礦用變頻牽引電機絕緣提早失效的機理

曹建文

（山西天地礦山技術裝備有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

隨著電力電子技術及新型半導體器件的迅速發展，交流調速技術得到了不斷的完善和提高，逐步完善的變頻器以其良好的輸出波形、優異的性能價格比在煤礦傳動系統中得到廣泛應用，尤其在短壁采煤設備上，例如連續采煤機、梭車和鏟車，交流變頻牽引完全取代了原來的直流牽引，并取得了良好效果。

在交流變頻牽引短壁設備的推廣應用過程中，曾出現1140V/50kW 一批交流變頻調速電動機絕緣早期損壞的情況，交流變頻電機運行的壽命只有半年，有的只有幾個星期，甚至在試運行中電機絕緣就出現損壞，而且通常發生在匝間絕緣，這給電機絕緣技術提出了新的課題。實踐證明，工頻正弦波電壓下的電機絕緣設計理論不能適用于交流變頻調速電機。需要研究變頻電機絕緣的損壞機理，建立交流變頻電機絕緣設計的基本理論，制定交流變頻電機的工業標準。

1 變頻電機絕緣提早失效的機理

1.1 變頻電機絕緣過早破壞的原因

變頻牽引電機絕緣過早破壞是由于熱、空間電荷和局部放電造成的。由于變頻器的輸出方波脈沖的上升沿很陡，在IGBT 器件開關頻率下，電壓上升速率DV/DT達6000V/μs，遠遠大于工頻正弦 電 機 的 0.15V/μs。 Bellomo、Narang、Guardado 在模 擬 電 動機定子繞組上進行了電壓波形的測量、分析和仿真，表明在電動機定子繞組的首端幾匝上承擔了約80%過電壓幅值，這

樣繞組首匝處承受的匝間電壓超過平均匝間電壓10 倍以上，再加上由于電動機與電纜的阻抗不匹配而產生折射和反射，反射波和折射波使電動機端子上產生了約2倍的尖峰過電壓，由此可見，繞組首匝處承受的匝間電壓超過常規匝間電壓值的20 倍以上。

圖1 匝間絕緣失效的牽引電機

圖2 牽引電機端的實測電壓波形

圖3 IGBT 開關時牽引電機端的尖峰電壓波形

從圖2 和圖3 可以得知，電機端所承受的實際電壓并不是標準的PWM 波形，而是疊加了許多高頻尖峰電壓的脈沖波形，其最高值約 3400V，上升時間約0.83μs， dv/dt 大約4110V/μs。 主要原因是PWM 波在傳輸過程中遇到電纜與電機端子連接點（這個波阻抗突變節點），在電機端會產生PWM 波的折射與反射。假設其脈沖幅值為u，在電纜中傳播的時間為tc，由變頻器到達牽引電機，電纜末端反射電壓峰值為uβ，β是波在變頻牽引電機端的反射系數，反射波到達變頻器器端發生第二次反射，電壓峰值為αβu，α是波在變頻器端的反射系數，變頻器電容在高頻下呈短路狀態，阻抗近似為零， 反射系數α約等于-1。同理，經過時間3tc，在變頻牽引電機端波將再次發生反射，反射電壓峰值為αβ2u；再經過時間tc，電壓波再一次入射至變頻器，反射后電壓峰值為α2β2u。當在變頻牽引電機端發生 n 次反射后， 即當（2n-1）tc≤t＜（2n+1）tc時， 變頻牽引電機端電壓為：，由于｜αβ｜＜1，所以，變頻牽引電機端子過電壓是一個振蕩衰減的電壓波，如圖4所示，其周期為：。其中：L—電纜長度；tc—PWM 波在電纜中的傳播速度；l0和c0為單位長度電纜的電感和電容。

圖4 IGBT 開通關斷的震蕩波形

正是由于IGBT 開 通 關 斷時 產生的高頻尖峰電壓，在繞組首匝附近的匝間絕緣產生尖峰過電壓的沖擊，這是變頻電機通常發生繞組局部絕緣擊穿，特別是繞組首匝附近的匝間絕緣擊穿的原因。同時電壓波形的形狀、極性的差異，對匝間絕緣的老化和破壞也起到了重要作用。

