偏置电压对变频电机匝间绝缘PDIV及绝缘寿命影响研究

2022-12-27李欣潞赵文焕张一睿陈逸雯刘玥琳

绝缘材料 2022年11期

李欣潞，王鹏，赵文焕，张一睿，陈逸雯，刘玥琳

（四川大学电气工程学院，四川成都 610065）

0 引言

随着电力电子技术和新能源行业的发展，逆变器驱动的变频电机应用日益广泛，已成为当代电机驱动系统的主流[1-3]。然而，逆变器输出的高频脉冲使变频电机绝缘系统工作环境发生了根本改变，绝缘过早失效现象时有发生[4]，其中绕组匝间绝缘破坏概率较高[5]。针对变频电机绝缘系统过早失效的现象，国际电工技术委员会制定了IEC 60034-18-41:2014[6]及IEC 60034-18-42:2017[7]标准，标准中指出变频电机投运前应对其绝缘系统进行PDIV 及耐电晕测试，以评价逆变器工作环境下电机的绝缘性能[8]。

在电力电子驱动场合，常产生直流分量，如由于三态滞环控制逆变器基准正弦波的直流分量、控制电路中运算放大器的零点漂移、开关管本身及其驱动电路不一致等原因，逆变器输出电压常产生直流分量[9]；功率器件特性差异、门极驱动电路不对称、电流传感器的测量误差以及信号调理电路和模数转换装置引入的直流偏差等也将导致输出电压产生直流分量[10]；电力系统中电力电子设备的广泛使用导致变频电机实际承受的电压并非纯交流电压，还伴随一定直流分量。另外，在对绝缘进行型式试验和验收性试验时，常采用单极性含有直流分量的脉冲波形进行PDIV 和耐电晕寿命测试，如GB/T 22720.2—2019/1EC 60034-18-42：2017 规定匝间绝缘老化施加电压主要参数为冲击电压重复率、电压幅值及冲击电压上升时间，规定试验在已知特定工况下最大峰-峰电压时选择最严酷情况下的匝间电应力[11]。然而，国际及国家标准都并未对测试施加直流偏置量作相关规定。可见，评估直流分量对绝缘电性能测试的影响对解释测试结果、选择合适的电应力也较为重要。

事实上，有研究表明，直流偏置电压对绝缘结构老化有显著影响。文献[12]通过对直流电压下局部放电波形测试与分析，研究了直流电压下绝缘材料的局部放电特性；文献[13-14]对比分析了直流与交流电压下局部放电的幅值与频域分布；文献[15-16]研究表明交流电压叠加直流电压及交直流电压比例对绝缘放电特性和寿命均有影响。有理由推测，直流偏置电压将可能影响变频电机匝间绝缘局部放电起始电压及绝缘寿命。然而，现有对于直流分量对局部放电影响的研究较少，有关直流分量对局部放电影响的具体表现和反应机理尚不明确[17]，国际及国家标准也缺乏对变频电机匝间绝缘检测方法及测试标准中直流偏置电压的规定。因此，为提高变频电机绝缘评估的准确性和有效性，研究直流偏置电压对变频电机匝间绝缘局部放电起始电压及绝缘寿命的影响具有重要意义。

1 试验平台

1.1 试样及电极结构

聚酰亚胺因具有良好的力学、耐高温和耐化学腐蚀性能，在变频电机匝间绝缘中得到广泛应用[18]。以下面3种形式模拟变频电机匝间绝缘：

（1）绞线对：绕制绞线对所用漆包线选用国标T2 无氧铜线，绝缘层材料为聚酰亚胺，厚度为0.03～0.05 mm，耐热级别为180 级，漆包线直径为0.70 mm，每个绞线对均绕制15 匝。测试时将其中一根线接高压，另一根线接地电位，如图1所示。

图1 绞线对试样Fig.1 Enameled wire sample

（2）球-板结构：由球-板电极和一层聚酰亚胺薄膜组成。聚酰亚胺薄膜厚度为0.045 mm，尺寸为20 mm×20 mm。测试采用球-板电极，模拟切向和法向电场作用。将直径为15 mm 的球形电极接高压，直径为40 mm 的平板电极接地电位，如图2所示。

