基于三線法的低壓散繞變頻電機(jī)絕緣短板判定方法研究

程馳宙，王 鵬，劉新霆，師 洋，郭厚霖，Shakeel AKRAM

（四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

變頻電機(jī)是新能源汽車、高速鐵路和艦船潛艇的心臟，其運(yùn)行可靠性至關(guān)重要[1-2]。相較于傳統(tǒng)電機(jī)，低壓散繞變頻電機(jī)工作在脈寬調(diào)制（pulse-width modulation，PWM）電壓下，其絕緣系統(tǒng)需承受高頻、快速變化的重復(fù)脈沖電應(yīng)力[1,3-4]。電機(jī)端部阻抗不匹配和繞組內(nèi)部電壓分布不均等問題易造成繞組內(nèi)部電場強(qiáng)度集中，使絕緣出現(xiàn)局部放電，加之電機(jī)運(yùn)行的高溫環(huán)境，在電熱聯(lián)合作用下，絕緣早期失效現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[3,5-6]。

局部放電會(huì)破壞低壓散繞變頻電機(jī)內(nèi)部有機(jī)物的分子鏈，從而加速絕緣老化。因此，根據(jù)國際電工技術(shù)委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)：IEC 60034-18-41:2014、IEC 60034-18-42:2017[7-8]，絕緣系統(tǒng)的局部放電起始電壓（partial discharge inception voltage，PDIV）應(yīng)以一定裕度大于電機(jī)運(yùn)行電壓，以保證電機(jī)絕緣在生命周期內(nèi)不出現(xiàn)放電[6]。

電機(jī)絕緣主要體現(xiàn)在主絕緣、相間絕緣和匝間絕緣3個(gè)部分。主絕緣（對(duì)地絕緣）和相間絕緣分別承受逆變器PWM電壓的相電壓和線電壓，不存在電壓分布不均問題，其絕緣系統(tǒng)可采用正弦電壓下的PDIV峰峰值來評(píng)估[9-10]。然而，對(duì)于匝間絕緣，應(yīng)采用與逆變器輸出的PWM電壓具有相似上升時(shí)間的重復(fù)脈沖電壓進(jìn)行測定，以模擬PWM電壓在繞組中產(chǎn)生的電壓分布不均現(xiàn)象[11]。

由于電機(jī)制造過程的瑕疵或運(yùn)行中的絕緣老化，電機(jī)的絕緣短板位置可能與設(shè)計(jì)預(yù)期有所不同[4]。例如，設(shè)計(jì)時(shí)將主絕緣作為絕緣短板，其所能承受的電壓最小，但由于實(shí)際運(yùn)行中的絕緣老化問題，電機(jī)的絕緣短板位置可能會(huì)逐漸向匝間絕緣或其他部位轉(zhuǎn)移，不再滿足絕緣要求，此時(shí)電機(jī)則需要維護(hù)或更換。因此，從安全運(yùn)行角度出發(fā)，如何判定絕緣短板的部位是提升低壓散繞變頻電機(jī)絕緣可靠性的關(guān)鍵。

IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)僅規(guī)定了主絕緣、相間絕緣和匝間絕緣的測試方法，但未解決以下兩個(gè)問題：①“木桶效應(yīng)”的短板判定問題，即電機(jī)運(yùn)行中的絕緣水平取決于以上3個(gè)部位絕緣中最薄弱的部位，而IEC對(duì)如何尋找定位該薄弱部位沒有相關(guān)闡述；②PDIV隨逆變器電壓上升時(shí)間變化的問題，即匝間絕緣PDIV特性改變后，低壓散繞變頻電機(jī)絕緣系統(tǒng)短板位置可能會(huì)發(fā)生改變[12]。

已有研究中，大部分采用理想的雙絞線和交叉漆包線等簡單模型，這種模型呈容性特征，與實(shí)際電機(jī)的定子繞組具有較大區(qū)別[13-15]，不能完全模擬電機(jī)實(shí)際工作條件下的電應(yīng)力。此外，在低壓散繞變頻電機(jī)絕緣短板判定過程中，上升時(shí)間作為電機(jī)端部過電壓的重要影響因素，對(duì)匝間絕緣PDIV的影響必須予以重點(diǎn)考慮[16-17]。

