變頻電機(jī)匝間絕緣故障放電信號(hào)電磁輻射特性研究

馬世金 王 鵬 朱英偉 黃文冬

變頻電機(jī)匝間絕緣故障放電信號(hào)電磁輻射特性研究

馬世金 王 鵬 朱英偉 黃文冬

（四川大學(xué)電氣工程學(xué)院 成都 610065）

特高頻（UHF）檢測(cè)法是變頻電機(jī)絕緣診斷局部放電（PD）的重要方法，采集得到的PD信號(hào)電磁頻譜與放電類型、傳感器天線及信號(hào)接收裝置密切相關(guān)，然而，傳統(tǒng)方法難以判定PD信號(hào)是繞組絕緣放電特征，還是絕緣繞組作為發(fā)射天線的輻射特性。該文將聚酰亞胺單點(diǎn)交叉試樣作為偶極子天線，利用高頻電磁仿真軟件計(jì)算天線諧振頻率，分析不同長(zhǎng)度、不同交叉角度下試樣天線的輻射特性；然后利用寬頻天線（0.5～2 GHz的阿基米德螺旋天線）搭建PD檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究試樣天線長(zhǎng)度、實(shí)驗(yàn)環(huán)境和方波脈沖電壓參數(shù)對(duì)PD信號(hào)頻域特性的影響。在此基礎(chǔ)上，仿真分析扁線電機(jī)定子匝間絕緣局部放電的電磁輻射特性，依據(jù)IEC 60034-18-41標(biāo)準(zhǔn)對(duì)匝間絕緣和主絕緣施加相應(yīng)的方波脈沖電壓，利用寬頻天線進(jìn)行PD檢測(cè)。結(jié)果表明，單點(diǎn)交叉試樣天線的計(jì)算諧振頻率1、仿真諧振頻率2和PD信號(hào)頻域3基本一致，且均隨試樣天線的增長(zhǎng)往低頻域移動(dòng)；10 cm的單點(diǎn)交叉試樣天線的仿真諧振頻率為2.15 GHz，此試樣下實(shí)驗(yàn)得到的PD頻域信息缺失，時(shí)域幅值大幅下降。可以得出，電機(jī)匝間絕緣的放電特性與其作為發(fā)射天線的輻射特性相關(guān)。

變頻電機(jī) 絕緣系統(tǒng) 局部放電 重復(fù)方波脈沖電壓 UHF天線

0 引言

以SiC和GaN為代表的第三代寬禁帶電力電子器件將進(jìn)一步提升未來電氣設(shè)備的效率和功率密度，有助于減輕電動(dòng)汽車/飛機(jī)質(zhì)量，增加續(xù)航里程，提高巡航能效，實(shí)現(xiàn)減排降噪。變頻驅(qū)動(dòng)下電氣設(shè)備的絕緣系統(tǒng)將承受ns級(jí)極短上升時(shí)間的脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）電壓[1-2]。電機(jī)絕緣系統(tǒng)在熱[3]、電[4-5]、環(huán)境[6-7]、機(jī)械四大應(yīng)力的沖擊下，發(fā)生局部放電（Partial Discharge, PD）的概率將增大，系統(tǒng)的安全性能面臨著更大挑戰(zhàn)。隨著電力電子驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，絕緣可靠性已成為制約變頻電機(jī)向高頻、高壓及高功率密度發(fā)展的重要因素。

為保證電機(jī)安全可靠運(yùn)行，國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)（International Electro-technical Commission, IEC）制定電機(jī)絕緣故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測(cè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[8-10]。對(duì)于低壓變頻電機(jī)（Type Ⅰ），根據(jù)IEC 60034-18-41[8]標(biāo)準(zhǔn)必須在電機(jī)出廠前進(jìn)行絕緣系統(tǒng)的局部放電起始放電電壓（Partial Discharge Inception Voltage, PDIV）測(cè)試，以保證其在運(yùn)行期間不發(fā)生局部放電。根據(jù)IEC 60034-27-5[9]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行局部放電測(cè)試時(shí)，主絕緣和相間絕緣分別承受逆變器輸出的相電壓和線電壓；對(duì)于匝間絕緣，直接承受逆變器輸出的脈寬調(diào)制電壓，繞組匝間的電壓分布不均。因此，測(cè)試電壓須采用與電機(jī)端部電壓具有相似上升速率的重復(fù)方波脈沖電壓。

通過局部放電實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟\斷電機(jī)定子繞組線圈松動(dòng)和污染等原因引起的絕緣電老化和熱老化現(xiàn)象。在PD發(fā)生過程中同時(shí)伴隨產(chǎn)生超聲波、電磁波、光、熱、化學(xué)物質(zhì)等各種理化現(xiàn)象。其中，PD產(chǎn)生的電磁波具有大量的有效信息，接收并處理分析PD電磁波信號(hào)已成為絕緣狀態(tài)診斷的主要研究領(lǐng)域。

通過耦合局部放電發(fā)生時(shí)輻射出的電磁信號(hào)進(jìn)行PD檢測(cè)，特高頻（Ultra High Frequency, UHF）測(cè)試方法在局部放電的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中得到了廣泛應(yīng) 用[11-14]。PD發(fā)生時(shí)伴隨著發(fā)射寬頻信號(hào)，因此可以設(shè)計(jì)多類型天線結(jié)合放大器和濾波器，以優(yōu)化PD檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)UHF天線傳感器進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)[12-15]。

目前，對(duì)于PD電磁輻射特性的研究主要集中在分析局部放電特高頻信號(hào)的傳播特性、PD信號(hào)后端處理以及PD模式識(shí)別：對(duì)PD傳播路徑損耗進(jìn)行研究，分析PD信號(hào)的時(shí)頻域特性和電磁傳播的衰減特性[16-18]；然后對(duì)PD信號(hào)進(jìn)行特征參量的提取，提高放電缺陷類型的識(shí)別準(zhǔn)確率[19-21]。如文獻(xiàn)[16]中提出一種基于惠更斯原理的計(jì)算電氣設(shè)備局部放電電磁傳播方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的干式變壓器內(nèi)部局部放電電磁傳播計(jì)算，分析了大尺寸電氣設(shè)備內(nèi)部局部放電電磁傳播規(guī)律。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各類UHF天線在PD檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)分析，給出了PD信號(hào)時(shí)頻域特性的表征報(bào)告。然而，對(duì)于影響PD電磁輻射特性的關(guān)鍵影響因素研究甚少。

