(1.發(fā)電設(shè)備國家工程研究中心， 黑龍江哈爾濱 150040；2.哈爾濱電機廠有限責任公司， 黑龍江哈爾濱 150040)

變頻器對大型電機絕緣壽命的影響

于旭東

(1.發(fā)電設(shè)備國家工程研究中心， 黑龍江哈爾濱 150040；2.哈爾濱電機廠有限責任公司， 黑龍江哈爾濱 150040)

根據(jù)變頻器的重復(fù)脈沖電壓對電機絕緣性能和壽命產(chǎn)生的不利影響，進行了云母絕緣的各種老化試驗，結(jié)果表明當電場頻率比較低時，表征絕緣性能的主要參數(shù)就會大幅增加。這也驗證了如果預(yù)測和評估電機絕緣系統(tǒng)的運行狀況，應(yīng)當在低于工頻的低頻下進行。

變頻器；電機； 絕緣性能；影響

0 引言

上個世紀末，能夠?qū)崿F(xiàn)變頻調(diào)速的交流電機在世界上已經(jīng)得到普及。而本世紀初， 能夠取代齒輪箱的雙饋式風力發(fā)電機，由于實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子交流變頻調(diào)速高效節(jié)能運行而成為風電設(shè)備的主流機型。它們之所以能夠采用先進的變頻調(diào)速技術(shù)，主要是得益于大功率電力電子變流器的快速發(fā)展。

1 變流器的重復(fù)脈沖電壓的影響

1.1 變頻器

與傳統(tǒng)的由工頻電壓饋電的電機不同，在實施變頻變速過程中，由于變流器的重復(fù)脈沖電壓作用，對電機絕緣壽命有很大影響見圖1。 因此， 國際電工委員會(IEC)，根據(jù)各國多方面的反映，重新頒布了技術(shù)標準 60034—18—42[1，2]， 并提出了《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的推薦意見》，其中包括了電機絕緣系統(tǒng)不同部位的耐電壓試驗、老化現(xiàn)象和壽命等?，F(xiàn)在各國都在進行試驗研究并上報所取得的成果,以便修訂國際標準。

圖1變頻器輸出仿正弦波及沖擊電壓

1.2 絕緣壽命

在電機的運行壽命期限內(nèi)，采用變頻技術(shù)進行頻率和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時，每秒鐘的開關(guān)操作能夠產(chǎn)生數(shù)以千計的具有短時上升時間的瞬時階躍電壓。而在采用變頻調(diào)速技術(shù)以前，具有這種快速上升時間的沖擊波的主要來源，一直是斷路器的開關(guān)操作。這種操作的次數(shù)可達 100000 次以上，但是，采用變頻器供電時，它的重復(fù)頻率和脈沖上升時間，對絕緣壽命是有很大影響的。 當電壓上升到絕緣局部放電起始電壓以后，局部放電就成為絕緣老化的主要因素[3]。重復(fù)頻率的增加會導(dǎo)致絕緣壽命的縮短；電壓脈沖的上升時間，也會影響絕緣的老化。對于變頻器饋電的高電壓電機的云母絕緣來說，就需要有一套標準的試驗和評定方法，以便能對絕緣的壽命進行評估和預(yù)測。

表征電氣絕緣狀態(tài)的主要特征，是絕緣的介電性能參數(shù)。 專項試驗研究結(jié)果表明， 頻率和溫度對這種介電性能有很大影響。 試驗結(jié)果表明， 溫度的升高和頻率的降低， 對絕緣的介電性能有很大影響。 特別是當頻率為低頻率時， 對絕緣的劣化性能影響比較突出。

大型發(fā)電機的現(xiàn)代絕緣系統(tǒng)，主要由云母帶制成[4]。它的成分包括： 云母紙、 玻璃纖維和改性環(huán)氧硅橡膠型、亞胺型等熱固性樹脂。 由于發(fā)電機容量的不斷增大和電壓、電流密度的增加，導(dǎo)致了運行溫度的上升，從而使絕緣系統(tǒng)承受了更大的電氣機械和熱應(yīng)力， 引起了物理化學(xué)變化和化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了新的化合物和新的極性物質(zhì)并導(dǎo)致電荷交換， 促使絕緣中的樹脂不斷劣化， 絕緣的電氣和機械性能降低和介質(zhì)損耗增加 。

2 老化試驗及方法

2.1 老化試驗

為了評估絕緣系統(tǒng)的狀態(tài) ，可以在實驗室通過加速老化試驗的方法來實現(xiàn)。在試驗過程中，應(yīng)當測量和分析吸收或再吸收電流、時域介電性能響應(yīng) 、高頻和低頻介電性能響應(yīng)、 局部放電量水平、 耐電壓和局部耐電壓水平等不同的電氣性能參數(shù)。