針對(duì)以上問題，本研究聯(lián)合重復(fù)脈沖和正弦電壓下的PDIV測試技術(shù)，提出了判定低壓散繞變頻電機(jī)絕緣短板的三線法。在重復(fù)脈沖電壓下測定不同上升時(shí)間匝間絕緣的PDIV，擬合形成VTT（turnto-turn，匝間）曲線；在正弦電壓下測定繞組相間絕緣與主絕緣的PDIV，以最小值形成VPP（phase-tophase，相間）曲線和 VPG（phase-to-ground，相地）曲線；將上述3種PDIV曲線組合形成“三線圖”并分區(qū)，以此判斷不同上升時(shí)間下的絕緣短板。為進(jìn)一步驗(yàn)證上述方法的有效性，在仿真分析匝間絕緣PDIV隨上升時(shí)間變化的基礎(chǔ)上，采用三臺(tái)不同型號(hào)的低壓散繞變頻電機(jī)進(jìn)行PDIV測試，繪制“三線圖”判定絕緣短板位置，并對(duì)電機(jī)進(jìn)行加壓擊穿實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上述判定方法的準(zhǔn)確性。

1 測試平臺(tái)和測試方法

1.1 匝間絕緣PDIV測試系統(tǒng)

圖1為重復(fù)脈沖電壓下PDIV測試平臺(tái)，采用的重復(fù)脈沖電壓波形如圖2所示。重復(fù)脈沖發(fā)生器由直流電源、高壓逆變模塊、高壓電阻和弱電保護(hù)驅(qū)動(dòng)等組成。通過改變高壓電路的R、C參數(shù)可調(diào)節(jié)輸出脈沖的上升時(shí)間[17]。研究表明，高頻逆變過程中，電力電子開關(guān)高速開斷會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的高頻干擾，給重復(fù)脈沖電壓下的PDIV測試帶來較大困難[18-19]。對(duì)此，本研究優(yōu)化設(shè)計(jì)特高頻阿基米德平面螺旋天線（見圖3），通過添加微帶巴倫實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，同時(shí)在輻射層上覆蓋高介電常數(shù)介質(zhì)，優(yōu)化0.5～2.0 GHz處傳感器性能，以有效抑制上述高頻干擾[19]，保證重復(fù)脈沖電壓下PDIV測試的靈敏度。

圖1 重復(fù)脈沖電壓下PDIV測試平臺(tái)Fig.1 PDIV test platform under impulse voltage

圖2 重復(fù)脈沖電壓波形示意圖Fig.2 Sketch map of repetitive impulsive voltage waveform

圖3 高增益特高頻傳感器Fig.3 High gain UHF sensor

測試中，控制環(huán)境溫度為25℃，相對(duì)濕度為50%。天線和定子試樣距離為10 cm，實(shí)現(xiàn)近場檢測[19]。重復(fù)脈沖發(fā)生器輸出電壓直接連接至低壓散繞變頻電機(jī)繞組，特高頻天線輸出接至帶寬大于2.5 GHz、采樣率大于10 GS/s的高速數(shù)字示波器，并采用帶寬大于50 MHz的高壓探頭提取高頻脈沖信號(hào)作為同步信號(hào)。為抑制脈沖發(fā)生器電力電子開斷干擾，采用高通硬件濾波消除0～0.5 GHz的能量[19]。

1.2 主絕緣、相間絕緣PDIV測試系統(tǒng)

正弦電壓下電機(jī)絕緣PDIV測試系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、高速數(shù)字示波器、局放測試儀、耦合電容及檢測阻抗組成，如圖4所示。信號(hào)發(fā)生器輸入的正弦信號(hào)經(jīng)過功率放大器放大后輸出至待測定子。利用耦合電容與檢測阻抗提取放電信號(hào)，使用局放測試儀處理放電信號(hào)并生成放電相位統(tǒng)計(jì)特性，可有效去除測試過程中背景噪聲的干擾，提升測試準(zhǔn)確度。

圖4 正弦電壓下局部放電測試平臺(tái)Fig.4 PD test platform under sinusoidal voltage

1.3 靈敏度校驗(yàn)

相較于正弦電壓，脈沖電壓具有較短的上升時(shí)間，由于受到上升沿處過電壓的影響，初始電子有可能在短時(shí)間內(nèi)被激發(fā)，在測量過程中所得PDIV值會(huì)略微偏高[20]。若使用相同傳感器，則測得的PDIV值相差很小。然而，上述兩種測試平臺(tái)使用的是不同的傳感器，為保證測試結(jié)果準(zhǔn)確可信，需要進(jìn)行靈敏度對(duì)比。