图2 球-板电极Fig.2 Sphere-to-plane electrodes

（3）单点接触交叉线：制作交叉线所用漆包线选用国标T2 无氧铜线，绝缘层材料为聚酰亚胺，厚度为0.03～0.05 mm，耐高温180℃，漆包线直径为0.70 mm，两线长度均为10 cm，呈60°夹角。测试时将其中一根线接高压，另一根线接地电位，如图3所示。

图3 单点接触交叉线试样Fig.3 Single point contacted cross line sample

每次试验前均用无水酒精擦拭以上试样表面，并将试样放置在100℃真空干燥箱内处理30 min，以排除试样表面可能存在的水分和污渍的干扰。

1.2 测试平台及测试过程

1.2.1 局部放电起始电压测试

局部放电起始电压测试系统如图4 所示，测试系统主要包括信号发生器、功率放大器（TREK 30/20）、局放分析仪PD-Base、水电阻、高压探头、特高频天线、高通滤波器、高速数字示波器（Lec‐roy960Pro）等。测试时，由信号发生器产生带有相应直流分量的正弦电压，通过功率放大器放大3 000倍，经起保护作用的水电阻施加在试样上，并通过高压探头以1 000∶1 的分压比输出信号至数字示波器，同时，通过PD-Base获取局部放电信号并获得放电相位统计特性。

图4 局部放电起始电压测试系统Fig.4 PDIV test system

1.2.2 绝缘寿命测试

匝间绝缘模型、聚酰亚胺绝缘寿命测试系统如图5所示，测试系统主要包括重复方波电源、五路保护计时器、高压探头、特高频天线、高通滤波器、高速数字示波器（Lecroy960Pro）等。测试时，由重复方波电源产生带有相应直流分量的高频脉冲电压，经过五路保护计时器施加在试样上，并通过高压探头以1 000∶1 的分压比输出信号至数字示波器，同时，通过特高频天线接收局部放电信号，经滤波处理后接入数字示波器，实时观察局部放电与电源同步信号。当某路试样发生击穿时，五路保护器过流保护瞬间启动，断开该路高压输出的同时记录其绝缘寿命。

图5 绝缘寿命测试系统Fig.5 Insulation lifetime test system

1.2.3 PD特性测试

PD 特性测试系统如图6 所示，测试系统主要包括重复方波电源、高压探头、特高频天线、高通滤波器、高速数字示波器（Lecroy960Pro）等。测试时，由重复方波电源产生带有相应直流分量的高频脉冲电压，施加在单点接触交叉线试样的其中一根上，另一根接地电位，并通过高压探头以1 000∶1 的分压比输出信号至数字示波器，同时，通过特高频天线接收局部放电信号，经滤波处理后接入数字示波器，实时观察并保存局部放电与电源同步信号。

图6 PD特性测试系统Fig.6 PD characteristics test system

2 试验结果

2.1 正弦电压下直流偏置电压对匝间绝缘模型及聚酰亚胺PDIV的影响

为排除试验偶然性，保持温度为27℃，湿度为70%，每组条件重复测试5 次。测试时，分别以0、+1 000、-1 000、+1 750、-1 750 V 直流分量为基础，缓慢增加50 Hz 正弦交流分量，直到在PD-Base 系统上首次观察到局部放电，匝间绝缘模型和聚酰亚胺的局部放电特性分别如图7、图8所示。

图8 聚酰亚胺PD特性Fig.8 PD characteristics of polyimide

记录此时示波器上显示的电压峰峰值即PDIV，匝间绝缘模型PDIV 测试结果如图9 所示，聚酰亚胺PDIV 测试结果如图10 所示。从图7～10 可以看出，匝间绝缘模型及聚酰亚胺薄膜在不同直流偏置电压下首次局部放电均发生在电压极性反转后的幅值上升阶段，且其放电图谱在一、三象限呈现“龟背”模式，分布较为对称。直流偏置电压对匝间绝缘模型PDIV 幅值和分散性均无显著影响，而施加+1 000、-1 000、+1 750、-1 750 V 直流偏置电压使聚酰亚胺PDIV 幅值相比不施加直流偏置电压的情况降低30%左右，分散性显著减小。

