变频器对大型电机绝缘寿命的影响

(1.发电设备国家工程研究中心， 黑龙江哈尔滨 150040；2.哈尔滨电机厂有限责任公司， 黑龙江哈尔滨 150040)

变频器对大型电机绝缘寿命的影响

于旭东

(1.发电设备国家工程研究中心， 黑龙江哈尔滨 150040；2.哈尔滨电机厂有限责任公司， 黑龙江哈尔滨 150040)

根据变频器的重复脉冲电压对电机绝缘性能和寿命产生的不利影响，进行了云母绝缘的各种老化试验，结果表明当电场频率比较低时，表征绝缘性能的主要参数就会大幅增加。这也验证了如果预测和评估电机绝缘系统的运行状况，应当在低于工频的低频下进行。

变频器；电机； 绝缘性能；影响

0 引言

上个世纪末，能够实现变频调速的交流电机在世界上已经得到普及。而本世纪初， 能够取代齿轮箱的双馈式风力发电机，由于实现了转子交流变频调速高效节能运行而成为风电设备的主流机型。它们之所以能够采用先进的变频调速技术，主要是得益于大功率电力电子变流器的快速发展。

1 变流器的重复脉冲电压的影响

1.1 变频器

与传统的由工频电压馈电的电机不同，在实施变频变速过程中，由于变流器的重复脉冲电压作用，对电机绝缘寿命有很大影响见图1。 因此， 国际电工委员会(IEC)，根据各国多方面的反映，重新颁布了技术标准 60034—18—42[1，2]， 并提出了《在电压型变频器馈电情况下绝缘系统耐局部放电鉴定试验的推荐意见》，其中包括了电机绝缘系统不同部位的耐电压试验、老化现象和寿命等。现在各国都在进行试验研究并上报所取得的成果,以便修订国际标准。

图1变频器输出仿正弦波及冲击电压

1.2 绝缘寿命

在电机的运行寿命期限内，采用变频技术进行频率和转速调节时，每秒钟的开关操作能够产生数以千计的具有短时上升时间的瞬时阶跃电压。而在采用变频调速技术以前，具有这种快速上升时间的冲击波的主要来源，一直是断路器的开关操作。这种操作的次数可达 100000 次以上，但是，采用变频器供电时，它的重复频率和脉冲上升时间，对绝缘寿命是有很大影响的。 当电压上升到绝缘局部放电起始电压以后，局部放电就成为绝缘老化的主要因素[3]。重复频率的增加会导致绝缘寿命的缩短；电压脉冲的上升时间，也会影响绝缘的老化。对于变频器馈电的高电压电机的云母绝缘来说，就需要有一套标准的试验和评定方法，以便能对绝缘的寿命进行评估和预测。

表征电气绝缘状态的主要特征，是绝缘的介电性能参数。 专项试验研究结果表明， 频率和温度对这种介电性能有很大影响。 试验结果表明， 温度的升高和频率的降低， 对绝缘的介电性能有很大影响。 特别是当频率为低频率时， 对绝缘的劣化性能影响比较突出。

大型发电机的现代绝缘系统，主要由云母带制成[4]。它的成分包括： 云母纸、 玻璃纤维和改性环氧硅橡胶型、亚胺型等热固性树脂。 由于发电机容量的不断增大和电压、电流密度的增加，导致了运行温度的上升，从而使绝缘系统承受了更大的电气机械和热应力， 引起了物理化学变化和化学反应，产生了新的化合物和新的极性物质并导致电荷交换， 促使绝缘中的树脂不断劣化， 绝缘的电气和机械性能降低和介质损耗增加 。

2 老化试验及方法

2.1 老化试验

为了评估绝缘系统的状态 ，可以在实验室通过加速老化试验的方法来实现。在试验过程中，应当测量和分析吸收或再吸收电流、时域介电性能响应 、高频和低频介电性能响应、 局部放电量水平、 耐电压和局部耐电压水平等不同的电气性能参数。

