局部放電作用對變頻電機匝間納米復合絕緣的損傷機理研究

羅 楊 吳廣寧 劉繼午 朱光亞 彭 佳 曹開江 張依強

（西南交通大學電氣工程學院 成都 610031）

1 引言

變頻電機具有控制方便、節能等優勢，已在高速鐵路、艦船、家電等眾多領域得到了廣泛應用[1,2]。變頻調速牽引電機是交流傳動電力機車的關鍵部件之一，其性能直接影響到高速機車運行的穩定性和可靠性。變頻調速牽引電機一般采用脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）驅動技術，輸出的PWM 電壓具有上升沿陡、頻率高等特點。大量研究表明，因過電壓引起電機繞組匝間絕緣產生的強烈局部放電（Partial Discharge，PD）是導致變頻調速牽引電機絕緣破壞的主要原因[3-7]；變頻調速牽引電機因介質損耗、銅損、鐵心損耗及電機體積被有限空間限制等因素，導致電機內部局部溫升過高，加速絕緣降解[8]；同時，PWM 電壓的高頻特性使電機絕緣長期承受電機械疲勞，降低了變頻電機的絕緣性能[9]。傳統電機的絕緣體系設計原則已不適用于變頻電機，同時其絕緣破壞機理與傳統電機亦有不同。因此，研究變頻電機絕緣損傷機理有助于完善變頻電機絕緣結構設計理論，從而延長變頻電機的使用壽命，提高高速機車的安全性。

目前，對變頻電機絕緣老化過程及損傷機理研究大多是從電氣參數出發，分析局部放電、空間電荷、介質損耗等電氣參量與絕緣老化的關聯性，然而，對于電機絕緣材料本身在老化過程中的微觀結構及形貌演化過程卻鮮有報道。將無機納米顆粒均勻添加到聚合物基體中，可顯著提高絕緣介質的電氣性能[10-14]，DuPont KAPTON 100CR 薄膜由聚酰亞胺（Polyimide，PI）和無機納米填充物復合而成，其長期安全工作溫度為200℃，最高分解溫度超過500℃。本文以變頻調速牽引電機匝絕緣廣泛采用的DuPont KAPTON 100CR 為研究對象，根據IEC60034—18—42 標準制作電機匝絕緣試樣，在雙極性連續方波脈沖電壓下對試樣進行老化試驗，測試不同老化試樣的局部放電參量，采用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）分析變頻電機匝間納米復合絕緣的微觀形貌演變過程，探尋絕緣介質損傷機理。

2 試驗

2.1 試樣

根據IEC60034—18—42 標準制作匝絕緣試樣，其絕緣材料和制作工藝與實際牽引電機絕緣系統相同，試樣由株洲電力機車廠提供。

試樣整體外觀如圖1所示，電磁線以DuPont KAPTON 100CR 薄膜2/3 疊包絕緣，匝絕緣厚度約為 0.21mm，兩根電磁線外絕緣首先用少膠云母帶交替半疊包兩次，然后再用無堿玻璃絲帶平包一次。兩根電磁線并行長度為90mm，兩端夾角為45°，折彎部分長度為80mm，其中裸銅線部分長30mm，最后采用200 級無溶劑浸漬漆將試樣整體真空壓力浸漬。試樣電容約為40pF。

圖1 匝絕緣試樣結構Fig.1 Structure of turn insulation sample

2.2 試驗電壓

IEC60034—18—42 標準建議可采用雙極性或單極性連續方波脈沖電壓代替PWM 電壓對絕緣試樣進行試驗。本文采用實驗室自制的雙極性連續方波脈沖電源對試樣進行老化[15]。

在進行老化試驗之前，首先將試樣置于烘箱內干燥3h，烘箱溫度調節為100℃。由于試樣局部放電起始電壓（PD Inception Voltage，PDIV）為1 200V，因此本文試驗老化電壓為幅值1 750V，頻率為10kHz，上升沿時間為1μs；試驗環境溫度為130℃。同時對15 組試樣進行老化，每組3 個試樣，老化周期為10h。一個老化周期完成后取出一組試樣，并分別對試樣進行微觀形貌觀察及局部放電測試，其余試樣繼續老化直至壽命終結，試樣壽命約為120h。

2.3 局部放電測量

局部放電測量和分析可有效發現其他試驗手段難以發現的局部絕緣缺陷[16,17]。雙極性連續方波脈沖電壓下的局部放電測試系統如圖2所示，局部放電測試環境與試樣老化環境一致。