目前，已知的UHF檢測(cè)系統(tǒng)接收到的PD信號(hào)的影響因素有：①所使用的天線的頻率響應(yīng)：檢測(cè)靈敏度取決于PD電磁發(fā)射的頻率含量；②實(shí)驗(yàn)環(huán)境：噪聲強(qiáng)度、信號(hào)傳播距離、傳播路徑等密切相關(guān)；③信號(hào)接收裝置：如示波器的帶寬、采樣率等相關(guān)參數(shù)。

采集到的PD電磁波的頻率含量與放電類型、傳感器天線類型以及信號(hào)接收裝置密切有關(guān)。但采集到的信號(hào)是放電的特征還是被測(cè)試樣作為發(fā)射天線的特征尚不清楚。意大利學(xué)者A. Rumi等在文獻(xiàn)[22]中提出，絕緣試樣長(zhǎng)度對(duì)PD頻域分布的影響較大，伴隨試樣長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，PD頻域分布逐漸往低頻移動(dòng)，并提出一種新的PD輻射理念：由PD產(chǎn)生的電磁輻射可以被理想化為由輻射體發(fā)出的信號(hào)，且與試樣的幾何特性相關(guān)。文中僅采用絞線對(duì)試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，缺乏相應(yīng)的科學(xué)解釋。PD信號(hào)上升沿極陡，脈沖寬度在ns級(jí)，激發(fā)頻率高達(dá)千兆赫茲（GHz），絕緣試樣作為發(fā)射天線是否參與進(jìn)行PD電磁波信號(hào)輻射需要進(jìn)行深入研究和科學(xué)實(shí)驗(yàn)論證。此外，目前國(guó)內(nèi)外尚未有研究對(duì)電機(jī)匝間絕緣及簡(jiǎn)化絕緣試樣（如單點(diǎn)交叉試樣）作為發(fā)射天線進(jìn)行輻射特性分析。

因此，本研究從仿真和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)角度對(duì)電機(jī)匝間絕緣試樣進(jìn)行電磁輻射特性分析，利用寬頻帶阿基米德螺旋天線搭建電機(jī)匝間絕緣PD檢測(cè)平臺(tái)，進(jìn)行PD信號(hào)頻域分析。通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，解釋匝間絕緣電磁輻射特性及其關(guān)鍵影響因素，揭示匝間絕緣試樣參數(shù)對(duì)PD輻射特性的影響規(guī)律。

1 試樣天線仿真原理

簡(jiǎn)化匝間絕緣試樣（如單點(diǎn)交叉試樣）常用于模擬電機(jī)匝間絕緣以評(píng)估其局部放電及老化特性，其產(chǎn)生的局部放電UHF電磁波信號(hào)的頻域主要分布在0.5～2 GHz[15]。單點(diǎn)交叉絕緣試樣具有典型偶極子天線的物理形態(tài)，理論上來講，絕緣試樣能夠作為發(fā)射天線進(jìn)行電磁輻射特性分析。

1.1 試樣天線的理論計(jì)算

圖1 偶極子天線及其電壓電流分布

當(dāng)諧振頻率在30 MHz以上時(shí)，半波偶極子天線長(zhǎng)度為

式中，值取決于半波長(zhǎng)與導(dǎo)體的直徑之比，本文取=0.95；為天線諧振頻率（MHz）；為天線的尺寸（m）。

圖2 單點(diǎn)交叉試樣

表1 試樣天線參數(shù)及諧振頻率

偶極子天線的阻抗和諧振頻率與天線的導(dǎo)體直徑（相對(duì)于波長(zhǎng)）有關(guān)，隨著導(dǎo)體直徑的增加，單位長(zhǎng)度的電容將增加，單位長(zhǎng)度的電感將減小，天線的諧振頻率將降低。

較長(zhǎng)的試樣相較于較短的試樣具有低頻帶特征。若單點(diǎn)交叉試樣作為發(fā)射天線影響PD輻射頻率，就意味著單點(diǎn)交叉試樣的長(zhǎng)度發(fā)生了改變，試樣作為發(fā)射天線進(jìn)行PD輻射時(shí)，接收到的PD頻域特征也發(fā)生改變。

1.2 試樣天線的電磁仿真

單點(diǎn)交叉試樣作為半波偶極子天線的變形天線進(jìn)行電磁輻射時(shí)，天線的物理長(zhǎng)度不會(huì)完全等同于工作波長(zhǎng)的一半，周圍環(huán)境中的傳導(dǎo)表面和物體也會(huì)影響天線諧振頻率。因此，必須通過仿真計(jì)算得到試樣作為發(fā)射天線的輻射頻帶。

利用高頻電磁場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果得到的試樣天線回波損耗11如圖3所示，分析可知，不同長(zhǎng)度天線的諧振頻率與理論計(jì)算近似一致，試樣天線的諧振頻率伴隨試樣長(zhǎng)度的減短而往高頻移動(dòng)。試樣由100 mm增長(zhǎng)到300 mm所對(duì)應(yīng)的第一個(gè)低頻諧振頻率分別為2.15、1.50、1.14、0.93、0.79 GHz，略高于理論計(jì)算諧振頻率，是因?yàn)閱吸c(diǎn)交叉試樣作為半波偶極子天線的變形天線，外層PI的存在會(huì)增加天線的諧振頻率。

