變頻器對大型電機絕緣壽命的影響

(1.發電設備國家工程研究中心， 黑龍江哈爾濱 150040；2.哈爾濱電機廠有限責任公司， 黑龍江哈爾濱 150040)

變頻器對大型電機絕緣壽命的影響

于旭東

(1.發電設備國家工程研究中心， 黑龍江哈爾濱 150040；2.哈爾濱電機廠有限責任公司， 黑龍江哈爾濱 150040)

根據變頻器的重復脈沖電壓對電機絕緣性能和壽命產生的不利影響，進行了云母絕緣的各種老化試驗，結果表明當電場頻率比較低時，表征絕緣性能的主要參數就會大幅增加。這也驗證了如果預測和評估電機絕緣系統的運行狀況，應當在低于工頻的低頻下進行。

變頻器；電機； 絕緣性能；影響

0 引言

上個世紀末，能夠實現變頻調速的交流電機在世界上已經得到普及。而本世紀初， 能夠取代齒輪箱的雙饋式風力發電機，由于實現了轉子交流變頻調速高效節能運行而成為風電設備的主流機型。它們之所以能夠采用先進的變頻調速技術，主要是得益于大功率電力電子變流器的快速發展。

1 變流器的重復脈沖電壓的影響

1.1 變頻器

與傳統的由工頻電壓饋電的電機不同，在實施變頻變速過程中，由于變流器的重復脈沖電壓作用，對電機絕緣壽命有很大影響見圖1。 因此， 國際電工委員會(IEC)，根據各國多方面的反映，重新頒布了技術標準 60034—18—42[1，2]， 并提出了《在電壓型變頻器饋電情況下絕緣系統耐局部放電鑒定試驗的推薦意見》，其中包括了電機絕緣系統不同部位的耐電壓試驗、老化現象和壽命等。現在各國都在進行試驗研究并上報所取得的成果,以便修訂國際標準。

圖1變頻器輸出仿正弦波及沖擊電壓

1.2 絕緣壽命

在電機的運行壽命期限內，采用變頻技術進行頻率和轉速調節時，每秒鐘的開關操作能夠產生數以千計的具有短時上升時間的瞬時階躍電壓。而在采用變頻調速技術以前，具有這種快速上升時間的沖擊波的主要來源，一直是斷路器的開關操作。這種操作的次數可達 100000 次以上，但是，采用變頻器供電時，它的重復頻率和脈沖上升時間，對絕緣壽命是有很大影響的。 當電壓上升到絕緣局部放電起始電壓以后，局部放電就成為絕緣老化的主要因素[3]。重復頻率的增加會導致絕緣壽命的縮短；電壓脈沖的上升時間，也會影響絕緣的老化。對于變頻器饋電的高電壓電機的云母絕緣來說，就需要有一套標準的試驗和評定方法，以便能對絕緣的壽命進行評估和預測。

表征電氣絕緣狀態的主要特征，是絕緣的介電性能參數。 專項試驗研究結果表明， 頻率和溫度對這種介電性能有很大影響。 試驗結果表明， 溫度的升高和頻率的降低， 對絕緣的介電性能有很大影響。 特別是當頻率為低頻率時， 對絕緣的劣化性能影響比較突出。

大型發電機的現代絕緣系統，主要由云母帶制成[4]。它的成分包括： 云母紙、 玻璃纖維和改性環氧硅橡膠型、亞胺型等熱固性樹脂。 由于發電機容量的不斷增大和電壓、電流密度的增加，導致了運行溫度的上升，從而使絕緣系統承受了更大的電氣機械和熱應力， 引起了物理化學變化和化學反應，產生了新的化合物和新的極性物質并導致電荷交換， 促使絕緣中的樹脂不斷劣化， 絕緣的電氣和機械性能降低和介質損耗增加 。

2 老化試驗及方法

2.1 老化試驗

為了評估絕緣系統的狀態 ，可以在實驗室通過加速老化試驗的方法來實現。在試驗過程中，應當測量和分析吸收或再吸收電流、時域介電性能響應 、高頻和低頻介電性能響應、 局部放電量水平、 耐電壓和局部耐電壓水平等不同的電氣性能參數。

