重復(fù)方波極性對聚酰亞胺耐電暈性能影響研究

陳君強(qiáng)，王 鵬，黃 寅，董 涵，顧洋豪

（四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

由于變頻器與電機(jī)阻抗不匹配，脈寬調(diào)制（pulse width modulation,PWM）產(chǎn)生的高頻、快速變化的脈沖電壓易在電機(jī)端部產(chǎn)生過電壓。同時(shí)，在電機(jī)的分布參數(shù)影響下，具有高頻成分的脈沖電壓在電機(jī)繞組內(nèi)部常分布不均，易造成局部場強(qiáng)集中引起局部放電，導(dǎo)致變頻電機(jī)絕緣早期失效現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[1-4]。模擬變頻電機(jī)運(yùn)行電應(yīng)力，在重復(fù)方波條件下對變頻電機(jī)起始放電電壓及耐電暈性能進(jìn)行測試，是評(píng)估變頻電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)及絕緣材料的重要手段，對提升變頻電機(jī)絕緣系統(tǒng)的可靠性具有重要意義[5-6]。

聚酰亞胺（polyimide,PI）是綜合性能最佳的有機(jī)高分子材料之一，具有較好的力學(xué)、耐高溫和耐化學(xué)腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于繞包變頻電機(jī)匝間絕緣。然而，受制于現(xiàn)有工藝，在電磁線制作、后期浸漬和烘干過程中，無法完全消除絕緣系統(tǒng)中的氣隙、褶皺等缺陷。當(dāng)變頻電機(jī)繞組處于局部場強(qiáng)中時(shí)，缺陷位置更易產(chǎn)生放電（電暈），加速絕緣老化，這是造成變頻電機(jī)絕緣早期失效的重要原因[7-8]。據(jù)此，高壓電機(jī)采用具有耐電暈性能的聚酰亞胺，對提升變頻電機(jī)的絕緣性能至關(guān)重要。

使用重復(fù)方波對應(yīng)用于變頻電機(jī)的絕緣材料進(jìn)行耐電暈測試時(shí)，為得到客觀、有效和分散性小的評(píng)估結(jié)果，重復(fù)脈沖電壓參數(shù)的選擇是首先應(yīng)考慮的問題。研究指出，重復(fù)方波上升時(shí)間[9-10]、頻率[11]、占空比[12]、對稱性[13]和環(huán)境溫度[14-15]對變頻電機(jī)耐電暈壽命的影響顯著。文獻(xiàn)[16]分析了方波極性對絞線對PDIV和表面電荷分布的影響，認(rèn)為極性對PDIV的影響較小。然而，對單極性與雙極性重復(fù)方波下變頻電機(jī)絕緣的耐電暈壽命對比研究卻鮮有報(bào)道。

本文利用極性可控的重復(fù)方波耐電暈系統(tǒng)，在峰峰電壓為6 kV、頻率為2 kHz、上升和下降時(shí)間為150 ns、占空比為50%的重復(fù)方波電壓下，研究方波極性對聚酰亞胺絕緣耐電暈壽命的影響。通過耐電暈試驗(yàn)過程中的局部放電統(tǒng)計(jì)和放電機(jī)理分析，對方波極性對耐電暈壽命的影響規(guī)律進(jìn)行機(jī)理解釋。研究結(jié)果有望為變頻電機(jī)絕緣耐電暈測試中方波電壓波形的選擇提供實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。

1 方波耐電暈測試系統(tǒng)的搭建

1.1 重復(fù)方波發(fā)生器

高壓方波發(fā)生器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。電路包含可分別產(chǎn)生可調(diào)正極性和負(fù)極性高壓的直流電源+HV和-HV、高壓儲(chǔ)能電容CB1和CB2、起限流和控制波形邊沿時(shí)間的正向和反向充電電阻R1和R2，以及高壓固態(tài)開關(guān)S和容性負(fù)載CX。

圖1 重復(fù)方波發(fā)生器電路拓?fù)鋱DFig.1 Topological graph of repetitive square wave generator circuit

1.2 重復(fù)方波耐電暈測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

重復(fù)方波耐電暈測試系統(tǒng)如圖2所示，采用具有快速響應(yīng)以及抗干擾能力的現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）作為本系統(tǒng)的核心控制模塊，其主要功能為：①控制數(shù)模轉(zhuǎn)換（DA）模塊產(chǎn)生高壓固態(tài)開關(guān)S所需的TTL觸發(fā)信號(hào)；②與外部指示與控制面板產(chǎn)生通訊信號(hào)，控制整個(gè)系統(tǒng)的啟停、運(yùn)行狀態(tài)指示以及擊穿自動(dòng)計(jì)時(shí)；③控制正、負(fù)高壓輸入回路上真空繼電器的通斷，以控制輸出高壓方波的極性；④通過霍爾傳感器，采集負(fù)載輸出線路上的電流信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電壓模擬量后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換（AD）模塊輸入FPGA進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)短路瞬間的過流保護(hù)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)耐電暈測試系統(tǒng)的過流保護(hù)；⑤通過分壓器進(jìn)行電壓采集并通過電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為FPGA_IO電平，實(shí)時(shí)判斷輸出方波狀態(tài)，在擊穿短路瞬間形成壓降保護(hù)，實(shí)現(xiàn)耐電暈測試系統(tǒng)的電壓短路保護(hù)。

