吳　威

( 水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家工程研究中心，哈爾濱電機(jī)廠(chǎng)有限責(zé)任公司， 黑龍江哈爾濱　150040 )

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交流調(diào)速電機(jī)沖擊波的監(jiān)測(cè)方法

吳威

( 水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家工程研究中心，哈爾濱電機(jī)廠(chǎng)有限責(zé)任公司， 黑龍江哈爾濱150040 )

摘要：指出了逆變器供電交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)絕緣往往過(guò)早地失效。原因是：由于逆變器輸入到電動(dòng)機(jī)電壓中是非常陡的沖擊波，導(dǎo)致了匝間絕緣擊穿。國(guó)際電工委員會(huì)( IEC ) , 已經(jīng)要求各國(guó)通過(guò)試驗(yàn)來(lái)制定新的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。介紹了工頻交流和脈沖電壓進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，表明逆變器輸入到電動(dòng)機(jī)的電壓中包含有非常陡的沖擊波而導(dǎo)致了匝間絕緣擊穿。介紹了開(kāi)發(fā)的一種在線(xiàn)監(jiān)測(cè)沖擊波的新型裝置，可防止這種事故的發(fā)生，應(yīng)用效果良好。

關(guān)鍵詞：變速交流電機(jī)；沖擊波；監(jiān)測(cè)

0引言

逆變器供電的交流電動(dòng)機(jī)定子繞組絕緣過(guò)早地失效。因此，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)重新頒布了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60034-18-42，提出了《在電壓型變頻器饋電情況下絕緣系統(tǒng)耐局部放電鑒定試驗(yàn)的推薦意見(jiàn)》[1-2]，其中包括了電機(jī)絕緣系統(tǒng)不同部位的耐電壓試驗(yàn)、老化現(xiàn)象和壽命 ?，F(xiàn)在各國(guó)都在進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1沖擊波

實(shí)踐證明，由于斷路器開(kāi)關(guān)引起的沖擊波而導(dǎo)致電機(jī)匝間絕緣電氣強(qiáng)度明顯降低的情況，很少見(jiàn)到，通常也不會(huì)引起匝間絕緣老化。然而，采用逆變器供電時(shí)，由于沖擊波的重復(fù)次數(shù)很多，就會(huì)導(dǎo)致匝間絕緣電氣強(qiáng)度的逐步衰減 。

變頻器的功能主要包括整流部分(將交流電整流為直流電)和逆變部分( 再將直流電逆變?yōu)榫哂胁煌l率的交流電)。 其中在逆變過(guò)程中， 由于電力電子元件，比如晶閘管、可關(guān)斷晶閘管整流器(GTO)或雙極性柵極晶體管(IGBT)等，在接通和關(guān)斷直流電壓時(shí)，每秒產(chǎn)生的電壓沖擊波可達(dá)2 000個(gè)，沖擊波上升的時(shí)間可達(dá)50 ns，最高頻率分量可達(dá)6 MHz。這種沖擊波會(huì)導(dǎo)致匝間絕緣電氣強(qiáng)度的降低、絕緣老化和失效。

研究分析結(jié)果證明，逆變器與電機(jī)之間的連接電力電纜長(zhǎng)度和沖擊阻抗，以及電機(jī)定子繞組的沖擊阻抗，在匹配不當(dāng)?shù)那闆r下，可能會(huì)引起傳輸電纜線(xiàn)的反射效應(yīng)，并導(dǎo)致沖擊電壓的增大。

1.1沖擊幅度

當(dāng)電動(dòng)機(jī)功率為1 600 kW、電壓為4 000 V、轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，如果這種沖擊波的上升時(shí)間很短(比如只有0.01 s)。在定子繞組第一匝上出現(xiàn)的沖擊波電壓就會(huì)高達(dá)額定電壓的45%(見(jiàn)表1)。由此可見(jiàn)，沖擊波的上升速度越快，則首匝沖擊波電壓越高，沖擊幅度越大，對(duì)于電機(jī)絕緣越危險(xiǎn)。如果沖擊波的電壓比較高、上升時(shí)間比較快和數(shù)量比較多，就會(huì)引起比較高的匝間電壓，損壞絕緣的危險(xiǎn)性就比較大。