制作5個(gè)如圖5所示的絞線對(duì)試樣[21]來驗(yàn)證靈敏度。試樣一端輸入高壓，另一端接地，在25℃、125℃兩個(gè)溫度下，施加相同電壓參數(shù)的正弦與脈沖電壓波形，模擬本研究中的測試環(huán)境，在正弦和脈沖電壓下分別采用耦合電容直測法和特高頻法，測試絞線對(duì)的PDIV，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，相同溫度下，同一試樣在兩種電壓波形下的PDIV測試結(jié)果相差很小，證明兩個(gè)測試平臺(tái)的靈敏度基本相同。因此可以推測，測試方法和靈敏度基本不會(huì)影響本研究中聯(lián)合采用正弦和脈沖電壓判斷低壓散繞電機(jī)絕緣PDIV短板的結(jié)果。

圖5 漆包絞線對(duì)試樣Fig.5 Enameled twisted pair sample

圖6 正弦和脈沖電壓下絞線對(duì)PDIV測試結(jié)果Fig.6 PDIV test results of twisted pair under sinusoidal and pulse voltage

1.4 測試條件和方法

采用重復(fù)脈沖電壓對(duì)三相匝間絕緣進(jìn)行PDIV測試時(shí)，考慮電機(jī)實(shí)際運(yùn)行的電壓上升時(shí)間，取50、75、100、200 ns 4種上升時(shí)間作為測試參數(shù)，每次測試均固定上升時(shí)間，為防止電壓快速升高導(dǎo)致電機(jī)繞組提前放電，以15 V/s的速度緩慢升高電壓直至出現(xiàn)第一次局部放電，記錄此時(shí)的電壓峰峰值即為該上升時(shí)間下的PDIV。

采用正弦電壓對(duì)三相主絕緣和相間絕緣進(jìn)行PDIV測試時(shí)，以15 V/s的速度緩慢升高電壓，當(dāng)局放檢測儀檢測到PD放電時(shí)，停止升壓并記錄此時(shí)示波器電壓峰峰值，即為PDIV。

2 絕緣短板識(shí)別流程和“三線圖”

2.1 絕緣PDIV測試

在重復(fù)脈沖電壓下進(jìn)行匝間絕緣PDIV測試。電機(jī)定子中性點(diǎn)打開以避免相間絕緣及主絕緣產(chǎn)生放電，電機(jī)單相繞組一端接高壓輸入，另一端接地，機(jī)殼及其他相處于懸浮狀態(tài)，如圖7(a)所示。通過在繞組兩端施加脈沖電壓以模擬電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中匝間電壓分布，激發(fā)匝間絕緣產(chǎn)生放電，得到PDIV測試結(jié)果。由于低壓散繞電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，實(shí)際不關(guān)注繞組匝間的場強(qiáng)分布，而只需以通入繞組中的電壓峰峰值衡量導(dǎo)致匝間絕緣出現(xiàn)放電的單相電壓幅值。在上述4種上升時(shí)間下分別測量三相PDIV值并比較，取每個(gè)上升時(shí)間下的三相PDIV最小值作為該上升時(shí)間下的匝間絕緣PDIV。

圖7 定子絕緣部位PDIV測試連接圖Fig.7 PDIV test connection diagram of stator insulation parts

在正弦電壓下進(jìn)行主絕緣PDIV測試。正弦電壓下定子繞組電壓分布均勻，匝間不會(huì)出現(xiàn)局部放電[3,8]。單相繞組一端接高壓輸入，另一端和其他相懸空，機(jī)殼接地，如圖7(b)所示。測量三相繞組PDIV值并比較，取最小值作為主絕緣的PDIV值，記為VPG，得到主絕緣的PDIV曲線為一條直線，如圖8(a)所示。

在正弦電壓下進(jìn)行相間絕緣PDIV測試。與主絕緣類似，定子三相繞組兩兩一組，一相接高壓輸入，另一相接地，其余相、端口和機(jī)殼均懸空，如圖7(c)所示。測量3種相間絕緣的PDIV值，取最小值作為相間絕緣PDIV值，記為Vpp，得到相間絕緣的PDIV曲線如圖8(b)所示。

