高压异步电动机变频运行中绝缘损坏的分析和对策

高 军

（浙能镇海发电有限责任公司，浙江 镇海 315208）

近几年来，随着电力电子技术的发展和装置性价比的提高，变频器已在火电厂交流电动机中得到广泛应用，不仅实现了节能减排，而且提高了控制品质。对500 kW/6 kV以下的高压异步电动机，如果采用高压变频器，其改造成本相对较高，投资回报周期长；而将此类高压电动机改成690 V低压电动机，用低压变频器带电动机运行，则具有改造投资相对小、低压变频器的可靠性比高压变频器高等优点。但在690 V变频器应用中，曾出现了电动机绝缘损坏的问题，需要加以分析并采取相应的对策。

1 高压异步电动机的变频改造

2台16NL-180立式凝结水泵（简称凝泵），原配用额定功率430 kW/6 kV的JSL-4型电动机，在变频改造中，凝泵采用低压变频的方式：6 kV电源经出线开关送至降压变，降压变将6000 V降为690 V，经690 V低压变频器去启动690 V电机，其中变频器选用不可控整流、二电平结构电压变频器（输出侧未配置滤波器），电动机采用Y400-4型普通立式三相异步电动机（采用散嵌绕组）。凝泵变频器系统接线简图如图1所示。

图1 凝泵变频器系统接线简图

2 第一次电动机绝缘损坏的分析及处理

2.1 存在问题

在甲凝泵变频器带载调试中过流动作跳闸，经查变频器、电缆无异常，电动机定子绕组对地绝缘为12 MΩ，直流电阻互差6.9%，进一步检查发现故障点在电动机定子绕组上，其中一相线圈匝间短路，拆开故障线圈，发现故障相的第一槽线圈（在上层）发生匝间短路，此支路有4根断股（12根并绕），同时还与下层线圈（异相）发生短路，使变频器过流动作跳闸。

2.2 原因分析

对变频器在不同负荷工况下的输出线电压进行了录波。从测得的变频器输出电压波形图（见图2）可见，因变频器输出侧采用PWM的控制方式，输出矩形波脉冲电压，而且二电平PWM电压源型变频器输出幅值最大为直流母线电压，使变频器输出电压有很高的电压变化率du/dt，输出波形质量差。据有关研究，这种矩形脉冲电压在电动机绕组中产生的匝间电压与正弦电压有很大的差异。参考文献[3]指出在电压脉冲的上升时间很短（即du/dt很大）时，电动机定子绕组首匝要承担约80%的脉冲电压幅值，其匝间电压超过平均匝间电压的10倍以上，同时电动机绕组各线圈电压分布的不均匀程度大于在同一线圈各匝间的不均匀程度。因此，在凝泵电动机“△”接线的绕组中，相首相尾的匝间以及相邻相间的线圈就成为最危险的受害部位，当这些部位的瞬时电压超过线圈绝缘的击穿电压时，线圈绝缘发生击穿，这也与电动机损坏点的情况相符。

另外，变频器输出的矩形波脉冲电压频率约为几千赫兹到十几千赫兹。这种高频脉冲波在电缆中的传播是一个波过程，在传播过程中遇到介质突变的界面时，由于特性阻抗不同，会发生波的反射。由于电缆一端与变频器相连，另一端与电动机相连，三者的特性阻抗不同，因此当高频脉冲电压波到达电缆两端时会有电压反射发生。在电动机端，当高频脉冲电压波由变频器输出、通过电缆到达电动机端时，会产生1个大小为ГUDC的反射电压，其中UDC为变频器输出端电压，Г为电动机端电压的反射系数，可由式（1）表示：

式中：Zx为电动机特性阻抗；Zc为电缆特性阻抗。

由于Zx≫Zc，Г≈1，因此反射电压沿相反方向传播，这时电动机端电压接近2UDC。当反射电压到达变频器端部时再次反射，其反射系数为：

式中：Zs为变频器特性阻抗。

通常变频器可以近似看成是一个电压源，即Zs≈0，Гs≈-1，因此这个再次反射的电压波以-ГUDC向电动机端传播，到达电动机端，使电动机端电压下降为UDC，这时在电动机端仍会产生一个反射，并使电机端电压减小为零，至此完成了传播过程的一次循环，以后这种多次反射将周期性重复。当这些反射电压波与原始脉冲电压波叠加，就会产生电压尖峰。这种电压尖峰即使采用了滤波器也无法彻底抑制。实际检测增加滤波器后的变频器输出电压和电动机端电压部分放大如图3所示，从图中可以看出电动机端电压峰值达到780 V，超过变频器输出电压近40%，使电动机定子绕组匝间电压超过普通690 V电动机绕组绝缘材料的起晕电压，引起局部放电使绝缘材料击穿。

图2 安装滤波器前变频器输出电压波形图及放大波形

2.3 采取的技术对策

针对上述分析，为防止电动机绝缘的损坏，应降低电压的峰值和减小du/dt，减少谐波，提高电动机绕组绝缘材料的起晕电压。

（1）三电平PWM电压源型变频器与同类的二电平变频器相比，由于输出相电压电平数由2个增加到3个，线电压电平数则由3个增加到5个，每个电平幅值降低到一半的直流母线电压，在同等开关频率的前提下，可使输出电压的du/dt相应减小，输出波形质量也有较大改善。因此，690 V电压等级的变频器宜采用三电平变频器。在本次变频改造中，因现实条件限制无法将二电平变频器改为三电平变频器。