为了能够正确分析测量结果， 在加速老化试验中， 注意事项：(1)试验时间不能太长 ；(2) 不能改变正常运行条件下的物理化学变化过程；(3)必须精确控制进行介电性能测量时的条件， 如温度、 电场强度和频率等。通过采用介电常数频谱仪， 就能测量未老化的绝缘系统介电常数、 导电率和介质损耗以及它们随着温度和电场频率的变化。 对一台容量为1MW 、额定电压为6kV电机的剩余寿命，进行评估的试验研究结果表明 ，关键在于应当在低频电场条件下进行试验。

2.2 试验方法

其实最关键的是，硝酸磷肥在解决磷营养的同时不会产生磷石膏。杨福旺告诉记者：“天脊硝酸磷肥的副产品是轻质碳酸钙，它是土壤调理最好的东西，它容易分解，在它分解的过程中释放二氧化碳，提高土壤的pH值，同时释放钙离子、镁离子，同时还有3-4个氮磷养分。”也就是说，天脊硝酸磷肥的副产品是非常好的钙肥，不会对环境产生污染，这等于把资源吃干榨净。

用于试验的试样尺寸为 40mm×40mm×1.5mm 的平板形试样，它的厚度为 0.18mm ，由云母带绝缘半叠绕7 层。 云母带各种成分及其含量为：玻璃纤维13%，云母纸40%，环氧树脂47%。该试样通过尺寸为：650mm×110mm×2.5mm的钢板进行热压。 钢板上施加的压力为3bar，加热温度为160℃，加热持续时间为2.5h。上述热压的压力、温度和持续时间，均与大型电机制造工艺相符合。由这些钢板压制得到的试样，也符合相应的要求，并且外观质量良好。由于在试样的表面粘贴有电极，便能测量得到复合介电常数和电导率。

试样共计20件，分成4组。前3组，分别进行210℃、230℃和250℃的加速热老化试验。第四组，则采用由计算机、中枢单元、测量单元、控制单元和温控系统组成的介电常数频谱仪，在电场频率为10-3Hz～106Hz和温度为30℃～90℃的范围内，进行复合介电常数和电导率的测量。

2.3 试验结果

在不同温度条件下，介电常数随着频率变化的试验结果如表1所示。

表1 不同温度条件下介电常数随着频率的变化

由此可见：(1)介电常数总是随着频率的降低而增大。特别是在低频率区域，它的增加幅度很大，而在高频率区域则很小；(2)同时，它也随着温度的升高而增大。特别是在低频率区域增加的幅度，远大于高频区域；(3)当频率达到106Hz时，温度对于介电常数就几乎没有影响了。这项研究结果的实际意义在于：如果电机处于低频区域(低速)运行的时间比较长，或次数比较多，就必须认真考虑这个频率对于电机绝缘寿命的影响问题，特别是采用变频器的变速交流电机，和采用变频器调速的双馈式风力发电机。

2.3.1 介电常数

由于频率比较低而导致电机绝缘介电常数增加的主要原因，是在构成绝缘的环氧树脂、云母纸和玻璃丝纤维中，仍然含有极性部分和极性分子(例如H2O等)，它们的双极子，还需要重新取向和定位。如果频率比较低，就会强化它们的离子运动，并使离子粘附在绝缘材料上述三种成分之间的不连续界面上，从而强化了极化作用的不均匀性，并导致介电常数实数部分的增加。此外，由于频率比较低，也会强化极化作用本身而导致介电常数的增加。

2.3.2 介质损耗

在电场频率比较低的情况下，除了介电常数的实数部分增加以外，还使它的虚数部分(损耗指数)和介质损耗因数tgδ增加。因为在频率降低时，强化了携带电荷离子的移动，使离子的阶跃时间(在电场内保持离子长期取向定位的时间)如果延长，发生“离子阶跃”的概率就会变大。这种被称为“低频离散”现象的离子式传导性增强，会导致损耗指数和损耗因数的增加。