為了能夠正確分析測量結果， 在加速老化試驗中， 注意事項：(1)試驗時間不能太長 ；(2) 不能改變正常運行條件下的物理化學變化過程；(3)必須精確控制進行介電性能測量時的條件， 如溫度、 電場強度和頻率等。通過采用介電常數頻譜儀， 就能測量未老化的絕緣系統介電常數、 導電率和介質損耗以及它們隨著溫度和電場頻率的變化。 對一臺容量為1MW 、額定電壓為6kV電機的剩余壽命，進行評估的試驗研究結果表明 ，關鍵在于應當在低頻電場條件下進行試驗。

2.2 試驗方法

其實最關鍵的是，硝酸磷肥在解決磷營養的同時不會產生磷石膏。楊福旺告訴記者：“天脊硝酸磷肥的副產品是輕質碳酸鈣，它是土壤調理最好的東西，它容易分解，在它分解的過程中釋放二氧化碳，提高土壤的pH值，同時釋放鈣離子、鎂離子，同時還有3-4個氮磷養分。”也就是說，天脊硝酸磷肥的副產品是非常好的鈣肥，不會對環境產生污染，這等于把資源吃干榨凈。

用于試驗的試樣尺寸為 40mm×40mm×1.5mm 的平板形試樣，它的厚度為 0.18mm ，由云母帶絕緣半疊繞7 層。 云母帶各種成分及其含量為：玻璃纖維13%，云母紙40%，環氧樹脂47%。該試樣通過尺寸為：650mm×110mm×2.5mm的鋼板進行熱壓。 鋼板上施加的壓力為3bar，加熱溫度為160℃，加熱持續時間為2.5h。上述熱壓的壓力、溫度和持續時間，均與大型電機制造工藝相符合。由這些鋼板壓制得到的試樣，也符合相應的要求，并且外觀質量良好。由于在試樣的表面粘貼有電極，便能測量得到復合介電常數和電導率。

試樣共計20件，分成4組。前3組，分別進行210℃、230℃和250℃的加速熱老化試驗。第四組，則采用由計算機、中樞單元、測量單元、控制單元和溫控系統組成的介電常數頻譜儀，在電場頻率為10-3Hz～106Hz和溫度為30℃～90℃的范圍內，進行復合介電常數和電導率的測量。

2.3 試驗結果

在不同溫度條件下，介電常數隨著頻率變化的試驗結果如表1所示。

表1 不同溫度條件下介電常數隨著頻率的變化

由此可見：(1)介電常數總是隨著頻率的降低而增大。特別是在低頻率區域，它的增加幅度很大，而在高頻率區域則很小；(2)同時，它也隨著溫度的升高而增大。特別是在低頻率區域增加的幅度，遠大于高頻區域；(3)當頻率達到106Hz時，溫度對于介電常數就幾乎沒有影響了。這項研究結果的實際意義在于：如果電機處于低頻區域(低速)運行的時間比較長，或次數比較多，就必須認真考慮這個頻率對于電機絕緣壽命的影響問題，特別是采用變頻器的變速交流電機，和采用變頻器調速的雙饋式風力發電機。

2.3.1 介電常數

由于頻率比較低而導致電機絕緣介電常數增加的主要原因，是在構成絕緣的環氧樹脂、云母紙和玻璃絲纖維中，仍然含有極性部分和極性分子(例如H2O等)，它們的雙極子，還需要重新取向和定位。如果頻率比較低，就會強化它們的離子運動，并使離子粘附在絕緣材料上述三種成分之間的不連續界面上，從而強化了極化作用的不均勻性，并導致介電常數實數部分的增加。此外，由于頻率比較低，也會強化極化作用本身而導致介電常數的增加。

2.3.2 介質損耗

在電場頻率比較低的情況下，除了介電常數的實數部分增加以外，還使它的虛數部分(損耗指數)和介質損耗因數tgδ增加。因為在頻率降低時，強化了攜帶電荷離子的移動，使離子的階躍時間(在電場內保持離子長期取向定位的時間)如果延長，發生“離子階躍”的概率就會變大。這種被稱為“低頻離散”現象的離子式傳導性增強，會導致損耗指數和損耗因數的增加。