表1　線(xiàn)圈第一匝上沖擊電壓大小與沖擊波上升時(shí)間的關(guān)系

過(guò)去認(rèn)為，低電壓(440 V)的電動(dòng)機(jī)通常不會(huì)存在局部放電現(xiàn)象。然而采用圖像增強(qiáng)和放大措施以后，便能在這種低壓電動(dòng)機(jī)上觀察到由逆變器(特別是PWM和IGBT)供電時(shí)的輕微發(fā)光。通過(guò)目測(cè)還能發(fā)現(xiàn)與相引線(xiàn)連接的匝間有白色粉末(這是局部放電的典型痕跡)。如果由于沖擊波引起的匝間電壓比較高，沖擊幅度比較大，而導(dǎo)線(xiàn)的直徑又比較小，就會(huì)使導(dǎo)線(xiàn)之間間隙處的電壓強(qiáng)度，高于局部放電起始電壓強(qiáng)度而發(fā)生局部放電。

過(guò)去采用有機(jī)薄膜絕緣，它針對(duì)局部放電的阻抗比較小，容易老化。后來(lái)在薄膜中加入金屬氧化物，便具有比較大的局部放電阻抗，從而減少了局部放電現(xiàn)象。雖然采用定子整體浸漬工藝可以消除氣隙，也能消除局部放電。但是，實(shí)踐證明，即使沒(méi)有局部放電，由沖擊波引起的絕緣老化，卻仍然可能發(fā)生。

1.2沖擊次數(shù)

曾經(jīng)對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂整體浸漬的1 600 kW大型高壓電機(jī)定子繞組線(xiàn)圈進(jìn)行沖擊波試驗(yàn)，沖擊波上升時(shí)間為500 ns，重復(fù)率為每秒5次到5 000次，沖擊波一直施加到絕緣擊穿為止。結(jié)果表明，定子絕緣擊穿失效的沖擊波總數(shù)如表2所示[3]。

表2　不同沖擊重復(fù)率時(shí)導(dǎo)致絕緣失效的沖擊波總數(shù)　M

由表2可見(jiàn)：1)如果沖擊波幅值越大，引起絕緣破壞所需要的沖擊波個(gè)數(shù)越少；2)如果沖擊的次數(shù)和沖擊的重復(fù)率越高，則引起絕緣破壞所需要的沖擊波個(gè)數(shù)就越多。因?yàn)槊棵氲臎_擊重復(fù)率越高和沖擊波個(gè)數(shù)越多時(shí)，每個(gè)沖擊波用于損壞絕緣的時(shí)間很短，一直到絕緣損壞時(shí)所需要的沖擊波數(shù)目就要增多；3)沖擊波的極性也有很大影響。與正極相比，如果處于負(fù)的電壓脈沖情況下，直到引起絕緣損壞時(shí)為止，就需要更多的沖擊波。

1.3空間電荷

由沖擊波引起絕緣老化的機(jī)理是：在產(chǎn)生每個(gè)沖擊波的過(guò)程中，注入到絕緣中的空間電荷(電子)使絕緣材料中的有機(jī)分子化學(xué)鍵斷裂，降低了絕緣承受擊穿電壓強(qiáng)度的能力。試驗(yàn)表明，反復(fù)的沖擊電壓確實(shí)會(huì)引起局部放電和空間電荷的注入。因?yàn)樵谑┘用}沖電壓時(shí)，發(fā)現(xiàn)了微弱的光發(fā)射(電場(chǎng)引起的發(fā)光)。研究結(jié)果還證明，由于電場(chǎng)引起在絕緣表面引起的空間電荷確實(shí)能夠?qū)е陆^緣老化，而且，這種注入到絕緣中空間電荷的影響比較大。因此，絕緣附近存在的空間電荷數(shù)量越多，注入并損壞絕緣的危險(xiǎn)性越大。

1.4環(huán)境溫度

如果繞組線(xiàn)圈的溫度比較高，而且持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)，就會(huì)導(dǎo)致絕緣承受沖擊波擊穿的電壓和能力降低，也會(huì)使絕緣損壞的可能性增加。這是因?yàn)榻^緣試樣在溫度增加時(shí)，同時(shí)也會(huì)使注入絕緣內(nèi)部離子電荷載體的能量增加了，從而導(dǎo)致它們的擴(kuò)散系數(shù)增加。此外，溫度的增加，還使絕緣試樣內(nèi)部的缺陷密度加大了，從而助長(zhǎng)了絕緣的失效。

2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1. 交流或脈沖電源； 2. 電容； 3. 分壓器； 4. 電動(dòng)機(jī)相引線(xiàn)； 5. 電動(dòng)機(jī)； 6. 溫度傳感器； 7. 示波器； 8. 邏輯器件； 9. 轉(zhuǎn)換裝置圖1　沖擊波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

