漆包線耐電暈試驗參數對測試結果的影響

諸冉冉，　張大義

（1.上海電纜研究所，上海200093；2.機械工業電工材料及特種線纜產品質量監督檢測中心，上海200093）

漆包線耐電暈試驗參數對測試結果的影響

諸冉冉1，2，張大義1

（1.上海電纜研究所，上海200093；2.機械工業電工材料及特種線纜產品質量監督檢測中心，上海200093）

漆包線的耐電暈性能是影響變頻電機壽命的重要因素之一，一般通過測試漆包線在高頻脈沖電壓條件下的擊穿時間以評估其耐電暈性能。由于不同的耐電暈試驗參數對測試結果有著較大的影響，故對漆包線耐電暈試驗中所涉及到的關鍵參數進行了分析研究。

變頻電機；漆包線；耐電暈；擊穿時間

0　引　言

脈寬調制（PWM）技術的問世帶動了電機交流調速技術的發展，但將PWM變頻器直接與普通電機配套使用時，其使用壽命卻遠小于工頻交流條件下的電機，部分變頻電機甚至只運行了幾個月便已損壞。已有相關文獻證實，造成變頻電機過早損壞的主要原因是局部放電。而電機運行時伴隨電暈現象產生的介質損耗發熱、空間電荷以及振動等多方面因素的疊加則進一步加速了絕緣材料的老化進程[1]，使得變頻電機壽命大幅縮短。因此，變頻電機用漆包線的耐電暈能力與其使用壽命有著密不可分的關系。本文在總結漆包線電暈老化機理的基礎上，分析研究了漆包線耐電暈試驗的相關參數對其擊穿時間的影響。

1　漆包線電暈老化機理

變頻電機絕緣系統的電暈老化失效主要是由持續時間短、重復頻率高的脈沖電壓所導致的[2]。這與在交流工頻電壓下所產生的電老化機理完全不同，這種老化過程較為復雜，是由一個或多個物理過程疊加導致的結果[2]。造成變頻電機用漆包線絕緣損壞的具體原因主要有以下兩個方面：

（1）電老化。局部放電是造成漆包線絕緣電老化、壽命縮短的重要原因[3]。在高頻脈沖電壓條件下，當漆包線相互接觸時，在它們之間的空氣層中就會發生嚴重的局部放電，即電暈現象，從而加速漆包線絕緣的老化。此外，由于現役變頻電機普遍采用PWM整流技術，因此，在電機運行時由于絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的高速導通和高速關斷動作，高頻方波脈沖電壓會在電源線與電機接通的瞬間加載于變頻電機繞組端。與此同時，因電纜、變頻器、電機三者之間的阻抗不匹配所產生的電磁波反射會導致尖峰過電壓的出現，并伴隨高頻震蕩現象[4]。因此，變頻電機用漆包線在這種環境下持續工作，極易因其絕緣的過度損耗而提前失效并使電機無法運行。

（2）熱老化。在受限的電氣絕緣系統內，隨著溫度的增加，電氣絕緣系統內的空間尺寸逐漸變小，使得局部放電起始電壓隨之降低，電老化速率亦隨之加快[2]。

綜上所述，由于電老化及熱老化的疊加效應促使變頻電機用漆包線絕緣的老化加速，縮短了漆包線的使用壽命，這是最終導致變頻電機損壞的主因。因此，通過對變頻電機用漆包線施加電老化效應并輔以熱老化效應的方式對其耐電暈性能進行測試能有效地衡量其絕緣抗老化失效的能力。本文在結合我國現有耐電暈漆包線產品標準中的耐電暈試驗規定及IEC相關標準的基礎上，針對漆包線耐電暈試驗的相關特性參數如脈沖電壓波形、脈沖電壓頻率、脈沖試驗電壓等進行了研究和驗證。