（2）在变频器输出端设置滤波器，利用输出滤波器抑制变频器输出电压的高频分量，从而降低电动机侧的电压峰值和减小du/dt，据此要求厂家增装了输出滤波器。在采取了这一措施后，再次检测变频器-滤波器的输出电压（见图4）。比较图3和图4，可见输出滤波器降低了至电动机侧的电压峰值，并减小了du/dt。

（3）尽管采用滤波技术能降低电动机侧的电压峰值和减小du/dt，但在图4中可见电压尖峰仍部分存在，电动机难免要承受重复性高频电压脉冲冲击，加速绝缘老化，缩短电动机的使用寿命。脉冲频率越高幅值越大，则电动机绝缘寿命越短。因此在二电平变频器增装输出滤波器的基础上，必须提高电动机绕组的的绝缘水平。为了提高电动机绕组绝缘材料的击穿电压，将现有电动机的散嵌绕组改用变频电动机专用电磁线，可耐受峰值电压≥2 kV/0.3 μs。同时为了进一步提高绕组绝缘的耐放电能力，采用真空压力浸渍工艺，消除绝缘空隙。

图3 电动机端电压波形放大图

图4 安装滤波器后滤波器输出电压放大波形图

3 第二次电动机绝缘损坏的分析及处理

3.1 存在问题

在整套系统正式投运1080 h后，乙凝泵变频器过流保护动作跳闸，电动机定子绕组对地绝缘为20 MΩ，直流电阻互差7.2%，进一步检查发现故障点仍在电动机定子绕组上，其中一相线圈匝间短路，并造成故障槽内异相的上、下层线圈相间绝缘击穿，使变频器过流动作跳闸。

3.2 原因分析

首先，这一次电动机绝缘损坏情况与第一次相似，问题仍在电动机定子绕组相首相尾的匝间绝缘上。此前在电动机上已采取了加强绕组绝缘的措施。分析认为，防电晕电磁线虽然加厚了绝缘层，但漆层（即绝缘层）的小孔难以杜绝，并且加厚的漆层在线圈绕制中易变脆，甚至产生裂纹。当浸渍漆未能完全填充这些小孔和裂纹，就很可能在电磁线绝缘交界处产生气泡或气隙。因为气体的介电常数很小，在交流电场中电场强度与介电常数成反比，所以在气泡中的电场强度要比周围介质高得多，而气体击穿场强一般比液体或固体低得多，因而很容易在气泡或气隙中首先局部放电，这种局部放电在高频脉冲电压冲击下，绝缘介质损耗迅速增大，将使绕组绝缘迅速老化，直至击穿或烧毁。

其次，电动机采用散嵌绕组形式，线圈导线并绕根数多（12根），匝数少（7匝），匝间电压高，在槽内的首匝与末匝完全有可能紧靠在一起，此时首尾两匝间承受的电压就是该线圈上的电压。若该线圈是第一个线圈（即相首），则首尾两匝间承受的电压就更高，极易发生匝间短路，再加上电机线圈嵌线过程易损伤电磁线漆层等不利因素，更降低了此类电动机的可靠性。

3.3 采取的改进对策

针对散嵌绕组存在问题，需要进一步提高电动机绕组耐高频脉冲电压能力。由于成型绕组一般用扁线绕制，经涨型、整型、压型、包绝缘等工序，扁线的截面积比散嵌绕组漆包线的截面积大得多，因而线圈的并绕根数也少得多，成型绕组扁线排列比散嵌绕组的漆包线整齐，相首相尾线圈加强匝间绝缘易做到，同时槽内上下层线圈和绕组端部的线圈之间以及相间的绝缘也将大大提高；更关键的是云母绝缘材料使成型绕组的耐电晕性能较散嵌绕组的漆包线有了明显的提高。因此，成型绕组是提高变频电机耐高频脉冲电压能力的绕组型式之一。为此，将电动机改为采用成型绕组的YLTP400-4型变频调速三相异步电动机。经一段时间的运行，没有再发生电动机定子绝缘损坏故障，取得了即安全又节能的良好效果。

4 结语

在对高压异步电动机进行690 V低压变频节能调速技术改造中，由于采用二电平PWM电压源型变频器，其较大的电压变化率du/dt及质量差的输出电压波形，多次造成电动机绝缘损坏。要充分认识到变频器高频脉冲电压的危害，无论是二电平变频器还是三电平变频器都必须配置输出滤波器，同时在采用二电平变频器的条件下，必须采用成型绕组的绝缘加强型变频专用电动机，以保证设备的安全稳定运行。

[1] 韩安荣.通用变频器及其应用[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2] 郭宇婕，黄立培，姜建国.PWM变频器供电对异步电机绝缘的影响[J].大电机技术，2001（1）∶25-29.

[3] YIFAN TANG.Analysis of steep-fronted voltage distribution and turn insulation failure in inverter-fed form-wound AC motor[J].IEEE Trans on industry Applications，1998（5）∶1088-1096.

[4] 李振宇，焦明霞.变频电机的绝缘结构[J].防爆电机，2002（4）∶14-16.