圖3 不同長(zhǎng)度下試樣天線回波損耗S11

不同長(zhǎng)度試樣天線3D輻射方向圖如圖4所示，是在上述五個(gè)長(zhǎng)度試樣分別對(duì)應(yīng)的諧振頻率下，仿真得到的試樣天線的輻射增益方向圖，其表征物理量為增益，單位為dB。300 mm試樣天線在其諧振頻率0.79 GHz下的增益最大，最大增益可達(dá)13.4 dB，隨著試樣天線從300 mm縮短至150 mm，各天線在其諧振頻率下的最大增益逐漸減小。100 mm下的試樣天線輻射方向圖為全向，波瓣寬度小、波瓣分散性大。

圖4 不同長(zhǎng)度試樣天線3D輻射方向圖

1.3 試樣交叉角度對(duì)天線輻射特性研究

上述研究分析了不同試樣長(zhǎng)度對(duì)試樣天線諧振頻率和輻射特性的影響。若在同樣的試樣長(zhǎng)度下，單點(diǎn)交叉試樣兩線棒的交叉角度對(duì)試樣天線輻射特性的影響需進(jìn)一步研究。

對(duì)交叉角度為0°、30°、60°、120°、150°和180°的試樣進(jìn)行了輻射特性仿真分析。結(jié)果得到天線回波損耗11和3D輻射方向圖分別如圖5和圖6所示，試樣天線可以分為三組情況進(jìn)行分析：0°和180°，30°和150°，60°和120°。

當(dāng)交叉角度為0°和180°時(shí)，0°情況下兩線棒平行緊挨在一起，一端均為10 mm裸銅；180°的情況下一線棒的首與另一線棒的尾緊挨在一起。兩種情況下的試樣天線諧振頻率是一致的，方向圖最大增益僅為-10.4 dB和-14 dB。實(shí)際單點(diǎn)交叉絕緣試樣的PD檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中并不會(huì)出現(xiàn)0°和180°，后續(xù)實(shí)驗(yàn)將不考慮試樣平行下的PD實(shí)驗(yàn)。

30°和150°下試樣天線仿真得到的11曲線基本重合，諧振頻率均為0.8 GHz和1.71 GHz。60°和 120°下11曲線重合度高，試樣天線諧振頻率一致，為0.78 GHz和1.72 GHz。

仿真得到0°、30°、60°和180°下的3D輻射增益方向圖如圖6所示，0°和180°情況下的試樣天線最大增益最小，30°和60°交叉角度下的試樣天線方向圖是一致的。

得出以下重要結(jié)論：試樣天線交叉角度在30°～150°變化過程中，天線諧振頻率不發(fā)生改變，3D方向圖一致。因此，在30°～150°區(qū)間范圍內(nèi)，具有一定角度變化對(duì)試樣天線的輻射特性基本無影響。

2 PD頻域特性影響因素實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證絕緣試樣長(zhǎng)度尺寸、交叉角度、實(shí)驗(yàn)環(huán)境和施加的方波脈沖電壓參數(shù)對(duì)PD信號(hào)頻域特性的影響，本節(jié)從實(shí)驗(yàn)角度對(duì)電機(jī)匝間絕緣試樣輻射產(chǎn)生的PD信號(hào)進(jìn)行電磁輻射特性分析，利用寬頻帶阿基米德螺旋天線進(jìn)行PD信號(hào)頻域分析。

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

搭建一套由高壓直流電源和方波發(fā)生器構(gòu)成的重復(fù)方波電壓絕緣測(cè)試平臺(tái)，如圖7所示。通過對(duì)輸入的直流電壓斬波可產(chǎn)生電壓波形參數(shù)靈活可調(diào)的重復(fù)方波電壓，其電壓峰峰值最高為20 kV，頻率最高為100 kHz，上升時(shí)間最短為100 ns。

圖7 局部放電測(cè)試平臺(tái)

采用寬頻阿基米德平面螺旋天線檢測(cè)單點(diǎn)交叉試樣產(chǎn)生的放電信號(hào)[15]，天線的測(cè)試信號(hào)頻段約為300 MHz～2 GHz，能夠從強(qiáng)電磁干擾中提取出電機(jī)絕緣微弱的放電信號(hào)。數(shù)字示波器的最高采樣率為20 GS/s，帶寬為2.5 GHz，方波電壓信號(hào)與局部放電信號(hào)同步顯示。

為驗(yàn)證同一單點(diǎn)交叉試樣放電頻域的一致性，本文進(jìn)行不同氣壓下同一個(gè)單點(diǎn)交叉試樣放電的采集與分析，控制變量為單點(diǎn)放電。采用真空箱模擬不同高度的氣壓，實(shí)驗(yàn)中真空模擬室的模擬壓力值分別為101.3、80、60、40 kPa，分別對(duì)應(yīng)1、0.8、0.6和0.4 bar（1 bar=0.1 MPa）。

其次，為研究不同試樣長(zhǎng)度下絕緣試樣產(chǎn)生PD的頻域特征，將試樣分為五組，長(zhǎng)度分別為100、150、200、250和300 mm。每組五根試樣。每次實(shí)驗(yàn)前，用無水酒精清洗樣品，并在155℃干燥2 h。試樣置于氣候室內(nèi)，溫度和相對(duì)濕度分別保持在25℃和40%。

政府間事權(quán)和支出責(zé)任的劃分是個(gè)技術(shù)性問題，確實(shí)需要提出政府間事權(quán)和支出責(zé)任劃分的具體方式、方法，但其并不僅僅是技術(shù)性問題，還是嚴(yán)格意義上的制度問題。應(yīng)通過法律的形式明確界定政府作為整體所應(yīng)承擔(dān)的事權(quán)和支出責(zé)任邊界、明確各級(jí)政府的專有事權(quán)和支出責(zé)任、細(xì)化政府間共同事權(quán)和支出責(zé)任、規(guī)范政府間委托事權(quán)和支出責(zé)任（李苗、崔軍，2018），形成相對(duì)穩(wěn)定的制度安排并成為各級(jí)政府都必須遵守的共同規(guī)則，由此才能保證各級(jí)政府間的事權(quán)和支出責(zé)任劃分能落到實(shí)處，并有助于在集權(quán)與分權(quán)之間實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定均衡。■