2　耐電暈試驗參數的影響

2.1脈沖電壓波形

驗證試驗表明脈沖電壓波形對耐電暈試驗結果有著較大的影響，脈沖電壓波形的設定涉及三個方面因素。

（1）波形。根據IEC 62068-1中規定，耐電暈試驗的脈沖電壓波形有三角波或方波可供選擇，推薦采用方波進行漆包線的耐電暈測試。與三角波無上沖的特點不同，方波是由基波與無數奇次諧波疊加所構成的，因此測試時使用方波能較好地模擬變頻電機線圈在運行過程中所受到的高次諧波。同時也有文獻明確指出，變頻電機兩端施加的電壓即為方波脈沖電壓[3]，因此在進行耐電暈測試時選擇方波脈沖更符合實際工況。

（2）極性。根據IEC 62068-1中對脈沖電壓對地極性的規定，極性可選擇雙極性或單極性，優先選擇形式為由一個正的或負的振幅表示其一種狀態，而由零電平表示其另一狀態的雙極性脈沖。

（3）對稱性。使用對稱的波形可以有效減少測試過程中的誤差，消除偶發性影響因子，使得到的測試結果更具有代表性和可重復性。

綜上所述，建議漆包線耐電暈試驗采用雙極性對稱型方波脈沖。

2.2脈沖電壓頻率

IEC 62068-1中將脈沖電壓頻率定義為：在相同時間間隔下，兩次完整脈沖之間時間的倒數[2]。有文獻指出：絕緣材料的老化壽命與施加的脈沖電壓頻率成非線性衰減關系[5]。隨著頻率的升高會使得單位時間內局部放電的次數隨之增加。為了驗證脈沖電壓頻率對漆包線耐電暈擊穿時間的影響，進行如下驗證試驗。

在φ0.60～2.00 mm范圍內選取不同規格的耐電暈漆包圓線共計10組，依據GB/T 4074.7—2009第5條中的規定將所選樣品制成扭絞線對。在其余測試參數固定的條件下，通過更改耐電暈試驗的脈沖電壓頻率，對試樣的局部放電起始電壓（起暈電壓）進行測試。測試設備使用常州威遠電工器材有限公司制造的高頻起暈電壓測量儀，主要通過捕捉絕緣材料在電暈放電時產生的紫外線信號轉化處理得到對應的絕緣材料起暈電壓值。不同脈沖電壓頻率和漆包線規格對起暈電壓的影響規律如表1所示。

表1　不同規格耐電暈漆包線在不同試驗頻率下的起暈電壓

從表1可以看出：對于同一規格試樣，當脈沖電壓頻率升高時，其起暈電壓呈下降趨勢。說明隨著脈沖電壓頻率的不斷升高，漆包線更易在較低的脈沖電壓條件下發生局部放電也即電暈現象，因此升高脈沖電壓頻率會在一定程度上對漆包線絕緣起到催化老化作用，絕緣的劣化隨之加速。而對于不同規格試樣，在脈沖電壓頻率相同的條件下，其起暈電壓隨著規格的增加基本呈上升趨勢。這說明試樣的絕緣厚度會影響其起暈電壓的高低，因此通過增加耐電暈漆包線的絕緣厚度可以提高其抗電暈沖擊的能力。此外，脈沖電壓頻率的變化對漆包線起暈電壓波動幅度的影響較小，因此還需對其它試驗參數進行研究。

2.3脈沖占空比

IEC 60034-18-41中將脈沖占空比定義為：在規定時間間隔內脈沖寬度和總時間的比率[6]。其中脈沖寬度指的是，脈沖瞬時值達到其沖擊幅值的規定值或規定閾值的第一瞬時和最后瞬時的時間間隔。因此，在“雙極性對稱型方波”條件下，考慮到極性轉換時存在的“死區時間”、脈沖上升時間及下降時間，實際可產生的雙極性對稱方波的占空比只能為小于50%。