這種由于逆變器供電的沖擊波引起絕緣損壞的危險(xiǎn)性，取決于電機(jī)的沖擊波阻抗特性、逆變器的特性以及它們之間連接電纜的長(zhǎng)度、阻抗和傳輸特性等。此外，由于這種電動(dòng)機(jī)是可調(diào)速的，經(jīng)常處在不同的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，所遇到的沖擊波總數(shù)是很難預(yù)測(cè)的。在這種復(fù)雜的條件下，為了預(yù)防絕緣損壞的危險(xiǎn)性，只是采取監(jiān)測(cè)局部放電的措施是不夠的。因?yàn)闆](méi)有局部放電也會(huì)導(dǎo)致絕緣老化。所以，只能針對(duì)沖擊波本身來(lái)實(shí)施監(jiān)測(cè)。

開(kāi)發(fā)了一種新型監(jiān)測(cè)裝置。這種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的接線(xiàn)示意圖如圖1所示。它能夠在線(xiàn)監(jiān)測(cè)沖擊波的性質(zhì)，并發(fā)出預(yù)警信號(hào)。除了電容式分壓器和溫度傳感器以外，這種新型監(jiān)測(cè)裝置還包括了一種能將沖擊波對(duì)匝間絕緣的損壞程度、通過(guò)轉(zhuǎn)化而指示出來(lái)的軟件。所以，為了測(cè)量沖擊波的大小，首先應(yīng)當(dāng)確定沖擊波的上升時(shí)間，而且還要計(jì)算沖擊波的總數(shù)。

2.1傳感器

用于檢測(cè)沖擊波的傳感器，是一臺(tái)電容式分壓器。它的頻率范圍為0.6～8 Hz，電壓為13.8 kV。它與1 600 kW電動(dòng)機(jī)的相引線(xiàn)直接連接。分壓器的輸出電壓很低，不會(huì)被沖擊波損壞它的電子器件。分壓器的高壓部分是一個(gè)80 pF的電容器，它采用環(huán)氧—云母介質(zhì)。高壓電容器的額定電壓，與電動(dòng)機(jī)的電壓相匹配。因?yàn)槿嗬@組的各相沖擊波是相同的，所以每臺(tái)電動(dòng)機(jī)只安裝一個(gè)分壓器。由于繞組溫度對(duì)于承受沖擊波的能力有很大影響，所以還安裝了用于繞組線(xiàn)圈的熱電偶型溫度傳感器。如果溫度越高，并且持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，就能夠使線(xiàn)圈絕緣承受沖擊波擊穿的電壓越低，損壞的危險(xiǎn)性越大。

2.2邏輯器件

雖然可以采用脈沖計(jì)算器和數(shù)字示波器等電子設(shè)備，但是價(jià)格比較高。所以，開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的可編程邏輯器件。它將來(lái)自分壓器的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字后，便將沖擊波的初始部分存入存儲(chǔ)器中。同時(shí)，還能采用可編程邏輯器件來(lái)分析所捕捉的沖擊波上升時(shí)間和幅值。只要沖擊波電壓超過(guò)預(yù)設(shè)值，程序就會(huì)被觸發(fā)和起動(dòng)。但是，沖擊波之間的間隔必須是大于或等于1.5 μs。微控裝置可將每個(gè)沖擊波的上升時(shí)間和幅值及其沖擊波數(shù)目，存入隨機(jī)存儲(chǔ)器中，沖擊波的重復(fù)率也可以被確定下來(lái)。

2.3轉(zhuǎn)換裝置

采用的轉(zhuǎn)換裝置和轉(zhuǎn)換軟件，可用于指示沖擊波對(duì)電機(jī)絕緣損壞的程度。它能夠?qū)⒋嫒腚S機(jī)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為沖擊波引起的破壞概率并顯示出來(lái)。它的轉(zhuǎn)換過(guò)程如下：首先將具有任何上升時(shí)間的沖擊波幅值轉(zhuǎn)換為等效的標(biāo)準(zhǔn)幅值(即上升時(shí)間為0.1 μs的沖擊波幅值)。如果沖擊波上升時(shí)間為1 μs，轉(zhuǎn)換以后的幅值將是很低的。這是考慮到重復(fù)率而對(duì)被轉(zhuǎn)換幅值進(jìn)行的調(diào)整。具有高重復(fù)率的沖擊波轉(zhuǎn)換為等效的標(biāo)準(zhǔn)幅值以后便被減小[4]，這是因?yàn)樗鼈兊钠茐男员容^小，盡管它們單位時(shí)間的沖擊波數(shù)目很多。