為獲得較為平穩(wěn)的放電信息，在施加電壓10 min后進(jìn)行放電信號(hào)的采集，每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件下連續(xù)采集至少200個(gè)放電脈沖，并計(jì)算放電脈沖的頻譜平均值，繪制每個(gè)條件下的放電時(shí)頻域分布譜圖。

2.2 氣壓環(huán)境

研究了不同氣壓（0.4～1 bar）下的單點(diǎn)交叉試樣的頻域輻射特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，頻域分布在0.5～1.6 GHz，伴隨氣壓的降低，頻域幅值變大。在相同電壓條件下（3.5 kV、200 ns、1 kHz、占空比50%），同樣長(zhǎng)度（200 mm）的單點(diǎn)交叉試樣局部放電的頻域一致性較好。

2.3 試樣尺寸

在上述實(shí)驗(yàn)條件基礎(chǔ)上，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下，研究不同試樣長(zhǎng)度下絕緣試樣產(chǎn)生PD的頻域特征。分析得到不同長(zhǎng)度絕緣試樣產(chǎn)生的PD時(shí)頻域譜圖如圖9所示，伴隨試樣長(zhǎng)度由300 mm到150 mm減短時(shí)，PD信號(hào)頻域分布逐漸往高頻移動(dòng)，此規(guī)律與試樣作為發(fā)射天線的諧振頻率的變化規(guī)律一致。

圖9 不同試樣長(zhǎng)度下的局部放電時(shí)頻域分布

表2列出了不同長(zhǎng)度試樣天線的計(jì)算諧振頻率1和仿真諧振頻率2以及不同單點(diǎn)交叉試樣產(chǎn)生的PD頻域分布3。可見，試樣長(zhǎng)度為300 mm時(shí)，仿真諧振頻率在0.79 GHz和1.73 GHz，該試樣的PD頻域分為0.6～0.8 GHz和1～1.2 GHz兩部分。

圖10為不同長(zhǎng)度單點(diǎn)交叉試樣產(chǎn)生的PD信號(hào)箱線圖。相較于300 mm，試樣長(zhǎng)度為250 mm時(shí)，試樣仿真諧振和實(shí)驗(yàn)PD頻率均往高頻移動(dòng)，且PD幅值降低。200 mm和150 mm長(zhǎng)度的絕緣試樣產(chǎn)生的PD信號(hào)頻域分布與其作為試樣天線的諧振頻率是基本一致的，伴隨絕緣試樣的減短，所輻射PD信號(hào)頻域在往高頻移動(dòng)的同時(shí)，時(shí)域信號(hào)不斷減小。

圖10 不同試樣長(zhǎng)度下的局部放電幅值箱線圖

而當(dāng)試樣長(zhǎng)度縮短到100 mm時(shí)，試樣仿真諧振頻率在2.15 GHz，高于阿基米德螺旋天線工作頻率范圍，且該條件下的試樣天線11最低，回波損耗性能較差，在該試樣條件下所接收到的PD信號(hào)頻率缺失嚴(yán)重，導(dǎo)致PD時(shí)域幅值大幅降低。

2.4 試樣角度

本節(jié)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行角度對(duì)絕緣試樣PD輻射特性影響的研究，絕緣試樣長(zhǎng)度為200 mm，實(shí)驗(yàn)選擇單點(diǎn)交叉試樣的交叉角度分別為30°、60°、120°和150°。為保證變量單一性，選擇同一組單點(diǎn)交叉試樣，放電點(diǎn)保持唯一性。實(shí)驗(yàn)電壓參數(shù)為幅值為3.5 kV、頻率為1 kHz、占空比為50%的雙極性方波脈沖電壓。

對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行PD時(shí)頻域分析發(fā)現(xiàn)，不同試樣角度下的局部放電時(shí)頻域分布如圖11所示，不同角度下的絕緣試樣PD頻域分布一致，與試樣天線仿真結(jié)果一致。

圖11 不同試樣角度下的局部放電時(shí)頻域分布

2.5 電壓參數(shù)

為了分析施加電壓參數(shù)對(duì)PD頻域分布的影響，設(shè)計(jì)了不同占空比和不同上升時(shí)間方波脈沖電壓，對(duì)200 mm長(zhǎng)度的絕緣試樣進(jìn)行局部放電實(shí)驗(yàn)：

（1）占空比：本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置脈沖正電壓持續(xù)時(shí)間在500～2 500ms之間，即占空比從10%到50%，施加在絕緣試樣上的高頻脈沖頻率為50 Hz，上升、下降時(shí)間均為200 ns。

（2）上升時(shí)間：脈沖電壓上升時(shí)間為60、200、500和1 000 ns，占空比設(shè)置為50%，頻率為50 Hz。

測(cè)試結(jié)果：不同方波脈沖電壓占空比對(duì)絕緣試樣局部放電幅值的影響較小，繪制如圖12所示的放電頻域分布，可以看出，占空比對(duì)放電頻域分布無影響。

伴隨方波脈沖電壓上升時(shí)間的減小，局部放電幅值增加，放電頻域分布不受方波脈沖電壓上升時(shí)間的影響。不同施加電壓上升時(shí)間下局部放電頻域分布如圖13所示。

圖13 不同施加電壓上升時(shí)間下局部放電頻域分布

綜合上述分析可知，環(huán)境因素和外施電壓參數(shù)的變化不會(huì)影響PD頻域分布，而當(dāng)絕緣試樣的長(zhǎng)度逐漸變短時(shí)，寬頻天線檢測(cè)到的PD頻域分布逐漸往高頻移動(dòng)，這與試樣天線的仿真諧振頻率變化規(guī)律基本吻合。因此可以得到以下重要結(jié)論：絕緣試樣產(chǎn)生PD的電磁輻射特性，對(duì)應(yīng)于試樣天線的諧振輻射特性。即絕緣試樣發(fā)生局部放電的同時(shí)參與輻射局部放電電磁波信號(hào)。

