郭 琪, 劉冠芳

(中車(chē)永濟(jì)電機(jī)有限公司，陜西 西安 710016)

變頻電機(jī)絕緣系統(tǒng)老化試驗(yàn)方法的研究進(jìn)展

郭 琪, 劉冠芳

(中車(chē)永濟(jì)電機(jī)有限公司，陜西 西安 710016)

對(duì)變頻電機(jī)絕緣系統(tǒng)老化的原因和現(xiàn)象進(jìn)行了介紹，總結(jié)了絕緣系統(tǒng)熱老化、脈沖電老化、環(huán)境老化及多因子老化的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和試樣方法，指出現(xiàn)階段的試驗(yàn)方法中存在的問(wèn)題，提出今后的發(fā)展趨勢(shì)。

變頻電機(jī)； 絕緣系統(tǒng)； 老化

0 引 言

近年來(lái)，隨著電力電子器件及其技術(shù)的迅速發(fā)展，大功率高速開(kāi)關(guān)器件在高速動(dòng)車(chē)組、大功率機(jī)車(chē)、變頻調(diào)速系統(tǒng)及風(fēng)力發(fā)電機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用。變頻電機(jī)因變頻器產(chǎn)生的脈沖波有著高聳的尖峰電壓和陡峭的上升時(shí)間，加上可變或極高的頻率(最高達(dá)到20 kHz)，從而會(huì)對(duì)電機(jī)絕緣體系產(chǎn)生極大的破壞，使得局部放電量增大，產(chǎn)生局部高溫，空間電荷急劇增加，加速了變頻電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)的老化，縮短了電機(jī)的使用壽命。由于PWM電應(yīng)力對(duì)絕緣壽命的影響較正弦工頻電應(yīng)力更嚴(yán)重，所以針對(duì)直流和正弦工頻電應(yīng)力環(huán)境下的絕緣壽命評(píng)估方法和試驗(yàn)設(shè)備已不能完全適用于以PWM技術(shù)為基礎(chǔ)的脈沖電應(yīng)力下絕緣的壽命評(píng)估。

絕緣系統(tǒng)是電機(jī)的重要組成部分，其性能優(yōu)劣直接影響到電機(jī)的安全性、可靠性和使用壽命，因此各行業(yè)開(kāi)始關(guān)注變頻電機(jī)的絕緣壽命，高校和企業(yè)紛紛進(jìn)行了熱老化、脈沖電老化、環(huán)境老化和多因子老化的研究。本文對(duì)各種老化試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了總結(jié)，說(shuō)明了絕緣系統(tǒng)老化試驗(yàn)方法的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，探索了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 絕緣系統(tǒng)老化的原因與現(xiàn)象

電機(jī)在長(zhǎng)期運(yùn)行后絕緣性能漸趨劣化，絕緣系統(tǒng)的老化是各種劣化的綜合表征。造成電機(jī)絕緣系統(tǒng)老化的因素很多，統(tǒng)稱為老化因子，其中主要的老化因子有熱、電壓、機(jī)械力和環(huán)境等，各老化因子對(duì)絕緣性能的影響表現(xiàn)如表1所示。在這些因子綜合作用下，絕緣系統(tǒng)產(chǎn)生了各種老化現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，服役期限20年以上的電機(jī)，絕緣故障發(fā)生的幾率顯著上升，許多絕緣故障與老化一起發(fā)生。

表1 各種老化因子對(duì)絕緣性能的影響表現(xiàn)

2 絕緣系統(tǒng)老化試驗(yàn)研究

2. 1 熱老化

現(xiàn)階段絕緣系統(tǒng)的熱老化即熱評(píng)定的方法已經(jīng)很成熟，可以參考的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有UL1446、IEEE1776、IEC61857-1、IEC60034-18-31，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)有GB17948.3、GB/T20111.1，試驗(yàn)規(guī)程如圖1所示。IEEE1776中明確給出了不同耐熱等級(jí)的試驗(yàn)溫度、周期，試樣的模型尺寸和試驗(yàn)結(jié)果的判定都比較明確。

圖1 熱評(píng)定試驗(yàn)規(guī)程

熱老化試驗(yàn)通常用來(lái)評(píng)定絕緣材料和結(jié)構(gòu)的耐熱等級(jí)，適用范圍很廣，用戶還可以根據(jù)產(chǎn)品的特殊要求在熱老化過(guò)程中增加或減少老化因子。曹燕飛等[1]在兩種有機(jī)硅絕緣系統(tǒng)熱老化過(guò)程中增加塵埃暴露試驗(yàn)，得到了兩種結(jié)構(gòu)的耐熱指數(shù)。于欽學(xué)等[2]研究了熱老化對(duì)變頻牽引電機(jī)電磁線絕緣電性能的影響，在300 ℃下進(jìn)行了244 h的熱暴露，分析介質(zhì)損耗因素、電容、電流增量、絕緣電阻及擊穿電壓等隨老化時(shí)間的變化規(guī)律。張依強(qiáng)等[3]研究了不同溫度下電磁線的失效時(shí)間和擊穿電壓，并探討了電磁線的介質(zhì)損耗溫度譜。

