郭 琪, 劉冠芳

(中車永濟電機有限公司，陜西 西安 710016)

變頻電機絕緣系統(tǒng)老化試驗方法的研究進展

郭 琪, 劉冠芳

(中車永濟電機有限公司，陜西 西安 710016)

對變頻電機絕緣系統(tǒng)老化的原因和現(xiàn)象進行了介紹，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標準和試樣方法，指出現(xiàn)階段的試驗方法中存在的問題，提出今后的發(fā)展趨勢。

變頻電機； 絕緣系統(tǒng)； 老化

0 引 言

近年來，隨著電力電子器件及其技術(shù)的迅速發(fā)展，大功率高速開關(guān)器件在高速動車組、大功率機車、變頻調(diào)速系統(tǒng)及風力發(fā)電機中得到了廣泛應(yīng)用。變頻電機因變頻器產(chǎn)生的脈沖波有著高聳的尖峰電壓和陡峭的上升時間，加上可變或極高的頻率(最高達到20 kHz)，從而會對電機絕緣體系產(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，加速了變頻電機絕緣結(jié)構(gòu)的老化，縮短了電機的使用壽命。由于PWM電應(yīng)力對絕緣壽命的影響較正弦工頻電應(yīng)力更嚴重，所以針對直流和正弦工頻電應(yīng)力環(huán)境下的絕緣壽命評估方法和試驗設(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)力下絕緣的壽命評估。

絕緣系統(tǒng)是電機的重要組成部分，其性能優(yōu)劣直接影響到電機的安全性、可靠性和使用壽命，因此各行業(yè)開始關(guān)注變頻電機的絕緣壽命，高校和企業(yè)紛紛進行了熱老化、脈沖電老化、環(huán)境老化和多因子老化的研究。本文對各種老化試驗方法和標準進行了總結(jié)，說明了絕緣系統(tǒng)老化試驗方法的現(xiàn)狀及存在的問題，探索了未來的發(fā)展趨勢。

1 絕緣系統(tǒng)老化的原因與現(xiàn)象

電機在長期運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、機械力和環(huán)境等，各老化因子對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)計表明，服役期限20年以上的電機，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 各種老化因子對絕緣性能的影響表現(xiàn)

2 絕緣系統(tǒng)老化試驗研究

2. 1 熱老化

現(xiàn)階段絕緣系統(tǒng)的熱老化即熱評定的方法已經(jīng)很成熟，可以參考的國際標準有UL1446、IEEE1776、IEC61857-1、IEC60034-18-31，國內(nèi)標準有GB17948.3、GB/T20111.1，試驗規(guī)程如圖1所示。IEEE1776中明確給出了不同耐熱等級的試驗溫度、周期，試樣的模型尺寸和試驗結(jié)果的判定都比較明確。

圖1 熱評定試驗規(guī)程

熱老化試驗通常用來評定絕緣材料和結(jié)構(gòu)的耐熱等級，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程中增加或減少老化因子。曹燕飛等[1]在兩種有機硅絕緣系統(tǒng)熱老化過程中增加塵埃暴露試驗，得到了兩種結(jié)構(gòu)的耐熱指數(shù)。于欽學(xué)等[2]研究了熱老化對變頻牽引電機電磁線絕緣電性能的影響，在300 ℃下進行了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間的變化規(guī)律。張依強等[3]研究了不同溫度下電磁線的失效時間和擊穿電壓，并探討了電磁線的介質(zhì)損耗溫度譜。

2. 2 脈沖電老化

變頻電機采用PWM驅(qū)動技術(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、電纜的阻抗不匹配,產(chǎn)生很大的過電壓，而這個過電壓在電機絕緣中電壓分布不均勻，因此導(dǎo)致電機絕緣過早失效。目前我國對絕緣系統(tǒng)的高頻老化壽命問題缺乏足夠的認識，國內(nèi)外對高頻電老化壽命評估方法還存在爭議，沒有統(tǒng)一的試驗標準。

2. 2. 1 電磁線脈沖電老化

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

(1) 試樣的制備。朱勇穗等[4]在YQ200牽引電機線圈絕緣結(jié)構(gòu)的電性能分析中對FCR薄膜53%疊包、厚度為0.23 mm的電磁線進行了研究，試驗?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的電磁線為研究對象，試驗?zāi)Ｐ腿鐖D2(b)所示。

圖2 脈沖試驗?zāi)Ｐ碗娎匣?/p>

兩者除了試驗?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強的云母帶半疊包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]在變頻電機匝間絕緣研究中對45°的部分增加了絕緣泥填充。

(2) 試驗方法。變頻電機脈沖電老化可參考的試驗標準較少，主要有IEC60034-18.41(GB/T22720.1—2008)《電壓型變頻器供電的旋轉(zhuǎn)電機I型電氣絕緣結(jié)構(gòu)的鑒別和型式試驗》和IEC60034-18.42《電壓型變頻器供電的旋轉(zhuǎn)電機Ⅱ型電氣絕緣結(jié)構(gòu)的鑒別和型式試驗》兩個標準。影響試驗結(jié)果的參數(shù)有試驗溫度、試驗電壓、試驗頻率、占空比、上升沿時間、下降沿時間、電源極性等，而標準中未給出明確的試驗參數(shù)。