另一種轉(zhuǎn)換方法是將標(biāo)準(zhǔn)上升時(shí)間和重復(fù)率的沖擊波換算為3.5 p.u.的沖擊波(它相當(dāng)于1 000個(gè)1.75 p.u.的沖擊波)。如果是一個(gè)7.5 p.u.的沖擊波，它被轉(zhuǎn)換以后，就是1 000個(gè)3.5 p.u.的沖擊波。將被轉(zhuǎn)換為3.5 p.u.和上升時(shí)間為0.1 μs的沖擊波數(shù)目加起來(lái)，其總數(shù)便通過(guò)液晶顯示器顯示出來(lái)，而且能夠不斷地更新。由此便能對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣的壽命進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)，防止絕緣失效和電動(dòng)機(jī)運(yùn)行事故的發(fā)生。通常，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)機(jī)，能夠承受1 000個(gè)這樣的(3.5 p.u.和0.1 μs)沖擊波。實(shí)際上，質(zhì)量好的電動(dòng)機(jī)，能夠超過(guò)該值許多倍。

3應(yīng)用

開(kāi)發(fā)的這種新型沖擊波在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在石油化工部門(mén)某個(gè)企業(yè)的1 600 kW電動(dòng)機(jī)上應(yīng)用效果良好。由于對(duì)出現(xiàn)的沖擊波進(jìn)行了沖擊幅度、時(shí)間、次數(shù)等各種因素的及時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整，在運(yùn)行過(guò)程中尚未發(fā)現(xiàn)匝間絕緣擊穿和絕緣失效的現(xiàn)象。近年來(lái)，根據(jù)自己的情況，確定應(yīng)用這種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的產(chǎn)品用戶(hù)在不斷增加。

4結(jié)語(yǔ)

1) 多年的運(yùn)行實(shí)踐證明，采用變頻調(diào)速技術(shù)的交流電動(dòng)機(jī)過(guò)早地失效。這是由于逆變器供電時(shí)沖擊波的作用而使繞組線(xiàn)圈的匝間絕緣擊穿而引起的。

2) 導(dǎo)致絕緣失效的機(jī)理是：在產(chǎn)生沖擊波的過(guò)程中，由于周?chē)目臻g電荷注入到絕緣中，并使其有機(jī)分子的化學(xué)鍵斷裂，從而使絕緣承受擊穿電壓強(qiáng)度的能力降低。

3) 如果沖擊波的電壓比較高、上升時(shí)間比較快和數(shù)量比較多，就會(huì)引起比較高的匝間電壓，損壞絕緣的危險(xiǎn)性就比較大。如果繞組線(xiàn)圈的溫度比較高，而且持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)，就會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致絕緣承受沖擊波擊穿的電壓和能力降低，也會(huì)使絕緣損壞的可能性增加。

4) 采用開(kāi)發(fā)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠及時(shí)評(píng)估電動(dòng)機(jī)的這種沖擊波的危害狀況，以便采取適當(dāng)措施來(lái)防止絕緣過(guò)早地失效。

參考文獻(xiàn)

[1] Functional evaluation of electrical insulation systems, IEC 60034-18-32.

[2] Qualification and type tests for electrical insulation systems used in rotation electrical machines fed from converters ,IEC TS 60034-18-41.

[3] 孫永鑫，大電機(jī)定子線(xiàn)圈的直流耐壓和交流耐壓試驗(yàn)研究(J)，大電機(jī)技術(shù)，2012(6)：1-3.

[4] 欒茹，高頻脈沖下變頻電機(jī)的電場(chǎng)分布[J]，大電機(jī)技術(shù)，2011(1)：8-11.