2. 2 脈沖電老化

變頻電機(jī)采用PWM驅(qū)動(dòng)技術(shù)，輸出的波形是具有陡上升和下降沿的方波脈沖電壓。由于電機(jī)、電纜的阻抗不匹配,產(chǎn)生很大的過(guò)電壓，而這個(gè)過(guò)電壓在電機(jī)絕緣中電壓分布不均勻，因此導(dǎo)致電機(jī)絕緣過(guò)早失效。目前我國(guó)對(duì)絕緣系統(tǒng)的高頻老化壽命問(wèn)題缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，國(guó)內(nèi)外對(duì)高頻電老化壽命評(píng)估方法還存在爭(zhēng)議，沒(méi)有統(tǒng)一的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

2. 2. 1 電磁線脈沖電老化

變頻電機(jī)的匝間故障比較多，因此國(guó)內(nèi)對(duì)電磁線脈沖電老化的研究很多，尤其是對(duì)使用耐電暈薄膜的電磁線，但試樣和試驗(yàn)方法不盡相同。

(1) 試樣的制備。朱勇穗等[4]在YQ200牽引電機(jī)線圈絕緣結(jié)構(gòu)的電性能分析中對(duì)FCR薄膜53%疊包、厚度為0.23 mm的電磁線進(jìn)行了研究，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2(a)所示。何景彥等[5]以FCR薄膜2/3疊包、厚度為0.21 mm的電磁線為研究對(duì)象，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2(b)所示。

圖2 脈沖試驗(yàn)?zāi)Ｐ碗娎匣?/p>

兩者除了試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽绮町愅?，在模型的絕緣處理方面也不同。前者在2根電磁線外面首先用聚四氟乙烯薄膜半疊包一次，再用白布帶扎緊；后者在2根電磁線外面首先用薄膜補(bǔ)強(qiáng)的云母帶半疊包2次，然后再用玻璃絲帶平包一次。不同的絕緣處理方式都是為了防止絕緣漆流失，但是這兩種結(jié)構(gòu)在45°的拐角處容易產(chǎn)生氣隙，氣隙放電導(dǎo)致絕緣失效。因此，朱勇穗等[6]在變頻電機(jī)匝間絕緣研究中對(duì)45°的部分增加了絕緣泥填充。

(2) 試驗(yàn)方法。變頻電機(jī)脈沖電老化可參考的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)較少，主要有IEC60034-18.41(GB/T22720.1—2008)《電壓型變頻器供電的旋轉(zhuǎn)電機(jī)I型電氣絕緣結(jié)構(gòu)的鑒別和型式試驗(yàn)》和IEC60034-18.42《電壓型變頻器供電的旋轉(zhuǎn)電機(jī)Ⅱ型電氣絕緣結(jié)構(gòu)的鑒別和型式試驗(yàn)》兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。影響試驗(yàn)結(jié)果的參數(shù)有試驗(yàn)溫度、試驗(yàn)電壓、試驗(yàn)頻率、占空比、上升沿時(shí)間、下降沿時(shí)間、電源極性等，而標(biāo)準(zhǔn)中未給出明確的試驗(yàn)參數(shù)。

任文娥等[7]研究了脈沖電源的電壓幅值、脈沖頻率及溫度對(duì)變頻電機(jī)電磁線試樣壽命影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明：電機(jī)線圈壽命隨電壓幅值和溫度的增加成指數(shù)性衰減，而在13～20 kHz范圍內(nèi)，試樣壽命與頻率成負(fù)線性關(guān)系；在老化條件相同時(shí)，同批次試樣的壽命分散性比較大。

2. 2. 2 絕緣結(jié)構(gòu)脈沖電老化

(1) 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。絕緣結(jié)構(gòu)試樣與電磁線的基本相同，為了保證高壓試驗(yàn)時(shí)不發(fā)生沿面閃絡(luò)，要求槽外部分應(yīng)留足夠的長(zhǎng)度。模擬鐵心長(zhǎng)度不易太長(zhǎng)，如果電容太大，脈沖試驗(yàn)儀器的容性負(fù)載容量和上升時(shí)間可能無(wú)法滿足。

(2) 試驗(yàn)參數(shù)的選擇。在脈沖電老化試驗(yàn)中最重要的加速因子是試驗(yàn)電壓，其他參數(shù)可以按照實(shí)際運(yùn)行的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。IEC60034-18-42標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)電壓數(shù)量不少于3個(gè)；試驗(yàn)電壓應(yīng)該選擇平均失效時(shí)間在100～3 000 h的范圍內(nèi)。劉學(xué)忠等[8]在兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣的重復(fù)脈沖電老化壽命評(píng)定方法中給出了4.0UΦP、3.0UΦP以及2.5UΦP(UΦP是指變流器的最高脈沖尖峰電壓幅值)3個(gè)試驗(yàn)電壓，分別進(jìn)行100、1 000、5 000 h的試驗(yàn)。