任文娥等[7]研究了脈沖電源的電壓幅值、脈沖頻率及溫度對變頻電機電磁線試樣壽命影響規(guī)律，試驗結(jié)果表明：電機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線性關(guān)系；在老化條件相同時，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?zāi)Ｐ?。絕緣結(jié)構(gòu)試樣與電磁線的基本相同，為了保證高壓試驗時不發(fā)生沿面閃絡(luò)，要求槽外部分應(yīng)留足夠的長度。模擬鐵心長度不易太長，如果電容太大，脈沖試驗儀器的容性負載容量和上升時間可能無法滿足。

(2) 試驗參數(shù)的選擇。在脈沖電老化試驗中最重要的加速因子是試驗電壓，其他參數(shù)可以按照實際運行的參數(shù)進行設(shè)置。IEC60034-18-42標準要求試驗電壓數(shù)量不少于3個；試驗電壓應(yīng)該選擇平均失效時間在100～3 000 h的范圍內(nèi)。劉學(xué)忠等[8]在兆瓦級風力發(fā)電機絕緣的重復(fù)脈沖電老化壽命評定方法中給出了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個試驗電壓，分別進行100、1 000、5 000 h的試驗。

潘慶輝等對風力發(fā)電機定子線圈進行了高頻脈沖電老化性能研究，測試電壓為5 kV，測試頻率為1 kHz，測試溫度為室溫，脈沖上升時間為580±20 ns，進行了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。試驗結(jié)果雖然得到了定子線圈的壽命，但是由于測試溫度是室溫，因此與實際運行情況是不符的。

2. 3 環(huán)境老化

隨著電機運行的范圍越來越廣，環(huán)境對電機絕緣系統(tǒng)的影響越來越大，常見的幾種環(huán)境試驗為低溫、溫度交變、濕熱、鹽霧、低氣壓等。

2. 3. 1 試驗?zāi)Ｐ?/p>

一般情況下，絕緣系統(tǒng)很少對單一的環(huán)境老化因子進行試驗，因此試驗?zāi)Ｐ鸵矝]有統(tǒng)一的標準。通常情況下建議采用類似圖2的試驗?zāi)Ｐ停M鐵心的長度約200 mm。

2. 3. 2 試驗方法

環(huán)境試驗條件通常參照GB2423電工電子環(huán)境試驗標準進行，而標準中雖然給出了推薦試驗的時間，但是未給出試驗結(jié)果的評定方法，因此還需要根據(jù)實際產(chǎn)品的情況進行試驗。于欽學(xué)等[9]研究了冷熱循環(huán)老化對電機電磁線電性能的影響，共進行了280個周期的試驗，結(jié)果證明電磁線的電性能參數(shù)變化相對較小。這說明單一的環(huán)境老化因子試驗時間太短，對絕緣系統(tǒng)的影響不大。

2. 4 多因子老化

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

2. 4. 1 試驗?zāi)Ｐ?/p>

張曉虹等[10]對大電機電-熱-機械應(yīng)力多因子老化試驗系統(tǒng)的試樣進行了設(shè)計，如圖3所示。

圖3 電-熱-機械應(yīng)力聯(lián)合老化試驗系統(tǒng)示意圖

2. 4. 2 試驗方法

多因子的選擇可以根據(jù)電機絕緣系統(tǒng)在實際運行中的情況來確定。如劉學(xué)忠[11]等人調(diào)查了海上風力發(fā)電機運行的環(huán)境氣候條件，制作了模擬5 MW/3 kV級定子繞組絕緣系統(tǒng)試樣，在實驗室進行了溫度變化、恒定濕熱和持續(xù)鹽霧的加速海洋環(huán)境模擬試驗；DING X X等[12]對風力發(fā)電機絕緣系統(tǒng)進行了基于電熱和冷熱循環(huán)等多因子加速老化試驗研究。

3 結(jié) 語

近年來，隨著變頻電機的廣泛應(yīng)用，變頻電機老化試驗方法的研究也得到了發(fā)展和進步。但老化試驗的目的是檢驗絕緣系統(tǒng)長期耐受老化因子的能力，并不能得到絕緣系統(tǒng)的壽命。當前，熱老化試驗標準和評定方法已經(jīng)非常成熟，按照標準方法進行試驗就能夠得到絕緣系統(tǒng)的耐熱等級；脈沖電熱老化沒有成熟的方法，研究的人比較多，主要集中在電磁線的老化上。由于試驗設(shè)備的差異，導(dǎo)致脈沖電熱老化試驗結(jié)果無法對比，因此未來要通過大量的試驗對設(shè)備和試驗參數(shù)提出嚴格的要求，才能制定可行的試驗方法。隨著電機使用環(huán)境的多樣化，未來多因子老化成為電機絕緣系統(tǒng)考核的發(fā)展方向，具體的試驗方法可根據(jù)電機運行情況來制定。

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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，研究方向為項目管理和絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計。

TM 303.4

A

1673-6540(2017)05- 0013- 04

2017 -01 -20