高频方波脉冲下变频电机绞线对的局部放电特性分析

徐慧慧，吴广宁，朱光亚，罗 杨，曹开江，张依强

(西南交通大学电气工程学院，四川 成都610031)

1 引言

随着我国高速铁路的快速发展，高速机车普遍采用变频调速交流传动系统，而变频调速牵引电机是高速机车的核心技术之一，其安全、可靠性直接影响高速机车的性能。由于半导体开关器件技术的发展，使得PWM变频调速技术在交流传动领域得到广泛的应用［1-2］。国内外研究发现变频电机定子绕组绝缘承受的不再是传统的正弦电压而是连续的高压方波脉冲;一方面，高压方波脉冲具有极快的上升和下降时间，导致定子绕组中电压分布极不均匀;另一方面，高压方波脉冲的频率很高，可达20kHz［3-4］。变频牵引电机长期工作在高频和陡峭的上升和下降沿的方波脉冲电压下，导致其绝缘过早失效，而且通常发生在匝间绝缘。研究表明，局部放电是其早期失效的主要原因之一［5-6］。因而，对局部放电的检测和评估也就成为检测变频牵引电机绝缘状况的重要手段，有助于分析变频牵引电机绝缘的破坏机理。

本文针对变频电机绞线对进行试验，用以研究其匝间绝缘的破坏机理。在双极性高频方波脉冲电压下对试样进行了局部放电测试，分析了频率和上升时间对局部放电起始电压(PDIV)、平均放电量(Qmean)及放电次数(PD Number)的影响，探讨了脉冲电压下绞线对的局部放电机理。

2 试验装置和试样

2.1 试样

试验中采用外观如图1所示的绞线对试样，其绝缘材料和工艺与变频牵引电机采用的电磁线圈相同。绞线对由两根并行的电磁线和外绝缘层组成，电磁线绝缘膜的厚度为0.21mm，其外绝缘层先用云母带半叠包2次，然后再用玻璃丝带平包一次。匝间绝缘试验时，绞线对试样的两根电磁线作电极。试验前，将试样进行了烘干(100，2h)、屏蔽、防晕等预处理。

图1 绞线对外观Fig．1 Configuration of twisted pair

2.2 试验装置

图2为局部放电测试系统示意图，方波脉冲试验电源PITS7000可产生峰峰值达7000V的双极性方波脉冲电压，频率为1～20kHz可调，当试样的电容小于100pC时，脉冲电压的上升沿约为120ns。脉冲电压的信号通过型号为TektronixP6015A，衰减系数为1000:1的高压差分探头进行采集并输入到双通道高速数字示波器的CH1通道;局部放电信号采用磁导率低的高频NiZn材料电流传感器进行耦合，并输入到示波器的CH2通道，R为无感积分电阻;Cx为待测绞线对试样，高速数字示波器经PCI接口和GPIB连接线将测试到的数据传输到计算机，并采用自编采集软件采集并保存，测试时间为5min，得到多个周期的局部放电数据，之后对保存的数据经统计分析软件进行统计分析。设定示波器的采样频率为500MHz。

图2 局部放电测试系统电路示意图Fig．2 Schematic diagram of PD test

方波脉冲电压下提取的局放信号和工频正弦电压下的有所不同，其一，由于方波脉冲电源的上升沿(d v/d t)较陡，易引起电磁干扰;其二，方波脉冲电压中含有很大的谐波分量，局部放电传感器耦合的信号中包含大量的干扰成分;其三，PWM脉冲的频率较高，产生的局部放电信号数量多且幅值大［7-8］。因此传感器耦合的信号中含有大量干扰信号，为了得到局部放电信号，必须对其进行处理。本文采用小波包滤波的方法，如图3为某次测试数据及其小波包处理结果，由图可知采用该方法能够较好地提取局放信号，且局部放电大多发生在方波脉冲的上升沿和下降沿处，很少发生在平顶区域。

图3 滤波前后的局部放电信号Fig．3 PD signals before and after filter

3 试验结果及分析

3.1 绞线对的起始放电电压

室温条件下，分别测试绞线对试样在不同频率和不同上升时间下的局部放电起始放电电压，结果如图4所示。结果表明随着脉冲电压频率的增大，绞线对的PDIV减小，而随着脉冲电压上升时间的增加，绞线对的PDIV明显增大。

图4 PDIV随频率和上升时间的变化Fig．4 Behavior of PDIV with variation of frequency and rise-time

