矿用变频牵引电机绝缘提早失效的机理

曹建文

（山西天地矿山技术装备有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

随着电力电子技术及新型半导体器件的迅速发展，交流调速技术得到了不断的完善和提高，逐步完善的变频器以其良好的输出波形、优异的性能价格比在煤矿传动系统中得到广泛应用，尤其在短壁采煤设备上，例如连续采煤机、梭车和铲车，交流变频牵引完全取代了原来的直流牵引，并取得了良好效果。

在交流变频牵引短壁设备的推广应用过程中，曾出现1140V/50kW 一批交流变频调速电动机绝缘早期损坏的情况，交流变频电机运行的寿命只有半年，有的只有几个星期，甚至在试运行中电机绝缘就出现损坏，而且通常发生在匝间绝缘，这给电机绝缘技术提出了新的课题。实践证明，工频正弦波电压下的电机绝缘设计理论不能适用于交流变频调速电机。需要研究变频电机绝缘的损坏机理，建立交流变频电机绝缘设计的基本理论，制定交流变频电机的工业标准。

1 变频电机绝缘提早失效的机理

1.1 变频电机绝缘过早破坏的原因

变频牵引电机绝缘过早破坏是由于热、空间电荷和局部放电造成的。由于变频器的输出方波脉冲的上升沿很陡，在IGBT 器件开关频率下，电压上升速率DV/DT达6000V/μs，远远大于工频正弦 电 机 的 0.15V/μs。 Bellomo、Narang、Guardado 在模 拟 电 动机定子绕组上进行了电压波形的测量、分析和仿真，表明在电动机定子绕组的首端几匝上承担了约80%过电压幅值，这

样绕组首匝处承受的匝间电压超过平均匝间电压10 倍以上，再加上由于电动机与电缆的阻抗不匹配而产生折射和反射，反射波和折射波使电动机端子上产生了约2倍的尖峰过电压，由此可见，绕组首匝处承受的匝间电压超过常规匝间电压值的20 倍以上。

图1 匝间绝缘失效的牵引电机

图2 牵引电机端的实测电压波形

图3 IGBT 开关时牵引电机端的尖峰电压波形

从图2 和图3 可以得知，电机端所承受的实际电压并不是标准的PWM 波形，而是叠加了许多高频尖峰电压的脉冲波形，其最高值约 3400V，上升时间约0.83μs， dv/dt 大约4110V/μs。 主要原因是PWM 波在传输过程中遇到电缆与电机端子连接点（这个波阻抗突变节点），在电机端会产生PWM 波的折射与反射。假设其脉冲幅值为u，在电缆中传播的时间为tc，由变频器到达牵引电机，电缆末端反射电压峰值为uβ，β是波在变频牵引电机端的反射系数，反射波到达变频器器端发生第二次反射，电压峰值为αβu，α是波在变频器端的反射系数，变频器电容在高频下呈短路状态，阻抗近似为零， 反射系数α约等于-1。同理，经过时间3tc，在变频牵引电机端波将再次发生反射，反射电压峰值为αβ2u；再经过时间tc，电压波再一次入射至变频器，反射后电压峰值为α2β2u。当在变频牵引电机端发生 n 次反射后， 即当（2n-1）tc≤t＜（2n+1）tc时， 变频牵引电机端电压为：，由于｜αβ｜＜1，所以，变频牵引电机端子过电压是一个振荡衰减的电压波，如图4所示，其周期为：。其中：L—电缆长度；tc—PWM 波在电缆中的传播速度；l0和c0为单位长度电缆的电感和电容。

图4 IGBT 开通关断的震荡波形

正是由于IGBT 开 通 关 断时 产生的高频尖峰电压，在绕组首匝附近的匝间绝缘产生尖峰过电压的冲击，这是变频电机通常发生绕组局部绝缘击穿，特别是绕组首匝附近的匝间绝缘击穿的原因。同时电压波形的形状、极性的差异，对匝间绝缘的老化和破坏也起到了重要作用。

绕组局部绝缘击穿与绝缘内部的局部放电（或电晕）有很大的关系，当绕组匝间电压超过其起始放电电压，则在匝间发生局部放电。由于变频器的开关频率一般都在数kHz 到数几十kHz 范围内，变频器几个小时产生的脉冲冲击数相当于传统正弦电压下约30年的冲击数（如断路器产生的脉冲）。这样长期重复性的局部放电作用，必然加速绝缘的老化，最终导致电机的损坏。而且脉冲频率越高，幅值越大，则电机绝缘寿命越短。如当电机在最高脉冲频率（20kHz），最短上升时间（0.1μs）和在155℃的条件下，电压幅值为1kV时，由于局部放电的作用，电机寿命只有几个小时。

1.2 局部放电加速变频调速电机绝缘过早失效

在变频电机的生产过程中，尽管采用了耐电晕的电磁线和较先进的真空压力浸漆工艺（VIP）。仍不可完全避免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，在交变电场中，电场强度与介电常数成反比，所以气泡中的电场强度要比周围介质中高得多，而气体击穿场强一般比液体或固体低得多，因而很容易在气泡中首先出现放电。气泡在较高的非均匀电场强度下产生 “电子雪崩”，出现大量的自由电子，这些电子在电场力的作用下做加速运动并获得能量，当这些电子具有的能量与C-H，C=C 或C-C 键的键能相同或相近时，就可以打破这些键，从而破坏绝缘材料的结构。同时电晕放电可以产生氧的等离子体，氧的等离子体一方面生成以臭氧为代表的具有强氧化能力的物质，可以氧化有机物电介质，另一方面直接攻击高分子中的C-H，C=C或C-C 等化学键，从而造成高分子的分解。Kaufold 等人在模拟变频电机的运行条件下，改变电压、频率、温度、脉冲电压波形等条件，对聚酰亚胺为绝缘层的电磁线进行测试，并对绝缘材料的破坏时间和局部放电的发生机率进行了分析，认为变频电机匝绝缘的击穿主要是局部放电作用的结果，其证据为存在局部放电时，介质在短时间内就被击穿，而不存在局部放电时，即使在很高的电应力和热应力下，介质老化两年以上也没有出现击穿现象。局部放电对介质的破坏作用主要包括三个方面，化学腐蚀、局部高温和高能离子轰击。变频电机匝绝缘的破坏过程如图5所示。

图5 局部放电对绝缘破坏的机理

2 解决方法

针对尖峰电压产生局部放电，局部放电致使绝缘提早失效的机理，采取了两种措施有效地提高了牵引电机的绝缘寿命。

（1）在变频器输出端安装正弦波滤波器，它是特殊设计的一种低通滤波器，滤除高频部分使输出成为正弦波电压，其缺点是发热量大，且有电压损失。输出波形见图6，其波形的正弦度已很好，能满足普通工频电机绝缘的要求。

（2）加装DV/DT 抑制器，其实质是一个阻容吸收器，通过电阻和电容的参数相配合，将PWM 波的电压尖峰吸收掉，降低DV/DT 指标，具体波形见图7，PWM 波的折射和发射现象已完全消除，dv/dt已降到163V/μs，基本上满足了变频电机的要求。

图6 正弦波滤波器的输出电压波形

图7 增加DV/DT抑制器后，IGBT开关时牵引电机电压波形

3 总结

针对一批变频牵引电机绝缘提早失效的现象，进行了现场拆解，并对绝缘损伤的原因进行了分析，得出的如下结论：IGBT开通时间在us级别，电机端存在PWM波发射现象，绕组匝间出现高频尖峰电压，过高的尖峰电压和气息导致了局部放电，局部放电最终加速了绝缘提早失效。同时文章给出了相应的解决方案。