繞組局部絕緣擊穿與絕緣內部的局部放電（或電暈）有很大的關系，當繞組匝間電壓超過其起始放電電壓，則在匝間發生局部放電。由于變頻器的開關頻率一般都在數kHz 到數幾十kHz 范圍內，變頻器幾個小時產生的脈沖沖擊數相當于傳統正弦電壓下約30年的沖擊數（如斷路器產生的脈沖）。這樣長期重復性的局部放電作用，必然加速絕緣的老化，最終導致電機的損壞。而且脈沖頻率越高，幅值越大，則電機絕緣壽命越短。如當電機在最高脈沖頻率（20kHz），最短上升時間（0.1μs）和在155℃的條件下，電壓幅值為1kV時，由于局部放電的作用，電機壽命只有幾個小時。

1.2 局部放電加速變頻調速電機絕緣過早失效

在變頻電機的生產過程中，盡管采用了耐電暈的電磁線和較先進的真空壓力浸漆工藝（VIP）。仍不可完全避免在電磁線絕緣交界處產生氣泡或氣隙。因為氣體的介電常數很小，在交變電場中，電場強度與介電常數成反比，所以氣泡中的電場強度要比周圍介質中高得多，而氣體擊穿場強一般比液體或固體低得多，因而很容易在氣泡中首先出現放電。氣泡在較高的非均勻電場強度下產生 “電子雪崩”，出現大量的自由電子，這些電子在電場力的作用下做加速運動并獲得能量，當這些電子具有的能量與C-H，C=C 或C-C 鍵的鍵能相同或相近時，就可以打破這些鍵，從而破壞絕緣材料的結構。同時電暈放電可以產生氧的等離子體，氧的等離子體一方面生成以臭氧為代表的具有強氧化能力的物質，可以氧化有機物電介質，另一方面直接攻擊高分子中的C-H，C=C或C-C 等化學鍵，從而造成高分子的分解。Kaufold 等人在模擬變頻電機的運行條件下，改變電壓、頻率、溫度、脈沖電壓波形等條件，對聚酰亞胺為絕緣層的電磁線進行測試，并對絕緣材料的破壞時間和局部放電的發生機率進行了分析，認為變頻電機匝絕緣的擊穿主要是局部放電作用的結果，其證據為存在局部放電時，介質在短時間內就被擊穿，而不存在局部放電時，即使在很高的電應力和熱應力下，介質老化兩年以上也沒有出現擊穿現象。局部放電對介質的破壞作用主要包括三個方面，化學腐蝕、局部高溫和高能離子轟擊。變頻電機匝絕緣的破壞過程如圖5所示。

圖5 局部放電對絕緣破壞的機理

2 解決方法

針對尖峰電壓產生局部放電，局部放電致使絕緣提早失效的機理，采取了兩種措施有效地提高了牽引電機的絕緣壽命。

（1）在變頻器輸出端安裝正弦波濾波器，它是特殊設計的一種低通濾波器，濾除高頻部分使輸出成為正弦波電壓，其缺點是發熱量大，且有電壓損失。輸出波形見圖6，其波形的正弦度已很好，能滿足普通工頻電機絕緣的要求。

（2）加裝DV/DT 抑制器，其實質是一個阻容吸收器，通過電阻和電容的參數相配合，將PWM 波的電壓尖峰吸收掉，降低DV/DT 指標，具體波形見圖7，PWM 波的折射和發射現象已完全消除，dv/dt已降到163V/μs，基本上滿足了變頻電機的要求。

圖6 正弦波濾波器的輸出電壓波形

圖7 增加DV/DT抑制器后，IGBT開關時牽引電機電壓波形

3 總結

針對一批變頻牽引電機絕緣提早失效的現象，進行了現場拆解，并對絕緣損傷的原因進行了分析，得出的如下結論：IGBT開通時間在us級別，電機端存在PWM波發射現象，繞組匝間出現高頻尖峰電壓，過高的尖峰電壓和氣息導致了局部放電，局部放電最終加速了絕緣提早失效。同時文章給出了相應的解決方案。