圖2 局部放電測試框圖Fig.2 Schematic diagram of PD test

局部放電信號采用高頻NiZn 鐵氧體鐵心傳感器耦合，R為積分電阻；電源電壓信號采用衰減系數為1/1 000 的高壓差分探頭采集，采用TEKtronix TDS 3032B 雙通道示波器同時記錄局部放電信號和方波脈沖電壓信號；之后基于IEEE 488.2 協議，利用外設部件互連標準（Peripheral Component Interconnect，PCI）的通用接口總線（General Purpose Interface Bus，GPIB）數據傳輸卡，將高速數字示波器的局部放電數據實時傳輸到計算機保存；最后利用時域閾值、極性辨別算法及相位窗脈沖提取技術，對局部放電信號進行干擾抑制、提取及統計分析[18-20]。

由于高頻方波脈沖電源具有極陡上升沿(高dV/dt)，傳感器耦合的局部放電信號包含了大量的干擾信號成分，因此，為準確分析介質的局部放電特性，需對原始局部放電信號進行處理。圖3為單個周期內的局部放電原始信號及其降噪濾波過程。為提高采樣率，降低采樣點數，測試中采用峰峰采樣方式得到圖3a 中原始放電波形；選取Matlab 工具箱中的Smy4 小波包分解混合信號，并選取適當閥值去除白噪聲，重構信號后得到的波形如圖3b 所示；因高通濾波器輸出為高頻振蕩脈沖，因此選定適當相位窗后得到的放電在單個窗口內應為正負峰值，據此可認定圖3c 中的單極性干擾脈沖，并加以剔除；采用相位開窗方法提取相位窗50 個點內最大值作為一次放電，單周期處理結果如圖3d 所示。

圖3 局部放電信號提取Fig.3 Signal extraction of PDs

2.4 SEM分析

采用Feisirion 掃描電子顯微鏡觀察不同老化程度匝絕緣試樣的表面形貌，分析表面微觀結構隨老化時間的變化規律；并觀察了絕緣失效后試樣擊穿點及其附近的微觀結構形貌。

3 試驗結果

3.1 局部放電統計

局部放電行為與絕緣試樣老化程度休戚相關。匝絕緣放電數量和放電幅值與老化時間的關系如圖4所示。隨著老化時間的延長，平均放電量和放電次數呈現出先降低、后增加、再降低、增加的非線性變化規律，但是對整個老化階段而言，放電量和放電次數均表現出增加趨勢，并且在老化后期（老化90h時），其值迅速增加，最終導致絕緣失效。

圖4 匝絕緣放電次數和平均放電幅值與老化時間的關系Fig.4 Relationship between PD number,PD amplitude value and aging time

3.2 掃描電鏡圖像

為了分析局部放電老化對匝絕緣試樣表面微觀結構形貌演化的影響，探尋匝間絕緣的微觀損傷過程，試驗過程中，將經過不同周期老化的匝絕緣試樣分解，并采用SEM 觀察試樣表面的微觀結構變化。

圖5為匝間絕緣表面未老化及老化之后的微觀形貌圖，從圖5a 中可以出看出，未老化的試樣表面較為平整，圖中連續深色相為聚酰亞胺基體、白色點狀顆粒為納米填充物，由圖可知，復合物中納米顆粒具有較好的分散性。試樣老化20h 后，在絕緣表面出現許多尺寸不一的凹坑，在凹坑內部分布有微小的納米顆粒，如圖5b 所示。老化過程中，局部放電持續作用于絕緣介質表面某點，使該點的有機相炭化并揮發，從而形成凹坑，由于各點處的放電能量及放電次數不同，因此放電對有機相的腐蝕程度不同，造成凹坑尺寸各異。凹坑周圍的光圈主要是由于局部放電作用沿凹坑中心點向外輻射而逐漸減弱，使凹坑外圍有機物炭化而形成光斑。凹坑內部分布的納米尺寸顆粒是由于有機相被腐蝕后，納米填充物逐漸析出并殘留在凹坑內，如圖5b 所示。隨著老化的進行，匝絕緣試樣表層的有機相腐蝕加劇，凹坑尺寸逐漸增大，相鄰凹坑開始合并、消失，殘留在絕緣介質表面的無機物顆粒逐漸增多，出現大量的微小顆粒，如圖5c 所示。當匝絕緣試樣老化100h 后，絕緣表面的平整性完全被破壞，絕緣腐蝕深度增加，殘留無機納米顆粒聚集形成大尺寸團絮物，同時由于有機相大量降解，使絕緣表面形成許多微小孔洞，如圖5d 所示。孔洞促使局部放電作用增強，放電路徑逐漸向介質內部發展，加速絕緣降解。這種微觀結構的出現表明絕緣介質損傷嚴重，在局部放電作用下，孔洞迅速向介質內部發展并最終導致絕緣擊穿。

圖5 匝間絕緣表面的掃描電鏡圖Fig.5 SEM surface images of turn insulation

對老化100h 的匝絕緣試樣介質表面團絮物進行能譜分析，如圖6所示，發現其中含有大量的Al元素，由此推斷無機填充物可能的存在形式為Al2O3[21]；同時較少的C 元素表明此時有機相炭化嚴重，已生成氣體揮發。

