SIV變流器絕緣性能出廠測試及失效模式研究

孫勝苗

摘 要：針對工頻SIV變流器常見絕緣耐壓失效模式，并結合相關絕緣、耐壓試驗標準，分析現有城市軌道車輛工頻SIV變流器絕緣耐壓測試方法，評估現有工頻SIV變流器絕緣耐壓測試方案在耐壓方式選擇、分組測試、耐壓等級選擇等方面的合理性。同時結合作者多年從事變流器測試技術工作的經驗積累提出優化建議，旨在為工頻SIV變流器設計及測試工程師合理選擇工頻SIV變流器絕緣耐壓試驗方法提供參考意見。

關鍵詞：工頻SIV；絕緣耐壓測試；失效模式；建議

中圖分類號：U260 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）03-0057-03

Abstract： In view of the common insulation withstand voltage failure modes of power frequency SIV converters， and combined with the related insulation and voltage test standards， the existing insulation withstand voltage test methods of power frequency SIV converters for urban rail vehicles are analyzed. This paper evaluates the reasonableness of the existing insulation withstand voltage test schemes for power frequency SIV converters in the aspects of voltage mode selection， grouping test and voltage withstanding grade selection， etc. At the same time， combined with the author's many years of experience in converter testing work， the optimization suggestions are put forward for the purpose of providing reference for the design of power frequency SIV converters and the reasonable selection of insulation withstand voltage test methods for power frequency SIV converters.

Keywords： power frequency SIV； insulation withstand voltage test； failure mode； suggestion

引言

為了確保城市軌道交通工頻SIV出廠后的絕緣耐壓性能，保證產品出廠后的使用安全，業界的方法是在變流器生產過程中對其進行嚴格的絕緣性能試驗和耐壓試驗，以達到將產品絕緣性能缺陷提前暴露出來的目的。

不同的絕緣性能試驗方法，對變流器絕緣性能的驗證效果不盡相同，且試驗本身也具有一定的破壞性。所以選擇合適的絕緣性能試驗方法，對保證產品的出廠絕緣性能至關重要。本文介紹工頻SIV變流器耐壓試驗方法和絕緣失效模式，并結合在變頻器測試技術工作中的一些工程經驗，希望對工頻SIV變流器設計及試驗工作者提供參考。

1 工頻SIV變流器絕緣性能試驗

工頻SIV變流器通過電網提供的DC750V和DC1500V直流電壓，通過充電電路、直流濾波電容器，送至IGBT逆變器逆變為工頻三相交流電，最終經三相變壓器轉換成穩定的三相四線制AC380V或AC220V，50Hz電源給空調機組及通風裝置、空壓機、電加熱器、客室照明等交流輔助負載使用[1]。為了保證工頻SIV變流器的絕緣性能，除了在設計階段嚴格按照相關標準和工程經驗進行絕緣介質選擇、絕緣間隙和爬電距離設計外，試制和量產的試驗驗證也是十分必要的。下面就工頻SIV變流器采用的絕緣試驗策略進行分析，并評估其合理性。

1.1 工頻SIV變流器試驗方案

工頻SIV變流器業界出廠調試，在規定范圍的溫度和濕度條件下，進行1min持續工頻耐壓試驗。試驗中，根據不同電位將電路分組成高壓回路、次高壓回路、弱電壓回路和地四個回路，其中高壓回路包括1500V或者750V等級主回路電路及電路上的電壓、電阻、電容、斷路器等高壓器件及IGBT逆變器進行逆變后輸出PWM波交流電壓630V左右電壓，次高壓回路包括輸出變壓器（TR1）進行電壓隔離、降壓，交流電容器（ACC）濾波得到低諧波含量的三相準正弦電壓，輸出三相AC380Vrms/50Hz電壓及電路上的交流電容、電壓變換器、輸出接觸器等高壓非保護性器件，弱電壓回路包括110V控制電路和經高頻整流橋整流、電抗器、電容器濾波后得到穩定的DC110V電源充電機110V輸出回路及以下電壓，地指的是大地。

1.2 試驗標準分析

除耐壓試驗方法和方案選擇之外，耐壓試驗的等級選擇也十分關鍵，過高、過低都會使產品留下絕緣性能隱患。現分別參考IEC＼EN＼TB等國際、歐洲及鐵路標準，來分析其合理性。IEC60077-2017、EN50343-2003及TB/T3153-2007作為國內現有動車組及地鐵車輛耐壓標準，適合多電壓等級及高速運行條件[4]，三項標準耐壓等級對比表1如下。