在絕緣試樣中通常含有兩種離子，即正極性和負極性的離子。根據它們之間的相對距離，這兩種異性離子能夠形成偶極子，在電場作用下，產生離子運動，并促使偶極子的尺寸和取向各不相同。由于離子移動而使極性相互抵消，就會形成一個中性分子團。如果絕緣試樣受潮，它們里面就包含有獨立的極性分子團。在分子團內部和它們之間的離子運動，就需要吸收額外的能量，而這個能量則分別對應于損耗指數和損耗因數的增加。在這個物理化學反應過程中，化合物的合成和分解，都需要能量消耗。每個離子式偶極子的再次取向和定位，都伴隨著這種不可逆的能量散失，從而導致了損耗指數和損耗因數的增加。

雖然溫度的升高就會導致損耗指數和損耗因數的增加，但是，處在低頻(1MHz)時的增加量(90%)，卻遠高于在高頻(1MHz)時增加量(10%)。這主要是因為偶極子的遷移率在隨著溫度的增加而增加。

2.3.3 電導率

與介電常數相反，當電場頻率比較低時，電導率的實數和虛數部分都將大幅度降低。不同溫度條件下電導率隨頻率變化見表2，溫度升高時介電常數介質損耗因數、電導率變化見表3。

表2 不同溫度條件下電導率隨著頻率的變化

表3 溫度升高時介電常數介質損耗因數電導率的變化率(%)

注：溫度由30℃升高到90℃時

由表3可見，在低頻率時，絕緣的介電常數、損耗指數、損耗因數和電導率等的變化幅度都很大。這是因為低頻率意味著交流的交變次數減少了，導致介質的張弛過程減緩了。但是，電導率還是隨著頻率的降低而增加。這個增加幅度在低頻時要大于高頻時。之所以電導率隨著溫度的增加而增加，是因為絕緣試樣在溫度增加時，同時也使其內部離子電荷載體的能量增加，從而導致它們的擴散系數增加。此外，溫度的增加，也使絕緣試樣內部的缺陷密度加大，從而導致了電導率的增加。

關于變頻器沖擊波對絕緣運行壽命的影響，上述檢驗方法和評估結果已經上報國際電工委員會總部，作為制定國際標準的參考依據。

3 結語

(1)試驗結果表明：電機絕緣系統的性能受到電場頻率和溫度的影響很大。

(2)當電場頻率較低時，表征絕緣性能的主要參數，例如：介電常數、介質損耗因數等，就會大幅度增加；而電導率則會減小。

(3)如果再加上溫度升高的因素，就會使上述變化更加強烈。

(4)由于處于低頻條件下的絕緣性能變化范圍比高頻區域更大，所以，為了測定電機絕緣系統的運行狀態，應當在低于工頻的低頻(1MHz)條件下進行。

[1] Functional evaluation of electrical insulation systems, IEC 60034-18-32 ，International Electro technical Commission，Edition 4 ， Brussels, Belgium ，1988.

[2] Qualification and type tests for electrical insulation systems used in rotation electrical machines fed from converters, IEC TS 60034-18-41 ，Edition 3 ，International Electro technical Commission，Brussels, Belgium ，1989.

[3] 浦順興.哈電粉云母絕緣在大型電機上的應用[C].科技發展與進步，2007，5，53-57.

[4] 赫兟.大型水輪發電機絕緣系統研究[C].大型水輪發電機技術研討會文集，2007，9，62-69.

InfluenceofFrequencyConverteronInsulationLifeofLargeMotor

YuXudong

(1.National Engineering Research Center of Power Generating Equipment, Harbin 150040, China；2.Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China )

Because of negative influence of repetitive pulse voltage of frequency converter on insulation performance and life of motor, aging tests of various mica insulation are carried out. The experimental results show that when electric field frequency is relatively low, the main parameters of representing insulation performance will be substantially increased. It is also verified that the running state of motor insulation system should be measured and assessed under the frequency less than mains frequency.

Frequency converter；motor；insulation performance；impact

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.06.10

TM306

B

1008-7281(2017)06-0035-004

于旭東男1985年生；畢業于沈陽工業大學電氣工程專業，現從事大型發電設備開發應用研究工作.

2017-06-16