3.2 频率对局部放电的影响

图5为室温，方波电压上升时间为2μs，幅值3.5kV时，不同频率下绞线对的局部放电参数，由图可知无论是平均放电量还是放电次数都随着方波脉冲电压频率的增大而增大。在放电过程中，放电脉冲的大小和次数与空间电荷的存储效应有关，而气隙内的电荷并非静止，会沿着气隙的表面运动或扩散，导致气隙电荷电场随时间变化。文献［9］用单一的内部气隙模型给出了两次放电间隔期间气隙表面电荷Q的变化公式:其中，t为第一次放电发生的时刻;Δt为两次放电间隔时间;t+为第一次放电结束的时刻;τ为时间常数，在方波脉冲电压的上升和下降时间不变的情况下增大频率时，正负放电间隔气隙表面电荷的变化仅由脉冲电压的频率决定，频率增大时，周期缩短，脉宽变窄，表面空间电荷的扩散时间Δt减小，电荷的衰减作用减弱，使电荷驻留效应增强，反向电场增加，放电幅值增大。而频率的变化只改变了方波脉冲的宽度，对其上升/下降沿并没有影响，因此局部放电在此处的发生几率也不会改变;但脉宽变窄，平顶区域部分出现放电的几率就会降低，从而一个脉冲周期内的放电次数减少;但在一定的单位时间内，脉冲频率增加，则脉冲周期缩短，单位时间内的放电脉冲就会增加，因此单位时间内的放电次数随着频率的增加而增长，且增长速率越来越平缓。

图5 频率对局部放电和的影响Fig．5 Effect of frequency on PD

3.3 上升时间对局部放电影响

室温下，方波电压幅值为3.7kV，频率2kHz时，上升时间对局部放电的影响如图6所示，平均放电量和放电次数均随着上升时间的缩短而迅速增加。由于脉冲电压上升时间的缩短，导致在相同电压幅值下的电压变化率d v/d t增大，因此在外加电压反向时，空间电荷驻留效应明显，增加了电场叠加作用，形成较强的反向电场叠加;上升时间越短，反向电压越高，局部放电量就会越大。放电次数的增加是由于在一次放电结束后，气隙电场立即降为残余电场，电压变化率d v/d t较大时，使气隙电场迅速达到起始放电电场，而残余电场在这段时间内扩散很少，较容易获得初始电子，就会连续出现放电，致使放电次数增多。

图6 上升时间对局部放电的影响Fig．6 Effect of rise-time on PD

4 绞线对的局部放电机理

绞线对试样在方波脉冲电压下的局部放电主要以内部放电为主，由于正弦电压通常使用50Hz频率，且电压的上升时间很长，电压变化率较小，极性反转较慢，在电压极性变换时气隙表面电荷有足够的时间改变极性。而方波脉冲电压的频率可达20kHz，上升时间较短可达μs级，脉冲较陡，在电压极性反转时气隙表面空间电荷的分布特性及对气隙场强的影响不同于正弦电压下的，从而工频下的局部放电机理不在适用于脉冲电压下的。

为了便于分析一个脉冲电压周期内的局部放电过程，将绝缘内部气隙电场分布描述成图7，其中Ei为气隙电场，Eq为气隙内表面空间电荷形成的电场，E0为外施电场的幅值，如图7(a)所示，当有初始电子存在且气隙电场Ei=(E0－Eq)大于局部放电的起始场强时，气隙内将有局部放电产生。放电发生后，如图7(b)所示，气隙电场立即下降到残余电场Eres，内部残余电荷增多，导致Eq增强，致使内外电场趋于平衡，放电熄灭。当方波脉冲电压极性反转时，气隙中的空间电荷来不及移动或扩散，则Eq不变，E0反向，气隙电场加强，如图7(c)所示，此时气隙电场为－(E0+Eq)，当气隙电场达到局部放电起始电场后，发生局部放电，电场再次降至Eres，内部电荷在反向电场作用下运动完成，如图7(d)所示，此后开始下一次局部放电过程。

图7 不同时刻气隙电场的分布Fig．7 Electric field distribution at different time

脉冲电压下的气隙电场变化可以用图8表示［10］，在脉冲电压的上升和下降沿处出现了气隙电场的最大值，这是由于气隙表面的空间电荷在脉冲极性快速变化时来不及运动造成的;而气隙表面空间电荷形成的电场Eq在每次放电以后就会消减气隙的合场强，在每次脉冲电压极性变化时，始终与外施电场的方向保持一致，加强气隙电场，使其承受更大的脉冲电压冲击。

图8 脉冲电压下气隙电场变化Fig．8 Electric field changes of air-gap under pulse voltage

5 结论

本文根据高频方波脉冲电压的特性建立了一套局部放电测试系统，并通过小波滤波技术对提取的局部放电信号进行处理。对不同频率和上升时间下的局部放电特性进行了测试和分析，探讨了方波脉冲下绞线对的局部放电机理，结果表明起始放电电压随着频率的增加而减小，而随着上升时间的增加而增大;高频导致单个周期的放电次数减少，单位时间的放电次数及平均放电量的增加;陡上升沿增强了空间电荷的驻留效应及反向电场的叠加，使平均放电量和放电次数增大。

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