圖6 團絮物的能譜分析（老化100h）Fig.6 Energy spectrum analysis of floccules(aging for 100 hours)

為了對比分析局部放電對納米聚酰亞胺薄膜和純聚酰亞胺薄膜損傷作用，本文在相同的試驗條件下對純聚酰亞胺薄膜進行老化，并觀測了純聚酰亞胺薄膜在老化前后的SEM 微觀圖像，如圖7所示，純聚酰亞胺薄膜的絕緣壽命為8h。從圖7a 中可知，未老化的純聚酰亞胺薄膜表面平整，基體顏色分布比較均勻。隨著老化的進行，局部放電產生，并逐步侵蝕介質表面。當介質老化2h，純聚酰亞胺薄膜表面出現炭化斑點，介質表面的平整性逐漸被破壞，如圖7b 所示；老化4h 后，純聚酰亞胺的絕緣損傷逐漸加強，表面不規整的炭化斑點增多，如圖 7c所示，當介質老化6h 后，在介質表面出現大量的網狀溝壑及孔洞，如圖7d 所示，局部放電對純聚酰亞胺薄膜的損傷程度進一步加強。

圖7 純聚酰亞胺薄膜的SEM 圖Fig.7 SEM image of pure PI film

為了清楚了解匝絕緣試樣的擊穿過程，試樣絕緣失效之后，采用SEM 對擊穿點及周圍進行觀察，如圖8所示。通過微觀形貌觀察發現擊穿點主體中心區域（Ⅰ部分）分布有較多的黑色團絮狀粉末，其能譜分析如圖9所示，團絮粉末中含有大量的Al元素，同時其C 元素的含量比圖6中試樣表面團絮物的C 元素含量高，這是由于在擊穿過程中的瞬時高溫使有機相熔融，并包覆在無機填充物周圍，聚集而形成尺寸不等的團絮物；在絕緣擊穿后瞬間，Ⅰ部分內的團絮物聚集在電磁銅線上，熔融有機相通過銅導線散熱而導致其溫度迅速降低，有機相來不及揮發，因此，此時含有較多的C 元素。由于匝絕緣試樣采用2/3 疊包方式纏繞納米復合薄膜，在擊穿點邊緣（Ⅱ部分）可以看到有三層薄膜；另一方面，對單層薄膜而言，納米復合薄膜具有非常明顯的分層結構，即上下兩層較致密，中間層呈現網狀結構。由于介質在擊穿的過程中，擊穿區域的溫度很高，致使介質內的熔融物飛濺四周，之后包裹無機顆粒并迅速冷卻，形成黑色粉末覆蓋在擊穿點主體周圍（Ⅲ部分），其能譜分析如圖10所示。

圖8 匝間絕緣試樣的分解圖及局部放大圖Fig.8 Disassembled views and local magnifying images of turn insulation

圖9 擊穿點主體中心的粉末能譜圖分析Fig.9 Energy spectrum analysis of particles at the breakdown central part

圖10 周圍燒熔部位顆粒的能譜分析圖Fig.10 Energy spectrum analysis of particles at the surrounding melting part

4 討論

4.1 局部放電分析

試驗用雙極性連續方波脈沖電壓較高，同時具有較陡峭的上升沿及下降沿。方波脈沖電壓的上升沿及下降沿可看作高頻成分，平頂區域可看作是直流成分。空間電荷會強烈影響到局部放電特性，雙極性連續方波脈沖電壓下的電荷積累效應更加明顯[22,23]，圖11描述了不同階段時氣隙內部電荷及電場變化情況。E(t)為外加場強，其幅值為E0；Eq為氣隙內電荷產生場強。首先，當外場強加在匝絕緣試樣上時，氣隙內部感應出電荷，如圖11a 所示，當氣隙內的總場強Ei(E(t)和Eq的差值)達到局部放電起始場強時，如果存在初始電子，局部放電產生，之后氣隙內部場強Ei降為殘余場強Eres=E0-Eq，如圖11b 所示；當脈沖電壓極性發生反轉時，氣隙內部場強Ei=-(E(t)+Eq)，如圖11c 所示，此時，氣隙內部電荷在反向電場作用下運動，但是由于上升/下降沿時間很短，這個過程非常微弱，Eq值僅有細微降低，此時Eq≈E0-Eres，因此，在極性反轉瞬間，氣隙內場強Ei≈-(E(t)+E0-Eres)將會在短時間內到達局部放電起始場強，在下降沿再次發生局部放電，如圖11c；此時，氣隙內的電荷完成翻轉，同時氣隙內部場強降為-Eres，如圖11d 所示，當外場強再次反轉時如圖11e 所示，氣隙內部的電場及電荷變化如圖11c 類似，局部放電再次發生。之后，在每一個脈沖電壓周期內，氣隙內部的電荷移動及電場變化重復步驟b 至步驟f，因此局部放電多出現在脈沖電壓上升沿及下降沿處。