2.4脈沖上升時間

IEC 60034-18-41中明確定義了“脈沖上升時間”為電壓幅值從峰值的10%上升至90%所需的時間[6]，并給出示意圖如圖1所示。

圖1　沖擊電壓波形參數

根據IEC 60034-18-41中定義，圖1中的Up是指單極式沖擊電壓期間達到的最高電壓數值[6]。而單極式沖擊電壓則是指極性為正極或負極的沖擊電壓。因此，對于雙極性對稱型方波脈沖而言，脈沖上升時間為其單極式沖擊電壓期間，電壓幅值從峰值的10%上升至90%所需的時間，即以零電位為基點，電壓幅值從峰值的10%上升至90%所需的時間。在使用示波器進行脈沖電壓上升時間的測量時應充分注意到這個問題。

另外，由于絕緣系統的負載是容性的，負載電容的大小對脈沖上升時間的影響很大，因此脈沖上升時間必須與所測試的樣品聯系起來。倘若只是給出設備空載時的上升時間卻忽略了具體的測試樣品，那么所得到的測試結果是不具備可對比性的。

2.5脈沖下降時間

基于IEC對脈沖上升時間已有了明確定義，因此脈沖下降時間的定義應為電壓幅值從峰值的90%下降至10%所需的時間。而建議漆包線耐電暈試驗采用雙極性對稱型方波脈沖即意味著：試驗要求電壓極性，正半波與負半波的波形必須相互對稱，即圖2中的區域2正負電平的對稱，區域1上升時間的對稱以及區域3下降時間的對稱。不能因為雙極性方波脈沖波形的視覺特點，而將負半波的上升時間也稱做“下降時間”。同時在示波器測量中應注意，正半軸的電壓幅值從＋Up的10%上升至90%所需的時間應與負半軸的電壓幅值從-Up的10%上升至90%所需的時間要保持嚴格一致，以符合其對稱的要點。

圖2　雙極性方波的對稱性

2.6脈沖試驗電壓

經研究人員總結得出：真正造成耐電暈漆包線絕緣過早失效的原因除了雙極性方波的上升沿陡峭度、下降沿陡峭度外還有“穩態沖擊電壓”以及“尖峰電壓”。其中，穩態沖擊電壓指：沖擊電壓的終值（見圖1中Ua）；尖峰電壓是指超過穩態沖擊電壓的峰值電壓值（見圖1中Ub）。因此，在進行測試時應關注“穩態沖擊電壓”及“尖峰電壓”兩者對于漆包線耐電暈測試結果的影響。

（1）穩態沖擊電壓Ua

進行以下測試以研究穩態沖擊電壓的輸出穩定性：在耐電暈試驗儀負載條件下，使用示波器對任一輸出端進行測試。測試間隔為每次5 min，連續測試40組。所測得的穩態沖擊電壓與試驗時間的關系如圖3所示。從圖3中可以看到，隨時間的推移，穩態沖擊電壓基本無明顯的波動。這是因為“穩態沖擊電壓”是由設備的直流電源進行控制的，其輸出穩定精度能控制在±1%以內，不會產生大幅波動的現象。

圖3　穩態沖擊電壓示意圖

（2）尖峰電壓Ub

由于現有“漆包線耐電暈試驗儀”普遍使用IGBT的H橋電路控制技術模擬變頻電機的控制變頻器，因此在實際電路中因分散電感的影響會形成“尖峰電壓”，且這一固有特性一般難以消除。

對于“尖峰電壓”，除了有設備本身固有的特性原因外，當測試電路中所加載的樣品不同時，所測得的“尖峰電壓”也是不同的。首先，通過使用如圖4所示的簡化仿真模型電路模擬使用“耐電暈試驗儀”測試不同規格漆包線，對所產生的過沖電壓進行理論驗證。

圖4　尖峰電壓簡化仿真模型

通過更換仿真模型電路中的負載電容得到如圖5所示尖峰電壓與負載電容關系示意圖。

圖5　負載電容與尖峰電壓關系（仿真）

仿真結果表明：尖峰電壓會隨著負載電容的變化而變化，隨著負載電容的增加其所對應的尖峰電壓則呈下降趨勢。為了進一步證明仿真結果，進行如下驗證試驗。

分別對空載及負載時的耐電暈試驗儀任一輸出端的尖峰電壓進行測量。其中，負載條件下所使用的耐電暈漆包線試樣規格分別為0.80 mm、1.00 mm及1.50 mm。測試間隔為每次5 min，連續測試10組，取測試結果的平均值繪制成曲線如圖6所示。

