDIV從4.5 kV左右上升到5.0 kV左右，可見厚度對芳綸絕緣紙的PDIV影響顯著，隨著厚度的增加，無油和有油情況下芳綸紙的PDIV變化一致，均呈上升趨勢。

圖4 不同厚度芳綸絕緣紙的PDIVFig.4 The PDIV of aramid insulating papers with different thickness

根據(jù)氣隙放電理論可知，產(chǎn)生局部放電的條件為[15-16]：氣隙內(nèi)的電場強度超過起始放電場強以及存在初始電子激發(fā)電子崩。由于氣體介電常數(shù)較小，氣隙中產(chǎn)生的電場強度較高，因而在球-板電極模型中，放電首先發(fā)生在芳綸絕緣紙的氣隙中。

在電極上施加工頻正弦電壓時，絕緣紙內(nèi)部氣隙的起始放電電壓U可由式（1）表示。

式（1）中：E為絕緣紙中氣隙內(nèi)部的場強；E1為電極之間的場強；d為芳綸絕緣紙的厚度；δ為與交流電場方向平行的氣隙厚度。由式（1）可知，隨著厚度的增加，氣隙的起始放電電壓會隨之升高。

2.3 溫度對PDIV的影響

試樣表面不涂抹油液時，改變環(huán)境溫度分別測試芳綸絕緣紙的PDIV，3種厚度的絕緣紙PDIV變化曲線如圖5(a)所示。由圖5(a)可知，3種厚度的芳綸絕緣紙PDIV均隨著溫度的升高而下降，同時在所有測試溫度條件下均保持著2.2節(jié)中的規(guī)律：紙的厚度越大，其PDIV越高。

圖5 不同環(huán)境溫度下芳綸絕緣紙的PDIV變化曲線Fig.5 The PDIV curves of aramid insulating papers under different temperature

在相同條件下，將試樣表面均勻涂抹油液后測試其PDIV的變化，結(jié)果如圖5(b)所示。由圖5(b)可知，在油液環(huán)境下，芳綸絕緣紙的PDIV也隨著溫度升高而降低。同時，芳綸紙表面涂抹油液的PDIV在溫度低于120℃時隨溫度的升高變化較大，而在溫度從120℃升高到150℃時PDIV下降速度變緩。表面涂抹油液的芳綸絕緣紙在150℃時的PDIV較20℃時下降了2 kV左右，而無油環(huán)境下的PDIV僅下降了0.5 kV，表明在有油時PDIV隨溫度的升高而下降更多，溫度變化對油液環(huán)境下芳綸絕緣紙的絕緣性能影響更大。

對于以上現(xiàn)象，機理解釋如下：首先，溫度升高增加了空氣電離概率，更易產(chǎn)生激發(fā)電子崩的初始電子，從而提升了放電概率，PDIV隨之降低。如果空氣中存在的自由電子是激發(fā)初次電子崩的主要因素，則以上因素應(yīng)是溫度影響PDIV的主要原因。

同時，溫度升高絕緣表面易出現(xiàn)異性電荷積聚，使表面場強畸變，增強局部放電初始電子的產(chǎn)生概率，從而降低材料的起始放電電壓[15-16]。且隨著溫度的升高，芳綸絕緣紙的介電常數(shù)有所增加，起始放電電壓與電場的分布有關(guān)，在交流電場下電場強度分布與絕緣材料的介電常數(shù)呈反比，因而更容易產(chǎn)生局部放電。

2.4 油液對PDIV的影響

為研究油污環(huán)境對芳綸絕緣紙PDIV的影響，在相同溫度下分別測試有、無油液時芳綸絕緣紙的PDIV，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，在20℃時，油污環(huán)境中的PDIV明顯高于無油環(huán)境中；隨著環(huán)境溫度的升高，油液環(huán)境中的PDIV迅速下降，在120℃和150℃時油液環(huán)境中的PDIV反而低于無油環(huán)境中的PDIV。

圖6 有無油液時芳綸絕緣紙的PDIV變化曲線Fig.6 The PDIV curves of aramld insulating papers with and without oil

從圖6還可以看到，無油和涂油時PDIV變化曲線在環(huán)境溫度為100℃左右時相交，并且3種厚度的芳綸絕緣紙變化規(guī)律一致。表明在常溫下，油液能夠顯著提升芳綸絕緣紙的PDIV，而環(huán)境溫度超過100℃時，油液反而使芳綸絕緣紙的PDIV有所下降。

表2為0.25 mm厚度的芳綸絕緣紙PDIV變化統(tǒng)計。根據(jù)表2可知，在20℃時，油污環(huán)境中芳綸絕緣紙的PDIV較無油時高40%左右，而在150℃時則較無油時降低了10%左右。其原因可能為：①常溫時，油液在芳綸表面均勻涂抹，填充了表面部分氣隙，不易產(chǎn)生放電，致使PDIV有較大提高。②隨著溫度的升高，氣隙中的油液黏度下降，油逐漸分散，油液失去填充作用，一部分氣隙暴露在空氣中，因而PDIV下降。③油溫的升高，可能使絕緣表面油液分布不均勻，部分區(qū)域產(chǎn)生場強集中，進而使PDIV有所下降，同時油液中含有的微量水分在高溫下產(chǎn)生氣泡，也可能引起PDIV下降。但以上推論需進一步驗證。

表2 0.25 mm厚度的芳綸絕緣紙PDIV變化統(tǒng)計Tab.2 The PDIV of aramid insulating papers with 0.25 mm of thickness

3 結(jié)論

（1）環(huán)境溫度為20℃時，芳綸絕緣紙的PDIV隨厚度的增加而略有上升。

（2）表面有、無油液的芳綸絕緣紙PDIV均隨著溫度的升高呈現(xiàn)顯著的下降趨勢；在常溫下，油液能大幅提升其PDIV，提高變頻電機的絕緣性能；而在150℃高溫下，油液使芳綸絕緣紙的PDIV降低了10%左右。因此，為保證變頻電機芳綸絕緣的性能，設(shè)計時應(yīng)考慮足夠的裕量。