3 變頻電機(jī)匝間絕緣電磁輻射特性

本節(jié)對(duì)變頻扁線電機(jī)定子槽內(nèi)的匝間絕緣試樣作為發(fā)射天線的電磁輻射特性進(jìn)行仿真分析，以此獲得電機(jī)匝間絕緣試樣的PD輻射特性。此外，還分析了定子鐵心的存在對(duì)繞組輻射性能的影響。

圖14為一個(gè)定子槽的截面示意圖，包括六層不同相的繞阻、繞阻之間的匝間絕緣、繞阻與定子之間的主絕緣以及填充在氣隙中的浸漬漆。電機(jī)繞組的電磁仿真將嚴(yán)格按照實(shí)際電機(jī)繞組的排列、絕緣材料物理參數(shù)進(jìn)行。

圖14 定子槽截面示意圖

3.1 電機(jī)匝間繞組電磁仿真

扁線電機(jī)槽內(nèi)有六層扁線，取其槽內(nèi)雙層繞組（匝間絕緣試樣A和匝間絕緣試樣B，其中試樣B帶定子鐵心）進(jìn)行輻射特性仿真分析，仿真模型如圖15所示，同時(shí)對(duì)定子鐵心對(duì)繞組的電磁輻射特性進(jìn)行分析。

圖15 槽內(nèi)繞組仿真示意圖

仿真得到的11性能結(jié)果如圖16所示。可以看出，槽內(nèi)繞組作為發(fā)射天線的諧振頻率較多，且分布于小于4 GHz低頻范圍內(nèi)；若只針對(duì)11＜-10 dB的諧振頻點(diǎn)，有定子鐵心的繞組諧振頻點(diǎn)有5個(gè)，而無定子鐵心的繞組諧振頻點(diǎn)僅有兩個(gè)。可見，定子鐵心的存在可以降低繞組的輻射頻帶，同時(shí)使得繞組作為發(fā)射天線的11性能更優(yōu)。

圖16 不同試樣天線仿真S11曲線

3.2 電機(jī)匝間絕緣局部放電實(shí)驗(yàn)

將電機(jī)定子繞組中每一匝單獨(dú)剝離，使得每一相繞組中的匝與匝之間不直接相連。電機(jī)定子槽內(nèi)繞組絕緣PD檢測(cè)連接如圖17所示，匝間絕緣中的其中一匝獨(dú)立加壓，相鄰另一匝接地，構(gòu)建與仿真試樣相同的匝間絕緣繞組試樣。

圖17 電機(jī)定子槽內(nèi)繞組絕緣PD檢測(cè)連接

設(shè)置方波脈沖電壓的上升時(shí)間為100 ns，頻率為50 Hz，占空比為50%。實(shí)驗(yàn)分析電機(jī)匝間絕緣的局部放電起始電壓（Partial Discharge Inception Voltage, PDIV）及PD電磁頻域特性。測(cè)試結(jié)果如圖18、圖19所示。

圖18 方波脈沖電壓與正弦電壓下PDIV對(duì)比

圖19 匝間絕緣局部放電時(shí)頻域分布

利用PD Base進(jìn)行正弦下的PDIV測(cè)試，利用寬帶阿基米德螺旋天線檢測(cè)方波脈沖電壓下的PDIV。匝間絕緣ab和cd的對(duì)應(yīng)位置如圖14所示，采用正弦和方波脈沖電壓測(cè)試同一絕緣試樣的PDIV，發(fā)現(xiàn)方波脈沖電壓下的PDIV略低，具有陡上升時(shí)間的方波脈沖電壓對(duì)絕緣的沖擊較大，其起始放電電壓更低。從圖18的結(jié)果中可以看出，正弦和方波脈沖電壓下槽內(nèi)匝間絕緣PDIV的規(guī)律一致，槽內(nèi)匝間ab的絕緣PDIV略高于槽內(nèi)匝間cd。

然后，在方波脈沖電壓下采集PDIV條件下的放電數(shù)據(jù)，連續(xù)采集PD數(shù)據(jù)點(diǎn)至少10個(gè)，分析槽內(nèi)匝間絕緣的時(shí)頻域分布。處理至少10個(gè)PD點(diǎn)的時(shí)頻域分布繪制于同一譜圖，結(jié)果如圖19a、圖19b所示，槽內(nèi)匝間絕緣ab與匝間絕緣cd產(chǎn)生的PD頻域峰值分布是一致的，均在0.5～1 GHz；對(duì)比分析匝間絕緣放電頻域分布及其作為試樣天線的諧振頻率如圖20所示。可以發(fā)現(xiàn)，試樣天線呈現(xiàn)多頻帶特性，絕緣試樣所產(chǎn)生的PD頻域分布包含在槽內(nèi)匝間繞組作為發(fā)射天線的仿真諧振頻域內(nèi)。

圖20 絕緣試樣放電頻域分布與試樣天線諧振頻率對(duì)比

圖21a、圖21b分別為匝間絕緣ab和匝間絕緣cd發(fā)生局部放電的短時(shí)傅里葉變換譜圖。可以發(fā)現(xiàn)，中心頻率在0.9 GHz和1.8 GHz的窄帶信號(hào)貫穿整個(gè)時(shí)域，可以排除其為放電信號(hào)，而是通信干擾，該窄帶干擾為GSM900/1800雙頻段干擾。

圖21 匝間絕緣局部放電短時(shí)傅里葉變換譜圖

4 分析討論

4.1 模擬試樣PD頻域影響分析

簡(jiǎn)化匝間絕緣試樣（如單點(diǎn)交叉試樣）常用于模擬電機(jī)匝間絕緣以評(píng)估其局部放電及老化特性，實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，其產(chǎn)生的局部放電UHF電磁波信號(hào)的頻域主要分布在0.5～2 GHz。同時(shí)，單點(diǎn)交叉絕緣試樣具有典型偶極子天線的物理形態(tài)，理論上來講，絕緣試樣能夠作為發(fā)射天線進(jìn)行電磁輻射特性分析。因此，若將試樣交叉點(diǎn)處產(chǎn)生的放電作為信號(hào)輻射源，則單點(diǎn)交叉試樣作為偶極子天線起到輻射該P(yáng)D信號(hào)的作用。

