吳文俊

（ 上海電動(dòng)工具研究所，上海 200031 ）

電動(dòng)工具匝間絕緣強(qiáng)度試驗(yàn)及關(guān)鍵參數(shù)介紹

吳文俊

（ 上海電動(dòng)工具研究所，上海 200031 ）

介紹用以評(píng)價(jià)繞組匝間或線圈間故障、缺陷和絕緣介質(zhì)強(qiáng)度的匝間絕緣強(qiáng)度試驗(yàn)，描述波前時(shí)間、脈沖發(fā)生器的源阻抗和脈沖電壓幅值三大關(guān)鍵參數(shù)對(duì)試驗(yàn)的影響。

電動(dòng)工具 匝間絕緣 波前時(shí)間 脈沖發(fā)生器的源阻抗 脈沖電壓幅值

0 引言

電動(dòng)工具在使用過程中受電源網(wǎng)絡(luò)的主電源切換騷擾、配電系統(tǒng)負(fù)荷變化、電路諧振、系統(tǒng)故障和自身頻繁操作開關(guān)而引起的瞬間電壓的影響，造成絕緣結(jié)構(gòu)中固體絕緣介質(zhì)的電氣間隙阻抗下降，使得繞組匝間絕緣介質(zhì)或電氣間隙被擊穿，從而發(fā)生電擊危險(xiǎn)。

1 概述

匝間絕緣強(qiáng)度試驗(yàn)是對(duì)絕緣繞組施加短時(shí)的沖擊（浪涌）電壓，評(píng)價(jià)繞組匝間或線圈間故障或缺陷和絕緣介質(zhì)的強(qiáng)度。匝間絕緣強(qiáng)度試驗(yàn)的嚴(yán)酷程度主要取決于波前時(shí)間、脈沖發(fā)生器的源阻抗和施加在匝間絕緣上的脈沖電壓幅值。波前時(shí)間影響被試?yán)@組或線圈的匝間絕緣阻抗，波前時(shí)間越短，匝間絕緣阻抗越小，試驗(yàn)的嚴(yán)酷程度越高；脈沖發(fā)生器的源阻抗反映脈沖源的負(fù)載特性，輸出阻抗越小，則施加在匝間絕緣上的瞬時(shí)能量越大，試驗(yàn)的嚴(yán)酷程度越高；但從三者的影響程度分析，主要作用的是波前時(shí)間和輸出阻抗，尤其是輸出阻抗影響更為明顯。

2 原理

當(dāng)對(duì)繞組施加如圖1所示的短時(shí)標(biāo)準(zhǔn)沖擊波時(shí)，沖擊電壓在繞組上產(chǎn)生衰減振蕩。如繞組無故障或缺陷，則在繞組上產(chǎn)生的衰減振蕩波形基本一致。如繞組有故障或缺陷，由于故障繞組的阻抗與正常繞組的阻抗存在差異，產(chǎn)生的振蕩波形與正常繞組也存在差異。通過前后波形對(duì)比或計(jì)算前后波形面積差異量可判別繞組是否正常。對(duì)存在絕緣薄弱點(diǎn)的繞組或線圈，施加短時(shí)沖擊電壓可使繞組或線圈的絕緣薄弱點(diǎn)發(fā)生擊穿或短路。存在短路的繞組及線圈相當(dāng)于匝數(shù)減少，相應(yīng)的繞組或線圈阻抗發(fā)生變化，可由振蕩波形的差別判別。

圖1是1.2/50 μs開路電壓波形，是一種模擬雷電、開關(guān)操作，用電容器充放電原理來獲得的瞬態(tài)電壓波形。

圖1 1.2/50 μs開路電壓波形

2.1波前時(shí)間

圖1中，波前時(shí)間T1是一個(gè)虛擬參數(shù)，定義為30%峰值和90%峰值兩點(diǎn)間所對(duì)應(yīng)時(shí)間間隔T的1.67倍，即T1=1.67×T=1.2 μs± 30%；

半峰時(shí)間T2也是一個(gè)虛擬參數(shù)，定義為視在原點(diǎn)O1和電壓下降到半峰值的時(shí)間間隔，T2=20 μs±20%。

選擇電容量和波前電阻能改變RC回路的時(shí)間常數(shù)，也就改變了波前時(shí)間，選擇信號(hào)發(fā)生器（脈沖發(fā)生器）的波前電阻就能選取不同的波前時(shí)間。顯然，一旦波前電阻選定，在同一峰值電壓下，只要被試?yán)@組特性一致，則在繞組上產(chǎn)生的振蕩波形就一致。

