徐 樂， 李明哲， 馬紅杰， 于偉莉

(珠海格力電工有限公司，珠海 519100)

0 引 言

近年來，隨著電子技術的快速發(fā)展，變頻電機因節(jié)能、操作簡單、可控性強等優(yōu)點在諸多領域有著廣泛的應用[1-4]。但是，當變頻電機負載高頻脈沖電壓時，其表面和內(nèi)部導線間會產(chǎn)生不均勻電場，進而導致局部放電，破壞絕緣漆膜并致其裂解，直至電暈擊穿失效[5-6]。

研究表明，耐電暈時間隨著脈沖電壓升高，呈指數(shù)形式降低[7-8]，求解壽命指數(shù)的方法主要有兩種：①分別測試不同脈沖電壓下試樣的耐電暈時間(至少3組)，通過擬合分析求解壽命指數(shù)；②利用逐漸升壓擊穿法求解壽命指數(shù)。但是無論采用哪種方法，其求解過程均較為復雜。同時，實踐表明，壽命指數(shù)需精確至小數(shù)點后四位才能保證擬合曲線具有較好的準確性[9]，這是因為耐電暈時間隨脈沖電壓增加，呈指數(shù)形式降低，若壽命指數(shù)不夠準確，則電壓微小的變化會導致耐電暈時間變化很大，造成擬合結果嚴重失擬。

為解決壽命指數(shù)求解過程復雜及擬合精度要求高等問題，本工作利用Minitab分析得到了耐電暈時間與脈沖電壓的最優(yōu)擬合關系曲線方程，新擬合方程中將變量脈沖電壓作為指數(shù)，解決了壽命指數(shù)求解過程復雜及擬合精度要求高等問題，同時該方程具有較好的準確性和預測性。

1 試驗部分

1.1 原材料

導體為低氧銅桿，底漆為耐電暈聚酯亞胺絕緣漆(PEI)；表漆為耐電暈聚酰胺酰亞胺絕緣漆(PAI)。

1.2 漆包線生產(chǎn)工藝

采用型號為MDL1/4-4/16的立式漆包機，采用模具涂漆法制備導體標稱直徑為0.60 mm、漆膜厚度為75 μm的耐電暈漆包線；其中底漆與表漆比例為1∶1，固化溫度為(630±10)℃，收線速率為80 m·min-1。

1.3 測試設備和方法

測試設備為WPT-5型耐電暈時間測試儀。耐電暈測試方法及標準參考GB/T 4074.21—2018，在相同的測試條件下，制備5個扭絞對進行試驗，其中耐電暈測試條件的主要參數(shù)：溫度155 ℃、頻率20 kHz、上升沿時間100 ns、占空比50%。

2 結果與討論

2.1 選定擬合模型

文獻[11]報道，耐電暈時間與脈沖電壓成反冪關系，其關系如公式(1)所示：

T=kU-n

(1)

式中：T為耐電暈時間；U為脈沖電壓；n為壽命指數(shù)；k與n均為常數(shù)。因此猜想T與U應滿足以下關系的一種或幾種，即：

T=AeB/U

(2)

T=ABC/U

(3)

式中:A、B、C均為常數(shù)，e為指數(shù)。未知量越少，求解過程越方便，因此初步設定T與U的擬合模型為式(2)。

2.2 耐電暈時間測試

漆包線生產(chǎn)速率快，耐電暈絕緣漆膜中不可避免會產(chǎn)生一些缺陷，如粒子，這些缺陷會導致耐電暈時間分散性大，為降低電暈時間的分散性，同一脈沖電壓進行5次耐電暈時間測試，同一規(guī)格漆包線在不同脈沖電壓下的耐電暈時間見表1。

表1 不同脈沖電壓下各通道試樣的耐電暈時間

由表1可知，隨著脈沖電壓降低，漆包線耐電暈時間顯著增加，而隨脈沖電壓升高耐電暈時間減少，這是因為隨著脈沖電壓增加，局部放電的強度增加，從而使絕緣材料內(nèi)部的局部放電加強，電子或電荷沖擊絕緣材料的強度、次數(shù)增多，使絕緣材料失效時間縮短，耐電暈時間減少[10-11]。

為降低耐電暈時間的分散性，將耐電暈時間由小到大排列，參考GB/T 4074.21—2018測試方法，并根據(jù)客戶對耐電暈時間的選取要求：取第一個值和第三個值的平均值作為試樣的耐電暈時間。將表1中的耐電暈時間數(shù)據(jù)參考上述方式選取，選取后的結果見表2。

表2 不同脈沖電壓下試樣的耐電暈時間

2.3 T與U擬合關系曲線分析

為方便擬合分析，將選定的擬合模型式(2)兩邊同時取對數(shù)，即：

lnT=lnA+B/U

(4)

根據(jù)式(4)對表2的原始數(shù)據(jù)進行變換，變換后的結果見表3。

表3 變換后不同脈沖電壓下試樣的耐電暈時間

利用Minitab—統(tǒng)計—回歸—回歸—擬合回歸模型功能，計算得到lnT與1/U的擬合關系曲線方程為

lnT=-6.087 + 23.43/U

(5)

變形后：

T=e-6.087+23.43/U=

e-6.087×e23.43/U=

0.002 27 e23.43/U

其多元回歸系數(shù)為98.81%，證實擬合曲線擬合效果較好。此外，響應變量lnT的殘差四合一圖及其與變量1/U的殘差圖見圖1和圖2。

圖1 lnT殘差四合一圖

圖2 響應變量lnT與1/U的殘差圖

由圖1和圖2能明顯看到，圖1(b)和圖2不存在明顯的彎曲或喇叭口形狀，進一步證實擬合模型具有較好的準確性。上述求解T與U擬合關系曲線的過程中，解決了壽命指數(shù)n求解過程復雜及精度要求高等問題，同時新擬合方程的擬合效果較好。

2.4 擬合曲線準確性

將U代入擬合方程(5)中，計算得到相對應的擬合值，并與實測值對比，不同脈沖電壓下試樣耐電暈時間實測值與擬合值對比見表4。

由表4可知，耐電暈時間實測值與擬合值相差不大，證實擬合曲線具有較好的準確性。

表4 不同脈沖電壓下試樣耐電暈時間實測值與擬合值對比

2.5 擬合曲線預測性

將表2中脈沖電壓之外的任意脈沖電壓(2.5、3.7 kV)代入擬合方程(5)中，得到相應的擬合值并與實測值進行比較，結果見表5。

表5 不同脈沖電壓下試樣耐電暈時間實測值與擬合值對比

由表5可知，擬合值與實測值相差不大，證實擬合曲線具有較好的預測性。進一步利用Minitab—統(tǒng)計—回歸—回歸—預測功能，可計算出置信度為95%的耐電暈時間的置信區(qū)間，以U=3.7 kV為例，置信度為95%的耐電暈時間的置信區(qū)間為(0.950，1.719)。

3 結束語

本工作利用Minitab分析得到耐電暈時間與脈沖電壓的最優(yōu)擬合關系曲線方程的形式為T=AeB/U，與T=kU-n相比，解決了壽命指數(shù)n求解過程復雜及擬合精度要求高等問題，同時利用Minitab進一步給出置信度為95%的耐電暈時間的置信區(qū)間，提高測試結果的準確性與預測性。而其他影響耐電暈時間的因素如尖峰電壓、頻率、溫度、上升沿時間等仍有待研究。