邢敏， 女，1984年6月生，哈工大 電氣工程與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，碩士研究生畢業(yè)，獲 碩士學(xué)位。高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)椋喊l(fā)電設(shè)備的自動(dòng)控制。

·信息點(diǎn)滴·

國(guó)家發(fā)改委：國(guó)家加快推進(jìn)清潔能源等七大類(lèi)重大工程包建設(shè)

2014年以來(lái)，遵照國(guó)務(wù)院部署，國(guó)家發(fā)展改革委會(huì)同有關(guān)部門(mén)推出信息電網(wǎng)油氣網(wǎng)絡(luò)、生態(tài)環(huán)保、清潔能源、糧食水利、交通運(yùn)輸、健康養(yǎng)老服務(wù)、能源礦產(chǎn)資源保障七大類(lèi)重大工程包。

在選擇列入重大工程包項(xiàng)目時(shí)，主要考慮以下幾個(gè)方面：一是對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有全局性、基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性意義，有利于形成新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)；二是有利于調(diào)結(jié)構(gòu)、補(bǔ)短板，加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)建設(shè)，增加公共產(chǎn)品和服務(wù)供給；三是符合“十二五”規(guī)劃和相關(guān)專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃要求，符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策；四是具備一定工作基礎(chǔ)，通過(guò)加大工作力度能夠盡快推進(jìn)。

重大工程包推出以來(lái)，國(guó)家發(fā)展改革委會(huì)同各地方、有關(guān)部門(mén)和企業(yè)積極發(fā)揮聯(lián)動(dòng)機(jī)制作用，定期協(xié)調(diào)調(diào)度工程進(jìn)展，加快推進(jìn)重大工程建設(shè)。目前重大工程建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)，對(duì)促投資、穩(wěn)增長(zhǎng)發(fā)揮了積極作用。

20150303

歐盟表明風(fēng)電和水電更具經(jīng)濟(jì)效益

據(jù)古巴拉美通訊社布魯塞爾報(bào)道，歐盟委員會(huì)能源司進(jìn)行的一項(xiàng)研究表明，風(fēng)電和水電比其他可再生能源更具經(jīng)濟(jì)效益。在不考慮市場(chǎng)和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的情況下，該能源司對(duì)風(fēng)電、水電同核電、光伏發(fā)電等各種能源(在項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期內(nèi)的)單位成本進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水電每兆瓦?時(shí)的成本為50歐元，風(fēng)電為 80多歐元，而核電成本為110歐元，光伏發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電和天然氣發(fā)電則達(dá)到了115歐元。

據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)(EWEA)表示，公布上述數(shù)據(jù)是為了配合一項(xiàng)名為“支持風(fēng)能”的計(jì)劃，目的之一是使大家確信，風(fēng)電和水電還能創(chuàng)造更多的就業(yè)機(jī)會(huì)。美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)經(jīng)濟(jì)政策學(xué)院的一項(xiàng)研究報(bào)告表明，向風(fēng)電領(lǐng)域每投資100萬(wàn)美元可創(chuàng)造13個(gè)就業(yè)崗位。歐盟委員會(huì)的研究還顯示，丹麥、西班牙、德國(guó)、意大利和歐盟是世界上可再生能源占比最高的國(guó)家和地區(qū)，全世界出現(xiàn)了向清潔能源轉(zhuǎn)變的明顯變化。

20150304

西門(mén)子h級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)助德國(guó)電廠(chǎng)刷新世界紀(jì)錄

近日，西門(mén)子h級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)已在lausward聯(lián)合循環(huán)電廠(chǎng)按照計(jì)劃首次點(diǎn)火。lausward是德國(guó)杜塞爾多夫市的傳統(tǒng)供電中心，位于此地的lausward聯(lián)合循環(huán)電廠(chǎng)預(yù)計(jì)于2015年年底投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。

據(jù)悉，全新lausward燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量達(dá)595 MW，凈效率將超過(guò)61%，在這兩方面都將刷新世界紀(jì)錄。此外，電廠(chǎng)生產(chǎn)的部分蒸汽將用于杜塞爾多夫市的區(qū)域供熱系統(tǒng)。整臺(tái)機(jī)組可提供高達(dá)300 MW的熱能，用于區(qū)域供暖。這將使全廠(chǎng)熱效率提高到大約85%。這些創(chuàng)紀(jì)錄的數(shù)字將使該電廠(chǎng)成為全球最高效、最環(huán)保的電廠(chǎng)。西門(mén)子股份公司發(fā)電與天然氣集團(tuán)項(xiàng)目管理業(yè)務(wù)部負(fù)責(zé)人lotharballing指出，在電廠(chǎng)建設(shè)期間，超過(guò)700天、180萬(wàn)工時(shí)無(wú)任何事故報(bào)告，這使該電廠(chǎng)的建設(shè)在職業(yè)健康與安全方面也堪稱(chēng)典范。

20150305

作者簡(jiǎn)介：