2.2脈沖發(fā)生器的源阻抗

脈沖發(fā)生器的源阻抗是指低壓電網(wǎng)對(duì)地的源阻抗。源阻抗的選擇取決于電源的性質(zhì)（直流、交流）、電源線長(zhǎng)度、電源耦合方式、試驗(yàn)電壓施加方式（線—線、線—地）等。脈沖發(fā)生器的等效輸出阻抗是指開路輸出電壓峰值與短路電流峰值之比，能產(chǎn)生1.2/50 μs開路電壓波形的脈沖發(fā)生器的等效輸出阻抗為2 Ω。

2 Ω阻抗表示低壓電網(wǎng)的源阻抗。使用等效輸出阻抗為2 Ω的脈沖發(fā)生器。

12 Ω（10 Ω+2 Ω）阻抗表示低壓電網(wǎng)對(duì)地的源阻抗。使用串聯(lián)10 Ω附加電阻的脈沖發(fā)生器。

42 Ω（40 Ω+2 Ω）阻抗表示其他所有線路對(duì)地源阻抗。使用串聯(lián)40 Ω附加電阻的脈沖發(fā)生器。

等效輸出阻抗為2 Ω、12 Ω、42 Ω脈沖發(fā)生器用來進(jìn)行浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)。在手持式、可移式電動(dòng)工具和園林工具的安全中用來考核關(guān)鍵安全功能的部件在可預(yù)期的電磁環(huán)境中的可靠性。

等效輸出阻抗反映著在同一沖擊電壓值的情況下被試對(duì)象上承受的能量，反映了試驗(yàn)的嚴(yán)酷程度。用沖擊電壓試驗(yàn)來考核電動(dòng)工具在特殊情況下的匝間絕緣強(qiáng)度的脈沖發(fā)生器的等效輸出阻抗，經(jīng)論證和驗(yàn)證，認(rèn)為應(yīng)選用12 Ω。

2.3脈沖電壓幅值

脈沖電壓幅值可根據(jù)被試對(duì)象額定電壓對(duì)應(yīng)的過電壓類別來確定，或根據(jù)被試?yán)@組電壓和運(yùn)行狀態(tài)來確定。家用和類似用途電器采用了前一種方法，中小型電機(jī)采用的是后一種方法。

2.3.1 由過電壓的類別確定脈沖電壓幅值

過電壓類別是指瞬態(tài)過電壓條件的數(shù)值，GB/T 16935.1-2008《低壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的絕緣配合 第1部分：原理、要求和試驗(yàn)》規(guī)定了四種過電壓類別：

1）過電壓類別I：設(shè)備是連接至具有限制瞬時(shí)過電壓至相當(dāng)?shù)退酱胧┑碾娐返脑O(shè)備，例如保護(hù)電子電路；

2）過電壓類別Ⅱ：設(shè)備是由固定式配電裝置供電的耗能設(shè)備，例如器具、便攜式工具和其他家用和類似的負(fù)載；

3）過電壓類別Ⅲ：設(shè)備是固定式配電裝置中的設(shè)備，以及設(shè)備的可靠性和適用性必須符合特殊要求的設(shè)備，例如固定設(shè)施的開關(guān)和永久連接到固定設(shè)施的工業(yè)用設(shè)備；

4）過電壓類別IV：設(shè)備是使用在配電裝置電源端的設(shè)備，例如電表和初級(jí)過電流保護(hù)設(shè)備；

電動(dòng)工具是一種由固定電源設(shè)施供電的手持、可移的耗能機(jī)械化工具，因此應(yīng)歸類為過電壓類別Ⅱ。

參考GB 4706.1-2005《家用和類似用途電器的安全 第1部分：通用要求》

不同額定電壓對(duì)應(yīng)的額定沖擊電壓為：

≤50 V 500 V

＞50且≤150 1 500 V

＞150且≤300 2 500 V

2.3.2 由被試?yán)@組電壓和運(yùn)行狀態(tài)確定脈沖電壓幅值

根據(jù)被試?yán)@組電壓和運(yùn)行狀態(tài)確定脈沖電壓幅值，見公式（1）：

式中 UT——脈沖電壓峰值

K1——電壓系數(shù)，一般取1.40

K2——運(yùn)行系數(shù)，一般運(yùn)行取1.0，濕熱環(huán)境和高速取1.10，頻繁起動(dòng)或正、反轉(zhuǎn)取1.10～1.20