已知，較長(zhǎng)的試樣相較于較短的試樣具有低頻帶特征。基于此，仿真分析不同長(zhǎng)度下的單點(diǎn)交叉絕緣試樣天線的電磁輻射特性，得到不同長(zhǎng)度下試樣天線的諧振頻率和電磁輻射方向圖；然后，通過實(shí)驗(yàn)分析絕緣試樣長(zhǎng)度、交叉角度、實(shí)驗(yàn)環(huán)境和施加的方波脈沖電壓參數(shù)對(duì)PD信號(hào)頻域特性的影響。仿真和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：

（1）仿真得到不同長(zhǎng)度試樣天線的諧振頻率2與其理論計(jì)算諧振頻率1近似一致（見表2），且試樣天線諧振頻率伴隨試樣長(zhǎng)度的減短往高頻移動(dòng)：試樣由300 mm縮短到100 mm所對(duì)應(yīng)的第一個(gè)低頻諧振頻率分別為0.79、0.93、1.14、1.50、2.15 GHz，2略高于1，這是因?yàn)閱吸c(diǎn)交叉試樣作為半波偶極子天線的變形天線，外層聚酰亞胺的存在會(huì)增加天線的諧振頻率。

（2）實(shí)驗(yàn)得到不同長(zhǎng)度絕緣試樣下采集到的PD頻域分布（見圖9），伴隨試樣長(zhǎng)度由300 mm縮短到150 mm，采集到的PD峰值頻域分布（3）分別為：0.6～0.8 GHz、1～1.2 GHz、0.69～1.22 GHz、0.78～1.15 GHz、0.87～1.40 GHz，伴隨絕緣試樣的減短，所輻射PD信號(hào)頻域在往高頻移動(dòng)的同時(shí)，時(shí)域信號(hào)不斷減小。而當(dāng)試樣長(zhǎng)度縮短到100 mm時(shí)，試樣天線仿真諧振頻率在2.15 GHz，高于阿基米德螺旋天線工作頻率范圍（0.3～2 GHz），在該試樣條件下所接收到的PD信號(hào)頻率缺失，導(dǎo)致PD時(shí)域幅值大幅降低。

（3）當(dāng)絕緣試樣長(zhǎng)度一定時(shí)，不同角度下的絕緣試樣PD頻域分布一致，與試樣天線仿真結(jié)果一致。環(huán)境條件下氣壓的改變和方波脈沖電壓上升時(shí)間和占空比這兩個(gè)外施電壓參數(shù)的變化不會(huì)影響PD頻域分布。

綜合仿真與實(shí)驗(yàn)分析可見，試樣天線的計(jì)算諧振頻率1和仿真諧振頻率2以及不同單點(diǎn)交叉試樣產(chǎn)生的PD頻域分布3均伴隨長(zhǎng)度的增加而減小，且一致性較好。表明試樣的單點(diǎn)交叉點(diǎn)作為天線的饋電點(diǎn)時(shí)，單點(diǎn)交叉試樣作為偶極子天線能夠起到輻射該P(yáng)D信號(hào)的作用，且試樣天線的輻射性能會(huì)影響絕緣試樣的PD輻射特性。

4.2 電機(jī)匝間絕緣影響分析

本節(jié)所使用的扁線電機(jī)每個(gè)槽內(nèi)有六根扁線，同一槽內(nèi)的相鄰扁線構(gòu)成槽內(nèi)匝間絕緣，本研究將同一槽內(nèi)的六根扁線所對(duì)應(yīng)的端部單獨(dú)剝離，使得同一槽內(nèi)的扁線繞組互不相連，實(shí)現(xiàn)槽內(nèi)匝間絕緣的單獨(dú)加壓。對(duì)扁線電機(jī)定子匝間絕緣的電磁輻射特性進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)分析。

仿真得到簡(jiǎn)化匝間絕緣試樣與帶定子鐵心匝間絕緣試樣天線的諧振頻帶如圖16所示，可見，定子鐵心對(duì)匝間絕緣試樣天線的電磁輻射起到促進(jìn)作用，其輻射特性相較于簡(jiǎn)化試樣低頻特性更優(yōu)，且回波損耗（11）更低，性能更好。

對(duì)扁線電機(jī)定子槽內(nèi)匝間絕緣進(jìn)行PD實(shí)驗(yàn)分析，采集到的PD時(shí)頻域分布譜圖如圖19所示。兩個(gè)槽內(nèi)匝間絕緣的放電頻域分布基本一致，且PD頻域分布包含在匝間繞組作為發(fā)射天線的仿真諧振頻帶內(nèi)（見圖20）。綜上分析，電機(jī)匝間絕緣放電特性與被測(cè)試樣作為發(fā)射天線的輻射特性相關(guān)。即絕緣試樣發(fā)生局部放電的同時(shí)參與輻射局部放電電磁波信號(hào)。

仿真11曲線如圖22所示，仿真分析了不同饋電點(diǎn)位置（試樣總長(zhǎng)為140 mm，取相對(duì)于電機(jī)端部的10、30、50、70、90、110、130 mm處進(jìn)行饋電）匝間絕緣試樣天線的輻射特性。

圖22 不同饋電位置處試樣天線仿真S11曲線

仿真結(jié)果顯示：扁線電機(jī)匝間絕緣試樣作為發(fā)射天線的輻射特性呈現(xiàn)多頻帶性，有效工作帶寬可延伸至5 GHz；對(duì)電機(jī)定子匝間絕緣進(jìn)行PD采集時(shí)所使用的示波器帶寬為2.5 GHz，因此，實(shí)驗(yàn)分析PD頻域分布在0.5～2.0 GHz較為明顯（見圖21）。此外，匝間饋電點(diǎn)的變化對(duì)試樣天線的多諧振頻帶的特性無影響。因此，匝間絕緣放電位置的變化對(duì)PD頻域分布不會(huì)產(chǎn)生影響，相同結(jié)構(gòu)的匝間絕緣產(chǎn)生的PD頻域分布是一致的。

