上升沿对漆包线耐电晕性能的影响分析

作者/王湄，福建省产品质量检验研究院

上升沿对漆包线耐电晕性能的影响分析

作者/王湄，福建省产品质量检验研究院

为研究上升沿对耐电晕漆包线热老化寿命的影响，使用多家不同企业生产的同一型号的耐电晕漆包线进行测试，进行结果比对，得出脉冲上升时间越短，脉冲上升沿越陡，耐电晕时间越短，反之则越长。同时强调为了保证对称的要点，下降沿时间应与上升沿时间相同，即试验波形应选择双极性对称性脉冲方波。

上升沿；耐电晕；影响

变频电机用耐电晕漆包线是近几年来新发展起来的品种，近年来国内外各生产厂家都投入大量精力开发不同类型的耐电晕漆包线。漆包线耐电晕性能直接影响到了变频电机的寿命，只有良好的耐电晕漆包线，才能使整机的使用达到安全、高效、耐用等指标；对于漆包线的耐电晕测试技术及其要求，IEC62068 对其测试条件里的测试温度、测试频率、测试电压、脉冲上升时间、波形结构等要素有一个宽泛的要求，而这些范围由于过于宽广，可能使得测试结果大相径庭，所以需要固定相关参数进行测试，变频电机的国家标准GB/T21707 对其使用的变频漆包线的耐电晕性能做了相对固定的测试规定，目前大部分厂家和用户都在参考使用。近年来由于纳米技术的飞速发展，耐电晕绝缘填料的种类不断增多，漆包线耐电晕性能得到了空前提升，但是漆包线耐电晕测试标准仍然滞后，使得此方面的需求日益严峻。目前国内涉及到耐电晕漆包线的标准有GB/T21707-2008《变频调速专用三相异步电动机绝缘规范》、JB/T10930-2010《200级耐电晕漆包铜圆线》GB/T24122-2009《耐电晕漆包线用漆》等，这些标准都对各种不同绝缘材料组成的变频漆包线的耐电晕性提出性能要求。但没有相对应的试验方法标准，各厂家、检验机构试验条件差距较大，造成同个产品的测试数据差异很大。耐电晕漆包线的生产厂家对产品质量的检测十分不便，也无法比较国内外各生产厂产品的水平和优势，而检测机构在监管监测方面也无标准可依。因此必须确定统一试验方法及试验参数。目前，由很多研究人员正在着力研究耐电晕检测各参数的影响，本文重点研究上升沿对耐电晕漆包线热老化寿命的影响。

上升沿又称脉冲上升时间，指由零电位开始施加电压到指定的电压值，电压上升过程成为上升沿，一般指从脉冲幅度的10%处上升到幅度的90%处所需的时间。这个过程是电压增大的过程。对于双极性而言，3000V实际是由电压±1500V两次冲击，上升沿以零电位至峰值计算（见图1、图2）。

IEC标准中明确定义了“脉冲上升时间”为电压幅值从峰值的10%上升至90%所需的时间，这个时间非常短，用纳秒计，严格的定义是从脉冲峰值10%到90%之间的间隔的1.25 倍；IEC规定UP指的是单极式冲击电压期间能够到达的最高电压数值，具体解释一下这个单极式冲击电压，它是指极性为正极或负极的冲击电压。因此，对于双极性对称型方波脉冲而言，脉冲上升时间为其单极式冲击电压期间，从峰值的10%上升至峰值的90%所需的时间，不难理解，就是以零电位为原点，从峰值的10%上升至峰值的90%所需的时间。在对脉冲电压上升时间进行示波器测量时，应注意是使用冲击电压的峰值。

图1

图2

接下来来论证一下脉冲上升沿对变频电机用漆包线耐电晕的影响。

1.试验条件

试样应在温度为（25±5）℃；相对湿度（50±5）%的条件下进行，测量前试样应在上述环境下放置足够的时间进行预处理，使试样达到稳定状态。

2.试验对象

200级耐电晕漆包铜圆线 QP-2/200。

3.样品预处理

（1）每组试验具取长约400mm的试样五根；

（2）将试样对折，在扭绞机上扭绞成（125±5）mm的线对，将两端并紧。扭绞时施加在线对上的力和扭绞数应符合表1中的规定；

（3）取下试样，将扭绞试样的端环在两处剪开，剪开部分的选择应保证被剪开处试样的两个端头间距最大；

（4）将扭绞试样另一端除去绝缘；

（5）分开扭绞试样两端的端头，使之具有适当的距离，但应避免过分弯曲或损坏绝缘。

表1 施加在线对上的负荷和扭绞数

4.试验结果

我们选择五个企业生产的同一型号规格的漆包线标记为A、B、C、D、E，每一组各有四个试样，样品预处理的方法按照上文所描述，将样品制成扭绞的线对。在分别施加如表2所示的脉冲上升时间。试样的被击穿时间如表2所示。