UG——繞組對(duì)地工頻耐電壓試驗(yàn)值（有效值）

脈沖電壓峰值允差為±5%或±3%（優(yōu)先），峰值測(cè)量準(zhǔn)確度為±1.5%。

由于電動(dòng)工具繞組或線圈的匝間絕緣是功能絕緣，其匝間絕緣的耐電壓試驗(yàn)值為500 V，則繞組匝間絕緣承受的脈沖電壓的峰值為：

UT=K1·K2·UG=1.40×1.10×500=840 V

鑒于經(jīng)驗(yàn)值，800 V的計(jì)算值對(duì)應(yīng)實(shí)際耐壓值為910 V，1 500 V的計(jì)算值對(duì)應(yīng)實(shí)際耐壓值為1 750 V，因此最后選擇的實(shí)際脈沖電壓的峰值為1 000 V。

2.4試驗(yàn)時(shí)間

對(duì)定子、轉(zhuǎn)子繞組的絕緣匝間強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，施加5個(gè)正脈沖、5個(gè)負(fù)脈沖，脈沖間隔時(shí)間為1 s。

匝間絕緣強(qiáng)度試驗(yàn)后，繞組的匝間絕緣不允許擊穿或閃絡(luò)，采用脈沖波形比較法來判別。試驗(yàn)時(shí)，只要儀器顯示屏上振蕩波形基本重合，則判別繞組或線圈正常；如果顯示屏振蕩波形顯示不重合，則判別繞組有故障。如果繞組介質(zhì)擊穿，則試驗(yàn)會(huì)出現(xiàn)響聲、氣味等現(xiàn)象。3應(yīng)用

脈沖電壓考核繞組或線圈的匝間絕緣強(qiáng)度在中小型電機(jī)、低壓電器中已得廣泛采用，制定了標(biāo)準(zhǔn)。在家用和類似用途電器的安全中采用脈沖電壓試驗(yàn)考核器具承受瞬態(tài)過電壓的能力和電氣間隙。過去的電動(dòng)工具安全標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)繞組的絕緣介質(zhì)匝間強(qiáng)度未作明確考核規(guī)定，電氣間隙的規(guī)定至今仍沿用按防電擊分類，按不同的工作電壓，以不同極性的帶電零件之間，不同性質(zhì)絕緣兩邊的帶電零件與其他金屬零件之間分別規(guī)定不同的電氣間隙值，對(duì)不允許繞組匝間短路的要求，僅在當(dāng)某一耐熱等級(jí)轉(zhuǎn)子或定子繞組溫升超過規(guī)定值，進(jìn)行合格評(píng)定試驗(yàn)時(shí)，即將超過溫升限值的定子或轉(zhuǎn)子放在烘箱內(nèi)，溫度設(shè)定到轉(zhuǎn)子或定子溫升實(shí)測(cè)溫度再加上80℃±10℃，歷時(shí)240 h，取出后逐步冷卻至室溫，檢測(cè)繞組匝間是否短路。在國(guó)家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會(huì)電動(dòng)工具技術(shù)專家組（TC23）的決議中已經(jīng)明確繞組匝間沖擊試驗(yàn)電壓的電壓值統(tǒng)一為1 000 V。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，電動(dòng)工具沖擊電壓試驗(yàn)的結(jié)果受諸多因素影響，只有選擇合理的參數(shù)才能理想地反應(yīng)產(chǎn)品的實(shí)際情況，為產(chǎn)品的認(rèn)證認(rèn)可提供合理的依據(jù)，同時(shí)確保產(chǎn)品的質(zhì)量，保證使用者的人身安全。

[1]GB 3883.1-2008 手持式電動(dòng)工具的安全 第一部分： 通用要求[S].

[2]GB 4706.1-2005 家用和類似用途電器的安全 第1部分：通用要求[S].

Electric Tool Interturn Insulation Strength Test and Key Parameters Introduction

Wu Wenjun
(Shanghai Electric Tool Research Institute, Shanghai 200031, China)

The interturn insulation strength test is to assess the fault or defect and insulation strength between the windings. Its onerous condition is decided by front time, source impedance of pulse generator and impulse voltage amplitude. This article mainly introduces the influence of the three key parameters to the test.

Electric tool Interturn insulation Front time Source impedance of pulse generator Impulse voltage amplitude

TM08

A

1674-2796（2014）04-0014-03

2014-04-13

吳文?。?985—），男，本科，主要從事電動(dòng)工具標(biāo)準(zhǔn)制修訂和檢測(cè)認(rèn)證工作。