图7 匝间绝缘模型PD特性Fig.7 PD characteristics of turn to turn insulation model

图9 匝间绝缘模型PDIVFig.9 PDIV of turn to turn insulation model

图10 聚酰亚胺PDIVFig.10 PDIV of polyimide

2.2 重复方波电压下直流偏置电压对匝间绝缘模型及聚酰亚胺绝缘寿命的影响

为排除试验偶然性，保持温度为27℃，湿度为70%，每组条件重复测试5 次。测试时，分别以0、+1 000、-1 000、+1 750、-1 750 V 直流分量为基础，叠加峰峰值为3 500 V、频率为3 kHz、上升时间为100 ns 的重复方波交流分量，实际所得重复方波电压如图11 所示。通过数字示波器实时同步观察电源电压与特高频天线采集的局部放电信号，在重复方波电压上升沿和下降沿均可观察到强烈的局部放电。施加测试电压的同时启动五路保护计时器，试样击穿瞬间，五路保护计时器自动切断该路并记录绝缘寿命。匝间绝缘模型绝缘寿命如图12所示，聚酰亚胺绝缘寿命如图13 所示。从图12～13 可以看出，匝间绝缘模型施加+1 000 V、-1 000 V 直流偏置电压时绝缘寿命略有减少，施加+1 750 V、-1 750 V 直流偏置电压时绝缘寿命略有增加；聚酰亚胺薄膜施加+1 000、-1 000、-1 750 V 直流偏置电压时绝缘寿命略有减少，施加+1 750 V 直流偏置电压时绝缘寿命略有增加。但匝间绝缘模型与聚酰亚胺绝缘寿命在不同直流偏置电压条件下相差不大，且+1 000、-1 000、+1 750、-1 750 V 直流偏置电压对匝间绝缘模型与聚酰亚胺绝缘寿命的影响未呈现较为明显的规律。

图11 重复方波电压Fig.11 Repetitive square voltages

图12 匝间绝缘模型绝缘寿命Fig.12 Insulation lifetime of turn to turn insulation model

图13 聚酰亚胺绝缘寿命Fig.13 Insulation lifetime of polyimide

2.3 重复方波电压下单点接触交叉线的PD 特性测试

对单点接触交叉线施加2.2 节相同的重复方波电压，通过数字示波器实时同步观察电源电压与特高频天线采集的局部放电信号，在重复方波电压上升沿和下降沿均可观察到强烈的局部放电。在观察到试样出现局部放电2 min 后开始保存数据，以确保局部放电特性已趋于稳定。每种电压条件下均连续采集30 组局部放电数据，提取每组数据中局部放电幅值绝对值最大点，所得单点接触交叉线PD幅值如图14 所示。从图14 可以看出，不同直流偏置电压下单点接触交叉线PD 幅值均在0.1～0.2 V，+1 000 V、-1 000 V 直流偏置电压下单点接触交叉线PD幅值稍高，但总体相差不大。

图14 单点接触交叉线PD幅值Fig.14 PD amplitude of single point contacted cross lines

3 讨论分析

3.1 理论分析及仿真

两种试样的绝缘系统均为聚酰亚胺-气隙绝缘。气隙绝缘中产生局部放电应同时满足：①放电处的瞬时电场强度超过局部放电起始放电强度；②出现初始电子激发的电子崩[19]。激发局部放电的初始电子产生机制主要分为体积过程和表面过程。体积发射̇e主要取决于式（1）。

式（1）中：p为气体压强；Veff为气体有效体积；ηi主要取决于气体种类和电场强度；(1 -)为Legler 函数[20]，它描述了单个电子发展成电子崩的概率，在局部放电情况下，Legler函数可被假定为1。表面发射主要来自阴极导体的场致发射、绝缘体表面陷阱释放、离子冲击释放，以及导体和绝缘表面的表面光效应[21]。