以1500V電壓等級平臺為例，高壓回路按三種標準依次耐壓值為5000V、4250V、4887.5V，次高壓回路依次耐壓值為2500V/2550V/2125V， 弱電壓回路依次耐壓值為1500V/1000V/1275V。通過對比分析可以看出，不同標準間在所有電壓等級回路都有一定的差異，而IEC標準普遍高于EN＼TB等地域或行業標準，等級選擇時可依據耐壓和產品投放地域綜合考慮。

此外每個耐壓分組中，并不是所有的電壓都完全一致，例如既有高壓回路DC1500V的直流電壓，也有逆變出來的次高壓回路工頻630V交流電壓，又如弱電回路就有DC110V、DC24V、DC15V等多種電壓形式。對于低壓回路而言，都是提高電壓等級加嚴測試，只要在保證不損壞器件和安全的前提下，考慮操作的便捷性是可以采用的。

2 常見的絕緣性能出廠測試的問題

出廠測試中器件導致的變流器絕緣性能試驗不通過多數屬于個例，通過更換合格器件即可重新通過試驗。但是也有器件存在批量無法通過耐壓試驗，例如散熱風機、二次電源等。發生類似問題，經分析往往是這些部件的設計或加工工藝問題導致其內部電路的絕緣能力不符合要求造成。出廠測試中另一比較常見的問題是加工過程中不良操作，對部件絕緣材料的誤傷。如下線時，工人無意中割傷了絕緣層；如變壓器、電抗器在轉運或組裝過程中，絕緣漆被破壞。還有產品設計時絕緣距離安全余量不足。另外加工過程沒有充分識別風險，也會給產品的絕緣性能留下隱患。如兩種電位的端子，平行安裝時可以滿足絕緣間距的要求，但是歪斜一定角度又可能導致絕緣間隙不足。此外選擇合適的試驗電壓等級不僅可以保證缺陷的可篩選性，也是試驗過程不對產品產生不可逆破壞的前提，如網絡通訊線束試驗電壓值過高就非常容易發生擊穿現象。

3 城市軌道車輛工頻SIV變流器絕緣性能的失效模式

SIV變流器任一瞬間電場可近似視作為靜電場[2]，當變流器中電介質承受的電場強度超過一定限值時就會失去絕緣能力而損壞。若強場區局限于較小范圍，則電介質可能只是局部損壞，發生局部放電現象，但放電發展到貫穿性的空氣擊穿稱為閃絡。若強場區范圍很大，則電介質將全部失去絕緣性能，造成電極間短路，即電介質擊穿。

SIV變流器常見的電介質有空氣、絕緣漆、絕緣套管、環氧絕緣子、硅橡膠帶和云母帶等，下面將就變流器使用及試驗過程中常見絕緣失效形式，進行具體闡述。

3.1 空氣擊穿及閃絡

工頻SIV變流器常用空氣作為絕緣介質，例如裸露的母排與腔體壁之間、接線端子之間就是利用了空氣的絕緣性能。當電路中因過電壓而導致電場強度達到一定的數值后，氣體會失去絕緣能力，從而造成事故。

環境中的空氣，由于空中紫外線、宇宙射線及來自地球內部輻射線的作用，通常總是存在小量電質子的。當電場較弱時，由于帶電質子極少，氣體仍為優良的絕緣體。但是當提高氣體間隙上的外施電壓而達到一定數值后，電流突然劇增，氣體失去絕緣性能。可見空氣的絕緣性能，與不同電壓等級電路之間的電勢差別負相關，與不同電位電路之間的間隙距離正相關。而不同電路之間的電勢差別，既與電路之間的電壓等級有關，還與電壓類型有關；絕緣間隙和爬電距離，取決于電路導體具體的結構，它由產品設計尺寸和生產過程誤差疊加決定的。

3.2 固態電介質擊穿

工頻SIV變流器除了使用空氣作為絕緣介質外，還常使用一些固體介質作為絕緣介質。例如在端子與柜體之間，常使用環氧絕緣子作為絕緣介質；在母排與柜體之間絕緣距離不足而又因柜體體積限制無法增加間隙的位置，往往在母排上套上絕緣套管或者硅橡膠帶進行絕緣處理，這些都是利用了固體絕緣材料作為介質的辦法。有時由于固體絕緣介質選擇不當或者絕緣介質存在缺陷無法達到預期的絕緣效果，造成了產品的絕緣性能達不到要求。所以下面將重點分析，固體絕緣介質的擊穿原理和對固體介質絕緣效果的影響因數。