圖2 重復(fù)方波耐電暈測試系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic of corona resistance test system under repetitive square wave voltages

1.3 耐電暈與局放測試平臺(tái)整體框圖

1.3.1 試樣與電極支架

試樣采用PI薄膜，厚度為0.05 mm，尺寸為22 mm×22 mm，放置于恒溫箱內(nèi)的球-板電極之間，如圖3所示。其中球形電極、平板電極的直徑分別為20 mm、50 mm，材質(zhì)均為不銹鋼，電極支架采用聚四氟乙烯耐高溫絕緣板制成。由于薄膜表面可能存在灰塵、油污等污漬，采用99.5%無水乙醇擦拭表面，并在40℃恒溫箱內(nèi)靜置2 h，盡量減小雜質(zhì)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

圖3 電極與電極支架Fig.3 Electrode and electrode holder

1.3.2 測試系統(tǒng)原理框圖

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)輸出的重復(fù)方波包含納秒級(jí)的上升時(shí)間，在電力電子器件快速開斷產(chǎn)生的高頻干擾影響下，傳統(tǒng)應(yīng)用于正弦電壓下的局部放電測試方法（如高頻電流傳感器、檢測阻抗直接耦合法等）不能應(yīng)用在重復(fù)脈沖電壓下[17]。為提升測試靈敏度，采用定制特高頻天線配以頻域?yàn)V波，構(gòu)成重復(fù)方波電壓下的PD測試系統(tǒng)，整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic of experimental system

1.3.3 實(shí)驗(yàn)方法

在正極性、負(fù)極性和雙極性重復(fù)方波下，固定峰峰值為6 kV、頻率為2 kHz、占空比為50%、上升時(shí)間和下降時(shí)間為150 ns，設(shè)置環(huán)境溫度恒定為40℃，對5組PI薄膜試樣進(jìn)行測試，記錄其耐電暈壽命及PD統(tǒng)計(jì)特性，并采用高倍光學(xué)顯微鏡觀察記錄擊穿點(diǎn)形態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 局放放電特性

圖5是相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，雙極性、正極性、負(fù)極性重復(fù)方波下的局部放電譜圖（phase resolved partial discharge，PRPD）。

圖5 重復(fù)方波下的PRPD譜圖Fig.5 PRPD under repetitive square wave voltages

從圖5可以看出，放電都集中在方波的上升沿和下降沿處。圖6～8分別為雙極性、正極性和負(fù)極性重復(fù)方波下上升沿和下降沿處整個(gè)耐電暈壽命測試過程的局部放電幅值分布圖。可以看出3種極性方波下的局部放電幅值分布呈相似規(guī)律。圖9為不同重復(fù)方波極性下上升沿和下降沿處整個(gè)耐電暈壽命測試過程中的局部放電幅值箱線圖，其中Dr、Df分別為雙極性上升沿、下降沿；Pr、Pf分別為正極性上升沿、下降沿；Nr、Nf分別為負(fù)極性上升沿、下降沿。

圖6 雙極性方波邊沿PD分布圖Fig.6 PD scatters under bipolar square wave voltages

圖7 正極性方波邊沿PD分布圖Fig.7 PD scatters under positive square wave voltages

圖8 負(fù)極性方波邊沿PD分布圖Fig.8 PD scatters under negative square wave

圖9 不同極性重復(fù)方波下PD幅值Fig.9 PD amplitude under different polarities of repetitive square wave voltage polarities

從圖9可以看出，各極性條件下耐電暈壽命測試過程中PD幅值差異不大，但PD幅值統(tǒng)計(jì)分散性存在差異，由大到小順序?yàn)檎龢O性、負(fù)極性、雙極性，在正極性和負(fù)極性方波電壓下，上升沿處PD幅值分散性都大于下降沿處，而雙極性方波下，PD幅值分布較為均勻。