5 結(jié)論

本研究從仿真和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)角度，對(duì)電機(jī)匝間絕緣試樣作為發(fā)射天線輻射PD信號(hào)進(jìn)行電磁輻射特性分析，利用寬頻帶阿基米德螺旋天線對(duì)電機(jī)匝間絕緣PD信號(hào)進(jìn)行測(cè)試頻域分析。結(jié)果表明：環(huán)境因素和外施電壓參數(shù)的變化不會(huì)影響匝間絕緣PD頻域分布。絕緣試樣作為發(fā)射天線的輻射性能會(huì)對(duì)應(yīng)于PD信號(hào)的輻射特性。即絕緣試樣發(fā)生局部放電的同時(shí)參與輻射局部放電電磁波信號(hào)。

此外，仿真和實(shí)驗(yàn)分析了扁線電機(jī)定子槽內(nèi)匝間絕緣的時(shí)頻域分布。扁線電機(jī)匝間絕緣試樣作為發(fā)射天線的輻射特性呈現(xiàn)多頻帶特性，匝間饋電點(diǎn)的變化對(duì)試樣天線的多諧振頻帶的特性無影響，匝間絕緣放電位置的變化對(duì)PD頻域分布不會(huì)產(chǎn)生影響。因此，相同結(jié)構(gòu)的匝間絕緣產(chǎn)生的PD頻域分布是一致的。

上述結(jié)論可以為變頻電機(jī)絕緣繞組輻射PD頻域分析提供依據(jù)，有利于對(duì)PD信號(hào)進(jìn)行特征參量的提取，進(jìn)一步提高放電缺陷類型的識(shí)別準(zhǔn)確率。

[1] Benmamas L, Teste P, Odic E, et al. Contribution to the analysis of PWM inverter parameters influence on the partial discharge inception voltage[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2019, 26(1): 146-152.

[2] Hu Boxue, Wei Zhuo, You Haoyang, et al. A partial discharge study of medium-voltage motor winding insulation under two-level voltage pulses with high d/d[J]. IEEE Open Journal of Power Electronics, 2021, 2: 225-235.

[3] Han Tao, Cavallini A. Dielectric properties and partial discharge endurance of thermally aged nano- structured polyimide[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2020, 36(3): 39-46.

[4] Yoon H, Chen G. Space charge characteristics of natural ester oil-impregnated paper with different moisture contents[J]. IEEE Transactions on Die- lectrics and Electrical Insulation, 2022, 29(6): 2139- 2146.

[5] Pastura M, Nuzzo S, Immovilli F, et al. Partial discharges in electrical machines for the more electric aircraft-part I: a comprehensive modeling tool for the characterization of electric drives based on fast switching semiconductors[J]. IEEE Access, 2021, 9: 27109-27121.

[6] Xu Yipu, Yuan Xibo, Ye Fei, et al. Impact of high switching speed and high switching frequency of wide-bandgap motor drives on electric machines[J]. IEEE Access, 2021, 9: 82866-82880.

[7] Rumi A, Marinelli J G, Barater D, et al. The challenges of reliable dielectrics in modern aerospace applications: the hazard of corona resistant mate- rials[J]. IEEE Transactions on Transportation Elec- trification, 2022, 8(4): 4646-4653.

[8] Rotating electrical machines-part 18-41: partial dis- charge free electrical insulation systems (Type I) used in rotating electrical machines fed from voltage converters-qualification and quality control tests: IEC 60034-18-41[S]. 2014.

[9] International Electrotechnical Commission. Rotating electrical machines-part 27-5: off-line partial dis- charge tests on winding insulation of rotating electrical machine during repetitive impulse voltage excitation: IEC TS 60034-27-5[S]. 2021.

[10] International Electrotechnical Commission. Rotating electrical machines-part 27-1: off-line partial dis- charge measurements on the winding insulation: IEC TS 60034-27-1[S]. 2017.

[11] Wang Peng, Li Peiyi, Akram S, et al. Considering the parameters of PWM voltage to improve the SNR of PD tests for inverter fed motors[J/OL]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, DOI: 10.1109/ TIE.2021.3086433.

[12] Xavier G V R, da Costa E G, Serres A J R, et al. Design and application of a circular printed monopole antenna in partial discharge detection[J]. IEEE Sensors Journal, 2019, 19(10): 3718-3725.

[13] 芮逸凡, 王亞林, 周明瑜, 等. 基于柔性饋電螺旋天線和硅光電倍增管的GIS局部放電聯(lián)合傳感技術(shù)[J/OL].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào): 1-12[2023-04-05].http:// kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20220819.1809.008.html.

Rui Yifan, Wang Yalin, Zhou Mingyu, et al. Partial discharge optic-electric integrated sensing technology based on helical antenna attached flexible feeding network and silicon photomultiplier in GIS[J]. Pro- ceedings of the CSEE, 1-12[2023-04-05]. http:// kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20220819.1809.008.html.

[14] 張國(guó)治, 胡栩焜, 鄧廣宇, 等. SF6及SF6故障分解氣體與局部放電柔性特高頻天線傳感器基底相容性實(shí)驗(yàn)研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2023, 38(15): 4050-4062.

Zhang Guozhi, Hu Xukun, Deng Guangyu, et al. Experimental study on substrate compatibility of SF6and SF6fault-decomposing gases with partial dis- charge flexible UHF antenna sensors[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(15): 4050-4062.

[15] Wang Peng, Ma Shijin, Akram S, et al. Design of an effective antenna for partial discharge detection in insulation systems of inverter-fed motors[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2022, 69(12): 13727-13735.

[16] 楊旗, 楊帆, 高兵, 等. 基于惠更斯原理的電氣設(shè)備局部放電電磁傳播計(jì)算方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(21): 4419-4427.