圖8 正弦電壓下的PDIV曲線Fig.8 PDIV curves under sinusoidal voltage

每次實(shí)驗(yàn)至少進(jìn)行3組平行實(shí)驗(yàn)，局部放電起始電壓均取其最小值，以保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和避免隨機(jī)因素的影響。

2.2 匝間絕緣PDIV的放電特性

由于重復(fù)脈沖電壓在電機(jī)定子端部易產(chǎn)生過電壓，導(dǎo)致繞組匝間電壓分布不均勻，繞組首匝線圈往往承受最高的局部過電壓，使局部過電壓大于PDIV從而引發(fā)局部放電[12]。上升時(shí)間作為過電壓產(chǎn)生的重要因素，有必要探究其對(duì)匝間絕緣PDIV的影響[17]。使用3臺(tái)不同規(guī)格的低壓散繞變頻電機(jī)按照2.1所述流程進(jìn)行PDIV測試，3臺(tái)電機(jī)參數(shù)如表1所示，測試結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，隨著電壓上升時(shí)間由50 ns增至200 ns，3種電機(jī)的PDIV值均增大，當(dāng)上升時(shí)間增加到100 ns附近后，PDIV的增大速率減緩，說明上升時(shí)間達(dá)到100 ns后對(duì)電機(jī)的PDIV值影響逐漸下降。對(duì)3臺(tái)電機(jī)的PDIV進(jìn)行指數(shù)擬合，擬合通式如式（1）所示。

圖9 匝間絕緣PDIV實(shí)際測試結(jié)果Fig.9 PDIV test results of turn-to-turn insulation

表1 3臺(tái)低壓散繞變頻電機(jī)參數(shù)Tab.1 Parameters of three low-voltage random-wound inverter-fed motors

得到3臺(tái)電機(jī)對(duì)應(yīng)的具體表達(dá)式如式（2）所示。

2.3 繪制三線圖

將上述流程得到的3種曲線（主絕緣PDIV曲線VPG（圖8(a)）、相間絕緣PDIV曲線VPP（圖8(b)）和不同上升時(shí)間下匝間絕緣的PDIV曲線VTT（圖9））組合可得三線圖，如圖10所示（假設(shè)VPG>VPP）。

圖10 三線圖樣例Fig.10 Three-curve method diagram example

由圖10可以看出，不同上升時(shí)間區(qū)間內(nèi)對(duì)應(yīng)不同絕緣部分的最小PDIV。在上升時(shí)間①區(qū)間內(nèi)，匝間絕緣的PDIV顯著小于相間絕緣和主絕緣的PDIV，即匝間絕緣更容易發(fā)生放電，因此當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在此脈寬調(diào)制（PWM）電壓時(shí)，電機(jī)絕緣短板位置應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注匝間絕緣；當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在上升時(shí)間②區(qū)間時(shí)，相間絕緣的PDIV小于匝間和主絕緣的PDIV，此時(shí)的相間絕緣取代匝間絕緣成為絕緣短板，需要優(yōu)先關(guān)注，其次則考慮匝間絕緣，最后為相間絕緣。上升時(shí)間③區(qū)間同理。

此外，三線圖可根據(jù)逆變器輸出的電壓參數(shù)，在電機(jī)運(yùn)行前預(yù)判其絕緣短板位置。以圖10為例，當(dāng)逆變器上升時(shí)間位于②區(qū)間時(shí)，可以直接判定其相間絕緣強(qiáng)度較弱，不需要重新進(jìn)行新工況下的PDIV測試判斷絕緣短板位置，節(jié)約了電機(jī)絕緣測試的工作量。圖11展示了三線法定位低壓散繞變頻電機(jī)絕緣短板的流程。

3 測試與驗(yàn)證

3.1 三線法判定結(jié)果

利用三線法判定上述3臺(tái)不同規(guī)格低壓散繞變頻電機(jī)的絕緣短板。按照?qǐng)D11所示測試流程，采用50 Hz作為正弦電壓參數(shù)；以頻率50 Hz，占空比0.1%作為脈沖電壓參數(shù)，在4個(gè)上升時(shí)間下繪制三臺(tái)電機(jī)的“三線圖”，結(jié)果如圖12所示。其中，匝間絕緣的PDIV曲線VTT采用指數(shù)擬合，擬合函數(shù)式如式（1）所示。

圖11 三線法判定電機(jī)絕緣短板流程圖Fig.11 Three-wire method for judging insulation vulnerable spot of motor