圖6表明試樣的電容會在一定程度上影響尖峰電壓。在“穩態沖擊電壓”相同的條件下，對于不同規格的試樣，所測得的“尖峰電壓”與其固有電容有關。因而，在進行漆包線耐電暈試驗時應注意：測試一組相同規格試樣時，應盡量控制各試樣的電容相等或接近，以減少尖峰電壓對試驗結果的影響。此外，分析圖6可知：對于不同規格的試樣，其所對應的“尖峰電壓”也是不同的，試樣的電容越大加載于其兩端的尖峰電壓值反而越小。因此，在脈沖峰值電壓Up相同的情況下，對于不同規格的試樣，其所承受的“穩態沖擊電壓”與“尖峰電壓”也是不同的。若只關注耐電暈試驗中的脈沖峰值電壓Up，會對測試結果的可對比性造成一定程度的影響。

圖6　負載電容與尖峰電壓關系（實測）

3　結束語

變頻電機用耐電暈漆包線雖已有近十年的應用，但目前仍處于發展階段，尚存在許多需要進一步研究和解決的未知因素。IEC現有適用于“變頻電機絕緣結構”的相關試驗標準雖然已經推行，但是可供借鑒的IEC漆包線耐電暈試驗方法標準仍未形成。建議在選擇漆包線耐電暈試驗參數時，除了要充分遵從和理解IEC現有的指導方法及標準外，還應遵循嚴格借鑒和充分驗證相結合的原則，選擇可簡化試驗模型及穩定的參數作為試驗的參考和依據，使所得到的試驗結果具有更高的可重復性和代表性，以滿足漆包線行業對產品質量監測的要求。

[1]姜其斌，陳紅生，衷敬和，等.變頻電機用耐電暈絕緣材料的應用研究進展[J].絕緣材料，2007，40（6）：19-22.

[2]GB/T 22566.1—2008電氣絕緣系統重復脈沖產生的電應力第1部分：電老化評定的通用方法[S].

[3]劉電霆，張聲嵐，錢三來，等.變頻電機絕緣材料失效主要因素與壽命評估方法[J].絕緣材料，2011，44（5）：55-58.

[4]賈大江.永磁直驅風力發電機組的設計與技術[M].北京：中國電力出版社，2012.77-79.

[5]徐躍，鄧小軍.不同頻率和溫度的電暈放電對聚酰亞胺薄膜的損傷特性研究[J].絕緣材料，2014，47（1）：85-88.

[6]IEC 60034-18-41：2014 ed1.0 Rotating electrical machines-Part 18-41：Partial discharge free electrical insulation systems（Type I）used in rotating electricalmachines fed from voltage converters-Qualification and quality control tests[S].

The Influence of the Corona Resistance Testing Parameters for Enamelled Round W inding W ires on the Test Results

ZHU Ran-ran1，2，ZHANG Da-yi1
（1.Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai200093，China；2.Machinery Industry Quality Supervision and Test Center for Electric Material and SpecialWire and Cable，Shanghai200093，China）

The corona resistance of the enamelled round winding wires is one of the important factors that affect the life of the variable frequency electric machine.Generally，we evaluate the corona resistance of the enamelled round winding wires by testing the breakdown time of them under high frequency pulse voltage.Different corona test parameters affect the testing results，so the key parameters of the corona resistance test for enamelled round windingwires are determinded and discussed throughly in this paper.

variable frequency electricmachine；enamelled round windingwires；corona resistance；breakdown time

TM245.1

A

1672-6901（2016）01-0032-05

2015-06-01

諸冉冉（1986-），女，工程師.

作者地址：上海市軍工路1000號[200093].