在绝缘试样中通常含有两种离子，即正极性和负极性的离子。根据它们之间的相对距离，这两种异性离子能够形成偶极子，在电场作用下，产生离子运动，并促使偶极子的尺寸和取向各不相同。由于离子移动而使极性相互抵消，就会形成一个中性分子团。如果绝缘试样受潮，它们里面就包含有独立的极性分子团。在分子团内部和它们之间的离子运动，就需要吸收额外的能量，而这个能量则分别对应于损耗指数和损耗因数的增加。在这个物理化学反应过程中，化合物的合成和分解，都需要能量消耗。每个离子式偶极子的再次取向和定位，都伴随着这种不可逆的能量散失，从而导致了损耗指数和损耗因数的增加。

虽然温度的升高就会导致损耗指数和损耗因数的增加，但是，处在低频(1MHz)时的增加量(90%)，却远高于在高频(1MHz)时增加量(10%)。这主要是因为偶极子的迁移率在随着温度的增加而增加。

2.3.3 电导率

与介电常数相反，当电场频率比较低时，电导率的实数和虚数部分都将大幅度降低。不同温度条件下电导率随频率变化见表2，温度升高时介电常数介质损耗因数、电导率变化见表3。

表2 不同温度条件下电导率随着频率的变化

表3 温度升高时介电常数介质损耗因数电导率的变化率(%)

注：温度由30℃升高到90℃时

由表3可见，在低频率时，绝缘的介电常数、损耗指数、损耗因数和电导率等的变化幅度都很大。这是因为低频率意味着交流的交变次数减少了，导致介质的张弛过程减缓了。但是，电导率还是随着频率的降低而增加。这个增加幅度在低频时要大于高频时。之所以电导率随着温度的增加而增加，是因为绝缘试样在温度增加时，同时也使其内部离子电荷载体的能量增加，从而导致它们的扩散系数增加。此外，温度的增加，也使绝缘试样内部的缺陷密度加大，从而导致了电导率的增加。

关于变频器冲击波对绝缘运行寿命的影响，上述检验方法和评估结果已经上报国际电工委员会总部，作为制定国际标准的参考依据。

3 结语

(1)试验结果表明：电机绝缘系统的性能受到电场频率和温度的影响很大。

(2)当电场频率较低时，表征绝缘性能的主要参数，例如：介电常数、介质损耗因数等，就会大幅度增加；而电导率则会减小。

(3)如果再加上温度升高的因素，就会使上述变化更加强烈。

(4)由于处于低频条件下的绝缘性能变化范围比高频区域更大，所以，为了测定电机绝缘系统的运行状态，应当在低于工频的低频(1MHz)条件下进行。

[1] Functional evaluation of electrical insulation systems, IEC 60034-18-32 ，International Electro technical Commission，Edition 4 ， Brussels, Belgium ，1988.

[2] Qualification and type tests for electrical insulation systems used in rotation electrical machines fed from converters, IEC TS 60034-18-41 ，Edition 3 ，International Electro technical Commission，Brussels, Belgium ，1989.

[3] 浦顺兴.哈电粉云母绝缘在大型电机上的应用[C].科技发展与进步，2007，5，53-57.

[4] 赫兟.大型水轮发电机绝缘系统研究[C].大型水轮发电机技术研讨会文集，2007，9，62-69.

InfluenceofFrequencyConverteronInsulationLifeofLargeMotor

YuXudong

(1.National Engineering Research Center of Power Generating Equipment, Harbin 150040, China；2.Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China )

Because of negative influence of repetitive pulse voltage of frequency converter on insulation performance and life of motor, aging tests of various mica insulation are carried out. The experimental results show that when electric field frequency is relatively low, the main parameters of representing insulation performance will be substantially increased. It is also verified that the running state of motor insulation system should be measured and assessed under the frequency less than mains frequency.

Frequency converter；motor；insulation performance；impact

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.06.10

TM306

B

1008-7281(2017)06-0035-004

于旭东男1985年生；毕业于沈阳工业大学电气工程专业，现从事大型发电设备开发应用研究工作.

2017-06-16