對(duì)電機(jī)A經(jīng)過判定：在圖12(a)上升時(shí)間①區(qū)所示的上升時(shí)間區(qū)間內(nèi)，匝間絕緣的PDIV值較小，電機(jī)A的絕緣短板定位至匝間絕緣；當(dāng)上升時(shí)間位于②、③區(qū)域后，主絕緣的PDIV顯著小于其余位置的PDIV，因此電機(jī)絕緣短板應(yīng)定位至主絕緣，需重點(diǎn)關(guān)注。電機(jī)B、C的短板判定同理。

圖12 3臺(tái)電機(jī)絕緣測試“三線圖”Fig.12 Three-curve diagrams of insulation test for three motors

3.2 判定結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證判定結(jié)果的正確性，進(jìn)行以下破壞性實(shí)驗(yàn)：施加具有一定上升時(shí)間的重復(fù)脈沖電壓，直至電機(jī)定子擊穿，然后判斷擊穿位置。將電機(jī)A采用圖7(a)的連接方式，輸入頻率為50 Hz、占空比為0.1%、上升時(shí)間為60 ns的3.8 kV重復(fù)脈沖進(jìn)行加壓實(shí)驗(yàn)，該電壓遠(yuǎn)高于電機(jī)的PDIV以確保電機(jī)擊穿。由三線法可知，在該上升時(shí)間下，主絕緣將是絕緣短板，會(huì)率先發(fā)生擊穿。擊穿短路后電壓驟降，其余位置將不會(huì)再次擊穿，通過對(duì)比擊穿的部位與擊穿前三線法定位的絕緣短板部位是否一致，驗(yàn)證三線法的準(zhǔn)確性。

電機(jī)A擊穿后，使用兆歐表測量主絕緣電阻，測量顯示U相絕緣電阻顯著減小，證明電機(jī)A的U相主絕緣已經(jīng)發(fā)生擊穿。然而，兆歐表測量方法無法確定匝間絕緣是否被擊穿，需要采用倍頻交流放大法[22]做進(jìn)一步檢測。某相匝間絕緣發(fā)生擊穿后，該相繞組會(huì)存在少量匝間短路導(dǎo)致電感量小幅減少，但是由于減少量ΔL很小，在工頻下很難檢測。而采用工頻倍數(shù)頻率的電源測試電感量的減小值（ΔL）可以被放大，相應(yīng)的該相電流也會(huì)顯著增大，最終表現(xiàn)為擊穿相的電流會(huì)顯著大于其他正常相。

基于以上原理，選擇圖4所示正弦電壓平臺(tái)，在50 Hz與1 kHz電源下測試三相繞組內(nèi)的電流值，表2為兩種頻率下記錄的電流值。從表2可以看出，50 Hz與1 kHz下電機(jī)A各相電流值未見明顯增大，最大電流差值約3.4%，可認(rèn)為電流無明顯差異，證明繞組內(nèi)部電感沒有明顯減小，即繞組匝間絕緣未發(fā)生擊穿。

表2 倍頻下三相電流值Tab.2 The current of three-phase under different frequency

綜上，擊穿實(shí)驗(yàn)后，兆歐表法和倍頻電流放大法結(jié)果共同證明電機(jī)A在60 ns的上升時(shí)間下只有U相主絕緣發(fā)生擊穿，其余部位并未發(fā)生絕緣擊穿，說明U相主絕緣是電機(jī)A在60 ns上升時(shí)間下的絕緣短板，與三線法判定結(jié)果一致，證明三線法對(duì)電機(jī)絕緣短板位置的判定準(zhǔn)確可靠。

4 結(jié)論

（1）正弦電壓下三相主絕緣和相間絕緣的PDIV近似呈直線分布，PDIV基本不受上升時(shí)間的影響。

（2）對(duì)3臺(tái)電機(jī)在不同上升時(shí)間下的PDIV測試實(shí)驗(yàn)表明，隨著上升時(shí)間延長，電機(jī)匝間絕緣的PDIV逐漸增大；當(dāng)上升時(shí)間增加到100 ns后，上升時(shí)間對(duì)電機(jī)PDIV值的影響逐漸下降。

（3）三線法可準(zhǔn)確可靠地判定低壓散繞變頻電機(jī)的絕緣短板，提高絕緣系統(tǒng)絕緣短板的判定效率。