圖11 氣隙內部的電荷和電場變化Fig.11 Behavior of charge and field in the air gap

由圖4可知，放電次數與平均放電幅值并非隨著老化時間的延長而逐漸增加，這主要是由于在局部放電對介質作用過程中，一方面導致有機體的逐漸降解，生成新的放電微氣隙，另一方面，有機物降解后氣隙表面裸露出無機納米粒子，無機納米粒 子的電導率比聚合基體大，因此有助于氣隙表面的電荷輸運，降低電荷累積作用，當方波脈沖電壓極性反轉時，空間電荷致使氣隙場強的增強作用減弱，減少放電次數，因此在老化前期，放電次數和平均放電幅值與老化時間的關系較復雜。當老化進入后期時，由于生成大量大尺寸團簇及孔洞，一方面增加了放電點，另一方面也增加了局部放電起始電壓，釋放更大的能量，因此在試樣老化后期，放電次數和放電幅值均呈現出較為明顯的上升趨勢。

4.2 掃描電鏡圖像分析

在電氣設備中，絕緣材料的老化過程實際上是介質的化學和物理降解過程。局部放電產生的高能電子（能量分布2～20eV）、紫外光（波段主要分布在200～450nm）、局部高溫（可達1 000℃）、活性基團·O 和·H 等因素共同侵蝕絕緣介質，由于有機聚合物分子鏈共價鍵較弱（C-H 鍵能約為4.77eV、C-C鍵能約為4eV、C=C 鍵能6.3eV）、分解溫度相對較低（PI 熱分解溫度約為600℃），因此，在局部放電條件下造成有機聚合物分子鏈斷裂、熔融炭化，從而造成有機物化學降解，改變介質微觀結構，降低介質絕緣性能，最終導致介質擊穿[5,16,24]。但是，納米粒子是晶體氧化物，具有較高的鍵能和熔點（約為2 000℃），因此能抵擋局部放電的侵蝕，如圖5b～圖5d 所示，當有機相降解后，納米顆粒殘留在絕緣表面，并團聚形成尺寸較大的團絮狀顆粒。由此推斷，聚合物納米復合電介質的降解過程可用圖 12所示的模型表示。

圖12 納米電介質在局部放電條件下的降解過程示意圖Fig.12 Degradation process of nano-dielectric under PD

根據電磁場理論，相對介電常數較高的微小粒子在不均勻電場中易于向高電場部位遷移，因此當介質表面有機體被局部放電侵蝕后，析出的納米粒子在外電場作用下具有自遷移特性，納米粒子移動 到有機體局部腐蝕區域（尖端處及縫隙處）以平衡此處電場，從而降低局部放電活動；同時，析出的納米粒子分布在有機體表面，能直接抵擋局部放電對基體的進一步侵蝕[25]。而對于純聚酰亞胺基體而言，局部放電侵蝕介質表面，造成有機相的高溫炭化或揮發，內部化學鍵斷裂，導致在表面形成大量凹凸不平的溝壑及孔洞，如圖7所示。因此聚合物納米復合材料能有效提高介質的耐電暈性能，增加其使用壽命。

納米聚酰亞胺薄膜老化前斷面出現三層結構，其上下兩層有納米粒子摻雜，中間層為純聚酰亞胺，如圖13所示。當存在局部放電時，放電產生的高能電子、活性基團等侵蝕有機物基體，致使有機基體炭化、揮發，而納米粒子由于其較強的鍵能而保持原有狀態，并能在電場作用下沿表面作微小遷移，因此當匝絕緣擊穿時，薄膜上下表面呈現出較致密的特性，而中間層則表現出網狀結構，如圖8所示。

圖13 Kapton 100CR 薄膜的掃描電鏡圖Fig.13 SEM images of Kapton 100CR film

5 結論

本文分析了雙極性連續方波脈沖電壓下的局部放電特性，研究了局部放電對變頻電機匝間納米復合絕緣表面的侵蝕過程及擊穿點的微觀形貌特征，得出如下結論：

（1）匝間絕緣試樣的放電次數及平均放電幅值和老化時間并非呈線性關系，但總體上呈增加趨勢。

（2）局部放電侵蝕有機絕緣材料基體，在匝間絕緣試樣表面形成一系列尺寸不等的凹坑，析出的納米粒子形成無機絕緣層，這能有效抵擋局部放電對絕緣介質的進一步損傷。

（3）在老化后期，絕緣表面的平整性完全被破壞，熔融的有機物包裹在納米粒子周圍，形成尺寸不等的團簇；絕緣介質表面出現的小孔洞導致局部放電向介質內部發展，加速了絕緣失效的速度。

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