潘慶輝等對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子線圈進(jìn)行了高頻脈沖電老化性能研究，測(cè)試電壓為5 kV，測(cè)試頻率為1 kHz，測(cè)試溫度為室溫，脈沖上升時(shí)間為580±20 ns，進(jìn)行了1 500 h的電老化，得到了介質(zhì)損耗因數(shù)、吸收比、絕緣電阻及起始放電電壓的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果雖然得到了定子線圈的壽命，但是由于測(cè)試溫度是室溫，因此與實(shí)際運(yùn)行情況是不符的。

2. 3 環(huán)境老化

隨著電機(jī)運(yùn)行的范圍越來(lái)越廣，環(huán)境對(duì)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的影響越來(lái)越大，常見(jiàn)的幾種環(huán)境試驗(yàn)為低溫、溫度交變、濕熱、鹽霧、低氣壓等。

2. 3. 1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

一般情況下，絕緣系統(tǒng)很少對(duì)單一的環(huán)境老化因子進(jìn)行試驗(yàn)，因此試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵矝](méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。通常情況下建議采用類(lèi)似圖2的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，模擬鐵心的長(zhǎng)度約200 mm。

2. 3. 2 試驗(yàn)方法

環(huán)境試驗(yàn)條件通常參照GB2423電工電子環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，而標(biāo)準(zhǔn)中雖然給出了推薦試驗(yàn)的時(shí)間，但是未給出試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)定方法，因此還需要根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品的情況進(jìn)行試驗(yàn)。于欽學(xué)等[9]研究了冷熱循環(huán)老化對(duì)電機(jī)電磁線電性能的影響，共進(jìn)行了280個(gè)周期的試驗(yàn)，結(jié)果證明電磁線的電性能參數(shù)變化相對(duì)較小。這說(shuō)明單一的環(huán)境老化因子試驗(yàn)時(shí)間太短，對(duì)絕緣系統(tǒng)的影響不大。

2. 4 多因子老化

電機(jī)在運(yùn)行中耐受的不僅是電和熱，還會(huì)受到環(huán)境的影響，因此多因子的老化更能反映電機(jī)絕緣系統(tǒng)的性能。

2. 4. 1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

張曉虹等[10]對(duì)大電機(jī)電-熱-機(jī)械應(yīng)力多因子老化試驗(yàn)系統(tǒng)的試樣進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 電-熱-機(jī)械應(yīng)力聯(lián)合老化試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2. 4. 2 試驗(yàn)方法

多因子的選擇可以根據(jù)電機(jī)絕緣系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中的情況來(lái)確定。如劉學(xué)忠[11]等人調(diào)查了海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行的環(huán)境氣候條件，制作了模擬5 MW/3 kV級(jí)定子繞組絕緣系統(tǒng)試樣，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了溫度變化、恒定濕熱和持續(xù)鹽霧的加速海洋環(huán)境模擬試驗(yàn)；DING X X等[12]對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)進(jìn)行了基于電熱和冷熱循環(huán)等多因子加速老化試驗(yàn)研究。

3 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)，隨著變頻電機(jī)的廣泛應(yīng)用，變頻電機(jī)老化試驗(yàn)方法的研究也得到了發(fā)展和進(jìn)步。但老化試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)絕緣系統(tǒng)長(zhǎng)期耐受老化因子的能力，并不能得到絕緣系統(tǒng)的壽命。當(dāng)前，熱老化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)定方法已經(jīng)非常成熟，按照標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行試驗(yàn)就能夠得到絕緣系統(tǒng)的耐熱等級(jí)；脈沖電熱老化沒(méi)有成熟的方法，研究的人比較多，主要集中在電磁線的老化上。由于試驗(yàn)設(shè)備的差異，導(dǎo)致脈沖電熱老化試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法對(duì)比，因此未來(lái)要通過(guò)大量的試驗(yàn)對(duì)設(shè)備和試驗(yàn)參數(shù)提出嚴(yán)格的要求，才能制定可行的試驗(yàn)方法。隨著電機(jī)使用環(huán)境的多樣化，未來(lái)多因子老化成為電機(jī)絕緣系統(tǒng)考核的發(fā)展方向，具體的試驗(yàn)方法可根據(jù)電機(jī)運(yùn)行情況來(lái)制定。

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Research Progress on Aging Performance of Insulation System for Inverter-Fed Motor

GUOQi,LIUGuanfang

(CRRC Yongji Electric Co., Ltd., Xi’an 710016, China)

The causes and phenomena of variable frequency motor insulation aging system were introduced. The test standards and test methods of thermal aging, pulse electrical aging, environmental aging and multi factor aging were summarized, pointed out the existing problems in the stage of test method, put forward the development trend in the future.

inverter-fed motor; insulation system; aging

郭 琪(1978—)，男，工程師，研究方向?yàn)轫?xiàng)目管理和絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

TM 303.4

A

1673-6540(2017)05- 0013- 04

2017 -01 -20