電介質根據化學鍵可分為離子鍵和共價鍵，在電極間加上電介質，由于電場作用下電介質帶電物質產生應變，會在電介質的端面上產生與電極性相反的電荷，把這種現象稱為電介質極化。根據不同的化學鍵，會產生不同的極化形式，當極化超過一定程度或足夠長的時間之后，會產生電介質溫度急劇上升而損壞介質甚至直接損壞介質，而使介質產生熔化的通道或者裂縫。影響固體介質擊穿電壓的主要因素，包括電壓作用的時間、溫度、電場均勻程度、干擾電壓的種類、累積效應、受潮和機械負荷。

3.3 失效的判別方法

絕緣性能的判別方法主要有耐壓前后的絕緣值對比、漏電流值是否異常、異響和閃絡弧光等物理現象。

耐壓前后的絕緣值對比方法為耐壓前先對變流器進行絕緣電阻測量試驗并記錄絕緣電阻值，然后進行1min工頻介電強度試驗，試驗過程沒有閃絡和擊穿，最后再測量一次絕緣電阻值并與第一次測量值比較，確認兩次絕緣電阻測量值沒有超過10%量值變化。其次通過漏電流值是否異常，雖然所有的標準中沒有要求對漏電流值進行測量，但是根據工程經驗正常SIV耐壓時，漏電流值一般不會超過20mA，一旦超過需要檢查和分析原因。最后，試驗過程中要保證環境的相對安靜，最好有2個以上人員站在不同角度觀測試驗現象，一旦發現異響和閃絡弧光源頭，要立即停下來排查。以上三種方法需要根據工程經驗綜合使用，才能更好的發揮效果。

4 結束語

本文通過總結工頻SIV變流器使用和試驗過程中常見的絕緣失效模式，并分析高壓設備絕緣性能出廠試驗方法，論證了業界工頻SIV變流器絕緣性能出廠試驗方法的合理性。結合作者多年在變頻器測試技術工作中積累的經驗，在符合業界相關標準的前提下，得出操作層面的建議如下：

產品耐壓等級選擇應該嚴格參考標準，鑒于不同標準間也存在一定的差異，應從技術要求和產品運營地域綜合考慮。

由于不同電位等級間的漏電程度，與電路中所有器件成正相關。因此試驗過程中，除保護器件（如：EMI濾波器及熔斷器）外，應盡可能的將所有器件按實際使用情況接入耐壓回路。

在盡可能將所有的器件接入耐壓回路的前提下，要綜合考慮功率模塊、機箱等可更換單元的試驗策略，盡量避免重復耐壓。如果可更換單元在生產過程中已經單獨試驗，可不接入整柜耐壓回路，但仍需先裝配并斷開回路，再進行試驗。如果可更換單元參與變流器整柜耐壓，可更換單元盡量避免重復耐壓，但單獨出廠的可更換單元需制定一套單獨的工藝路線及試驗方案。

試驗回路電阻、電感、電容等器件，需采用短接輸入、輸出電極的方式參與耐壓。

雖然現有的標準中沒有試驗過程中的漏電流測量要求，為便于判斷和發現潛在隱患器件，應盡量根據批量工程經驗，建議給出推薦值。

根據標準要求及考慮與110V電壓等級差別較大，36V以下電壓回路最好區別110V電源及控制回路，進行單獨分組測試。

要關注溫度、濕度對絕緣耐壓性能的影響。

試驗后絕緣電阻值相比試驗前絕緣值降低不能超過10%。

參考文獻：

[1]趙清良.地鐵車輛靜止變流器[J].電力機車與城軌車輛，2001：1-363.

[2]嚴璋，朱德恒.高電壓絕緣技術[M].中國電力出版社，2007（10）.

[3]邱昌容，曹曉瓏.電氣絕緣測試技術[M].機械工業出版社，2001（11）.

[4]岳剛，周建源，汪洋.軌道交通絕緣耐壓標準對比分析研究[J].中國新技術新產品，2015（03）：116-117.