2.2 耐電暈性能

圖10為不同方波極性下耐電暈壽命統(tǒng)計(jì)箱線圖。從圖10可以看出，耐電暈壽命主要集中在1 200～1 600 s，3種極性下耐電暈壽命未見明顯差異。但不同方波極性下的耐電暈壽命分散性存在差異，由大到小順序?yàn)檎龢O性、負(fù)極性、雙極性。由圖9耐電暈過程中的局部放電幅值分散性可知，局部放電幅值分散性可能是影響圖10中耐電暈壽命分散性的主要原因。

圖10 不同極性重復(fù)方波下耐電暈壽命箱線圖Fig.10 Box chart of corona resistance life under different polarities of repetitive square wave voltage

2.3 電擊穿點(diǎn)特性

圖11分別為雙極性、正極性和負(fù)極性方波下5組擊穿薄膜試樣的典型擊穿圖。

從圖11可以看出，耐電暈老化過程是一個(gè)漸進(jìn)腐蝕的過程，最后均在試樣與電極接觸最緊密處產(chǎn)生擊穿點(diǎn)。雖然擊穿點(diǎn)都為貫穿性，但在負(fù)極性和正單極性重復(fù)方波條件下，擊穿點(diǎn)附近還存在不規(guī)則縱、橫向裂紋，而雙極性下重復(fù)方波擊穿點(diǎn)較為規(guī)則。

3 分析討論

圖12描述了雙極性和正、負(fù)極性重復(fù)方波下（假設(shè)初始電子已形成）PD發(fā)生前后的場強(qiáng)變化過程。其中，電極之間的氣隙場強(qiáng)為E0′(t)，外施場強(qiáng)為E0(t)。對于雙極性重復(fù)方波（峰值場強(qiáng)為EP），PD發(fā)生前氣隙場強(qiáng)E0′（虛線）等于外施場強(qiáng)E0（實(shí)線）。如果外施電壓達(dá)到PDIV，并且有初始電子存在[18]，放電發(fā)生，電場 E0′下降到殘余電場值 Eres。由于注入的電荷不能快速耗散，由PD積累的表面電荷引起的電場Esc保持不變[19]。當(dāng)外施電場改變其極性時(shí)，氣隙場強(qiáng)E0′隨峰峰場強(qiáng)的增大而增大。由于達(dá)到的峰值為（2EP-Eres），大于PD初始激發(fā)場強(qiáng)，PD再次發(fā)生，E0′再次下降到數(shù)值-Eres，直到下一次極性翻轉(zhuǎn)時(shí)刻。

圖12 不同極性重復(fù)方波下電場變化過程Fig.12 The changing process of electric field under different polarities of repetitive square wave voltage

在單極性重復(fù)方波下，外加電場的峰值大小為雙極性峰值的兩倍，為使PD發(fā)生，氣隙場強(qiáng)E0′要大于2EP。當(dāng)PD發(fā)生時(shí)，氣隙場強(qiáng)E0′減小為Eres，直到外施電場減小為零。E0′隨外施場變化而變化，當(dāng)變化值達(dá)到2EP時(shí)，即使施加的外部電壓為零，也可能發(fā)生下一次放電，氣隙場強(qiáng)E0′大小再次降為Eres。

由以上分析可知，對于雙極性和單極性重復(fù)方波，Esc與外部施加電場方向始終相同，在每次電壓翻轉(zhuǎn)時(shí)，合成氣隙場強(qiáng)E0′會(huì)減小至殘余場強(qiáng)Eres大小（可近似為0），因此PD只發(fā)生在重復(fù)方波的上升沿和下降沿處。由此得出，重復(fù)方波峰峰值才是影響PD的主要因素，而變頻電機(jī)匝間絕緣的PD是造成電機(jī)絕緣早期失效的根本原因[7-8]，所以重復(fù)方波極性對變頻電機(jī)耐電暈壽命和局部放電特性無明顯影響。

4 結(jié)論

利用搭建的重復(fù)方波電壓下耐電暈測試系統(tǒng)，對比研究了正極性、負(fù)極性和雙極性重復(fù)方波電壓下聚酰亞胺的耐電暈性能，得到以下結(jié)論：

（1）放電發(fā)生后，在電壓極性反轉(zhuǎn)時(shí)的表面電荷作用下，重復(fù)方波電壓極性對聚酰亞胺耐電暈性能無顯著影響，重復(fù)方波峰峰值才是影響變頻電機(jī)耐電暈壽命和局部放電特性的決定因素。

（2）不同方波極性下耐電暈壽命分散性和PRPD譜圖放電幅值分散性呈相似規(guī)律，由大到小依次為正極性、負(fù)極性、雙極性，局部放電幅值分散性可能是影響耐電暈壽命分散性的主要原因。

（3）在重復(fù)方波下執(zhí)行變頻電機(jī)絕緣耐電暈性能測試時(shí)，采用相同條件下的雙極性方波有益于減小測試結(jié)果的分散性。