Yang Qi, Yang Fan, Gao Bing, et al. Research on electromagnetic propagation of partial discharge for electrical equipment using Huygens principle[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(21): 4419-4427.

[17] Tiengthong T, Jaya Marindra A M, Pattanadech N, et al. Characterization of electromagnetic wave pro- pagation in transformer for PD detection analysis[C]// 2022 8th International Conference on Engineering, Applied Sciences, and Technology (ICEAST), Chiang Mai, Thailand, 2022: 79-82.

[18] 鄒陽, 周求寬, 劉明軍, 等. 局部放電特高頻檢測(cè)裝置抗電磁干擾性能的量化評(píng)估方法研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(10): 2275-2282.

Zou Yang, Zhou Qiukuan, Liu Mingjun, et al. Research on quantitative evaluation on anti- electromagnetic interference capability of ultra high frequency partial discharge detection instrument[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(10): 2275-2282.

[19] 王艷新, 閆靜, 王建華, 等. 基于域?qū)惯w移卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的小樣本GIS絕緣缺陷智能診斷方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2022, 37(9): 2150-2160.

Wang Yanxin, Yan Jing, Wang Jianhua, et al. Intelligent diagnosis for GIS with small samples using a novel adversarial transfer learning in convolutional neural network[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2022, 37(9): 2150-2160.

[20] 賈駿, 陶風(fēng)波, 楊強(qiáng), 等. 復(fù)雜多徑傳播條件下變壓器局部放電定位方法研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2022, 42(14): 5338-5348.

Jia Jun, Tao Fengbo, Yang Qiang, et al. Research on partial discharge location method of transformer under complex multipath propagation[J]. Proceedings of the CSEE, 2022, 42(14): 5338-5348.

[21] 劉青, 常丁戈, 鄧軍波. 用于變電站站域局部放電特高頻測(cè)向的空間譜估計(jì)算法優(yōu)化選擇[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(16): 3551-3560.

Liu Qing, Chang Dingge, Deng Junbo. Optimal selection on spatial spectrum estimation algorithms for UHF direction finding of partial discharge in substation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(16): 3551-3560.

[22] Rumi A, Righetti L, Cavallini A, et al. Electro- magnetic UHF emission of motor turn-turn insulation samples fed by SiC converter[C]//2022 IEEE Con- ference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), Denver, CO, USA, 2022: 1-4.

Electromagnetic Radiation Characteristics of Partial Discharge in Inverter-Fed Motor Turn-Turn Insulation

（College of Electrical Engineering Sichuan University Chengdu 610065 China）

Insulation degradation and flaws can be identified using the partial discharge (PD) test. Ultra-high-frequency (UHF) antenna sensors are commonly used for the detection of PD signals which are helpful to diagnose the insulation performance of inverter-fed motor. The electromagnetic signal generated by the PD contains a large amount of helpful information. The frequency content of the collected PD is closely related to the type of PD, the type of sensor antenna and the signal receiving device, but it is unclear whether the collected signal is the characteristic of the PD or the characteristic of the tested sample as the transmitting antenna. The turn-turn insulation sample of the motor and its simplified insulation sample (such as single-point cross-insulated sample) have the physical form of a typical dipole antenna. Theoretically, PD is a radiation source. The creation of PD is a normal electromagnetic radiation process, and the insulating sample can be utilized as a transmitting antenna for electromagnetic radiation. Therefore, this paper investigates the electromagnetic radiation characteristics of the turn-turn insulation sample as the transmitting antenna. Then, a PD detection platform for the turn-turn sample was built using a wide-band antenna (0.5～2 GHz Archimedes spirl antenna) to analyse the PD signals in the frequency spectrum.

First, the dipole antenna is modeled using a single point cross polyimide sample. Using high-frequency electromagnetic simulation software, the antenna resonance frequency is calculated, and the radiation characteristics of the test antenna under various lengths and cross-angles are simulated. Then, an experimental platform for PD detection of turn-turn insulation is built by using a repetitive impulse voltage source. Experimental research the impacts of insulation sample length, environment, and impulse voltage parameters on the frequency domain characteristics of PD signal.

The outcomes are as follows: firstly, as insulation sample length is increased, the resonant frequency of the sample antenna and the frequency domain of the PD signal shift to low frequency. The resonant frequency of the 10 cm sample antenna is 2.15 GHz, and the PD information discovered by the experiment with this insulation sample is substantially missing in the frequency domain and has a much reduced amplitude in the time domain. Second, the distribution of PD frequency domain is unaffected by the cross Angle of a single-point cross-insulated sample, changes in atmospheric pressure, changes in impulse voltage rise time, or changes in duty cycle. Finally, the turn-turn insulation sample from the flat wire motor exhibits multi-band characteristics as a transmitting antenna, and its effective working bandwidth completely covers the PD frequency domain distribution of the turn-turn insulation. Additionally, the properties of the sample antenna's multi-resonant band are unaffected by the change in the feed point. The PD frequency domain distribution produced by the turn-turn insulation of the same structure is consistent and is unaffected by changes in PD position.

According to the aforementioned findings, the PD characteristic of the turn-turn insulation is related to its radiation characteristic as a transmitting antenna. In other words, while partial discharge is happening, the insulating sample as a transmitting antenna is actively involved in radiating the electromagnetic wave signal.

Inverter-fed motors, insulation system, partial discharge, repetitive square wave voltages, ultra-high frequency (UHF) antenna

馬世金 女，1996年生，博士研究生，研究方向?yàn)樾履茉雌囎冾l電機(jī)絕緣檢測(cè)與故障診斷。E-mail: 1246521309@qq.com

王 鵬 男，1982年生，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾履茉础㈦娏﹄娮友b備中的絕緣系統(tǒng)性能評(píng)估。E-mail: pwang@scu.edu.cn（通信作者）

TM855

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230477

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51977134）。

2023-04-17

2023-07-07

（編輯 崔文靜）