表2

由表2中我们可以看到，当脉冲上升时间越短，即脉冲上升沿越陡，脉冲电压的谐波频率也就越高，这就相当于电压变化的加速度也越大，对样品的电压冲击力越大，绝缘材料所受的伤害就越大，耐电晕时间也就越短。而当脉冲上升时间设定为50ns时，所有的试样的均在较短时间内被击穿，反之则耐电晕时间延长，且试样间的击穿时间差异较大。这是因为电磁线在生产过程中，因为设备、环境、人为等客观和主观原因，造成一些无法避免的细小的缺陷，而这些缺陷往往在进行试验时确是致命的，因为缺陷一般就是电场较为集中的地方。试样的表面电荷在较短的脉冲电压上升沿下积累的较多，且一部分偶极子在脉冲电压下的快速上升时间作用下无法跟上外施电场的迅猛变化，这就造成了试样的表面电位差变大，而变大的电位差则会造成扭绞线对表面或内部放电，绝缘材料在这种频繁的放电过程中遭到破坏，在较短时间内被击穿。

典型的脉冲的上升时间通常为0.1～1μs，而GB/T24122-2009《耐电晕漆包线用漆》标准中是0.08～2.5μs，这只是理论值，理论值一般在研究中只能参考，而我们做了大量的比对试验显示，扭绞线对作为脉冲电源的负载，它本身的电容值对脉冲上升时间的影响很大。特别当电源对扭绞线对充电时，如果其负载的电容较大，脉冲上升时间会变得比较缓慢，上升沿较长；而当其负载的电容值较小时结果则相反。因此在进行该试验时，应充分考虑试验样品的电容值可能造成的影响，并尽量量化，如果只简单按照设备装置给出的空载上升时间，得出的试验结果准确性将大打折扣。

另外，从脉冲上升沿的定义可以看出，脉冲电压的峰值对上升沿的设定有一定的影响。所以在试样进行试验时，更应关注脉冲电压的上升率。脉冲电压上升率是指0.8倍的脉冲电压幅值除以零到峰值脉冲电压10%～90%的时间间隔。在很多实际试验中，因为扭绞线对负载时的电容值对试验的影响量化较困难，故而设备装置给出的都是空载的脉冲上升时间。而这是理想状态，在研究试验中却不得不考虑扭绞线对本身电容值会带来影响这一客观存在现象。而且根据我们的研究试验表明，设备在加上负载之后，应设定比空载上升时间更长的脉冲电压上升时间才比较符合实际，结果也更有可取性。

现如今国内外各厂家和检测机构在测量耐电晕性能的试验中，采用的脉冲电压上升沿一般是100ns，因为一般的耐电晕漆包线在100ns试验条件下，大部分都能保证试验结果在十几个小时或者更长，可取性较好。

在这个参数的研究过程中，我们发现脉冲下降时间也是一个很值得进行描述的参数。IEC对脉冲上升沿有明确的定义，那么脉冲下降沿理解起来也比较容易，与上升沿对称地，即为电压幅值从峰值的90%下降到10%所需要的时间。双极性对称型方波脉冲最明显的特点就是对称，即正半波和负半波的相对波形必须对称，包括正负电平的对称、上升沿对称以及下降沿的对称。还要注意的一点是，负半波的上升沿在视觉感官上虽然是向下，却是上升时间，万不可当做下降时间；负半波的下降沿也是此理。

5.结论

电磁线在生产过程中，因为设备、环境、人为等客观和主观原因，造成一些无法避免的细小的缺陷，而这些缺陷往往在进行试验时确是致命的，因为缺陷一般就是电场较为集中的地方。试样的表面电荷在较短的脉冲电压上升沿下积累的较多，且一部分偶极子在脉冲电压下的快速上升时间作用下无法跟上外施电场的迅猛变化，这就造成了试样的表面电位差变大，而变大的电位差则会造成扭绞线对表面或内部放电，绝缘材料在这种频繁的放电过程中遭到破坏，在较短时间内被击穿。

GB/T22566.1-2008《电气绝缘系统 重复脉冲产生的电应力 第1部分：电老化评定的通用方法 A.5 电压幅值和脉冲电压特性的影响》标准中也有相关规定：高频电压试验中必须明确脉冲电压上升时间对老化速率有几种不同影响，如包含多匝绕组的特定EIS中，上升时间越短，通过相邻匝绕组的电压比率越高，如果局部放电是老化的因素的话，那么较短的上升时间会产生较短的老化寿命。另外，老化的物理机理取决于上升时间，更进一步讲，电荷的聚集随时间而定，因而影响电场分布。

* [1]姜其斌，陈红生，衷敬和等.变频电机用耐电晕绝缘材料的应用研究进展[J].绝缘材料，2007,40（6）:19-22