依据试样实际材料和尺寸使用COMSOL 软件分别对匝间绝缘模型及球-板电极建模，并在电极上设置分别以不同直流偏置电压叠加相应实验测定的局部放电起始电压，以模拟试验中试样所承受的电压条件。通过有限元分析仿真，得到匝间绝缘模型、球-板电极模型的电场强度分布图，并导出两种电极表面电场强度数据，仿真结果如图15～18所示。结果表明，电极表面电场强度最大值不超过108V/m，低于导体强电场发射条件。因此，两种模型局部放电初始电子均主要来源于气隙中空气电离和自由离子。

图15 匝间绝缘模型接触点附近场强Fig.15 Electric field intensity around the contacted point of turn to turn insulation model

图16 匝间绝缘模型电场强度仿真结果Fig.16 Simulation result of electric field intensity of turn to turn insulation model

图17 球-板电极接触点附近场强Fig.17 Electric field intensity around the contacted point of sphere-to-plane electrodes

图18 球-板电极电场强度仿真结果Fig.18 Simulation result of electric field intensity of sphere-to-plane electrodes

3.2 直流偏置电压对球-板电极下聚酰亚胺PDIV的影响机理

在不施加直流偏置电压的情况下测试正弦电压下聚酰亚胺薄膜的PDIV，外加电压峰峰值Vpp约为2.1 kV 时首次检测到局部放电，而施加直流偏置电压导致薄膜的PDIV明显降低。

在+1 000 V直流偏置电压下测试PDIV，即先将电压抬高至+1 000 V 直流电平，再缓慢增加叠加的正弦分量。此过程中，施加在试样上的电压长时间保持正极性，产生电场E0，该电场使两电极上感应出一定数量相同电性的电荷，产生同向电场Eq，对外施电场E0起增强作用，使得绝缘承受更大的电场强度[22]，如图19 所示。因此，气隙绝缘中更容易激发初始电子，引发电子崩，从而使聚酰亚胺薄膜的PIDV降低。

图19 球-板电极模型场强分析Fig.19 Electric strength analysis of sphere-to-plane electrode model

施加-1 000、+1 750、-1 750 V 直流偏置电压对聚酰亚胺PDIV降低作用机理与上述相似。

3.3 直流偏置电压对匝间绝缘模型PDIV 的影响机理

由于绝缘层和气隙厚度远小于漆包线直径，匝间绝缘模型局部可抽象为“金属-绝缘层-气隙-绝缘层-金属”的结构模型[23]。

在测试正弦电压下匝间绝缘模型的PDIV 时，与不叠加直流分量相比，施加+1 000、-1 000、+1 750、-1 750 V 直流偏置电压均会使两电极上感应出一定数量相同电性的电荷，产生同向电场Eq，对外施电场E0起增强作用，使气隙绝缘承受更大电场强度，如图20所示。

图20 匝间绝缘局部模型场强分析Fig.20 Electric strength of turn to turn insulation model

除电场强度外，局部放电特性还很大程度上依赖于气隙位置和尺寸[24]。考虑公式（1），匝间绝缘模型中气体有效体积Veff较小，削弱了与电场强度有关的参数ηi对体积发射的影响。综合上述两个因素影响，导致匝间绝缘模型的PDIV无明显变化。

3.4 直流偏置电压对绝缘寿命的影响

在不同直流偏置电压下测试绝缘寿命，发现试样绝缘寿命有一定程度的变化，但与直流偏置电压的幅值及正负均无明显的对应关系，难以证明绝缘寿命与直流偏置电压有关。

绝缘寿命主要和放电过程相关，为了进一步探究直流偏置电压对绝缘寿命的影响机理，利用PD特性测试系统测试单点接触交叉线试样在不同直流偏置电压下的PD 特性。由于较高幅值的放电更容易促进局部温升及聚酰亚胺分子链断裂[25]，从而导致绝缘寿命降低，该测试结果与两种绝缘模型寿命测试结果基本吻合，且与匝间绝缘模型寿命测试结果更为接近，可以验证寿命测试结果并对绝缘寿命的分布进行解释。然而，直流偏置电压对PD 特性的影响仍无明显规律，由此推断施加直流偏置电压对绝缘寿命无显著影响。

此外，匝间绝缘模型与球-板电极模型下聚酰亚胺的绝缘寿命呈现出不同的分布规律，说明电极结构对寿命测试结果有显著影响。