為了能夠正確分析測量結(jié)果， 在加速老化試驗中， 注意事項：(1)試驗時間不能太長 ；(2) 不能改變正常運行條件下的物理化學(xué)變化過程；(3)必須精確控制進行介電性能測量時的條件， 如溫度、 電場強度和頻率等。通過采用介電常數(shù)頻譜儀， 就能測量未老化的絕緣系統(tǒng)介電常數(shù)、 導(dǎo)電率和介質(zhì)損耗以及它們隨著溫度和電場頻率的變化。 對一臺容量為1MW 、額定電壓為6kV電機的剩余壽命，進行評估的試驗研究結(jié)果表明 ，關(guān)鍵在于應(yīng)當在低頻電場條件下進行試驗。

2.2 試驗方法

其實最關(guān)鍵的是，硝酸磷肥在解決磷營養(yǎng)的同時不會產(chǎn)生磷石膏。楊福旺告訴記者：“天脊硝酸磷肥的副產(chǎn)品是輕質(zhì)碳酸鈣，它是土壤調(diào)理最好的東西，它容易分解，在它分解的過程中釋放二氧化碳，提高土壤的pH值，同時釋放鈣離子、鎂離子，同時還有3-4個氮磷養(yǎng)分?！币簿褪钦f，天脊硝酸磷肥的副產(chǎn)品是非常好的鈣肥，不會對環(huán)境產(chǎn)生污染，這等于把資源吃干榨凈。

用于試驗的試樣尺寸為 40mm×40mm×1.5mm 的平板形試樣，它的厚度為 0.18mm ，由云母帶絕緣半疊繞7 層。 云母帶各種成分及其含量為：玻璃纖維13%，云母紙40%，環(huán)氧樹脂47%。該試樣通過尺寸為：650mm×110mm×2.5mm的鋼板進行熱壓。 鋼板上施加的壓力為3bar，加熱溫度為160℃，加熱持續(xù)時間為2.5h。上述熱壓的壓力、溫度和持續(xù)時間，均與大型電機制造工藝相符合。由這些鋼板壓制得到的試樣，也符合相應(yīng)的要求，并且外觀質(zhì)量良好。由于在試樣的表面粘貼有電極，便能測量得到復(fù)合介電常數(shù)和電導(dǎo)率。

試樣共計20件，分成4組。前3組，分別進行210℃、230℃和250℃的加速熱老化試驗。第四組，則采用由計算機、中樞單元、測量單元、控制單元和溫控系統(tǒng)組成的介電常數(shù)頻譜儀，在電場頻率為10-3Hz～106Hz和溫度為30℃～90℃的范圍內(nèi)，進行復(fù)合介電常數(shù)和電導(dǎo)率的測量。

2.3 試驗結(jié)果

在不同溫度條件下，介電常數(shù)隨著頻率變化的試驗結(jié)果如表1所示。

表1 不同溫度條件下介電常數(shù)隨著頻率的變化

由此可見：(1)介電常數(shù)總是隨著頻率的降低而增大。特別是在低頻率區(qū)域，它的增加幅度很大，而在高頻率區(qū)域則很?。?2)同時，它也隨著溫度的升高而增大。特別是在低頻率區(qū)域增加的幅度，遠大于高頻區(qū)域；(3)當頻率達到106Hz時，溫度對于介電常數(shù)就幾乎沒有影響了。這項研究結(jié)果的實際意義在于：如果電機處于低頻區(qū)域(低速)運行的時間比較長，或次數(shù)比較多，就必須認真考慮這個頻率對于電機絕緣壽命的影響問題，特別是采用變頻器的變速交流電機，和采用變頻器調(diào)速的雙饋式風力發(fā)電機。

2.3.1 介電常數(shù)

由于頻率比較低而導(dǎo)致電機絕緣介電常數(shù)增加的主要原因，是在構(gòu)成絕緣的環(huán)氧樹脂、云母紙和玻璃絲纖維中，仍然含有極性部分和極性分子(例如H2O等)，它們的雙極子，還需要重新取向和定位。如果頻率比較低，就會強化它們的離子運動，并使離子粘附在絕緣材料上述三種成分之間的不連續(xù)界面上，從而強化了極化作用的不均勻性，并導(dǎo)致介電常數(shù)實數(shù)部分的增加。此外，由于頻率比較低，也會強化極化作用本身而導(dǎo)致介電常數(shù)的增加。

2.3.2 介質(zhì)損耗

在電場頻率比較低的情況下，除了介電常數(shù)的實數(shù)部分增加以外，還使它的虛數(shù)部分(損耗指數(shù))和介質(zhì)損耗因數(shù)tgδ增加。因為在頻率降低時，強化了攜帶電荷離子的移動，使離子的階躍時間(在電場內(nèi)保持離子長期取向定位的時間)如果延長，發(fā)生“離子階躍”的概率就會變大。這種被稱為“低頻離散”現(xiàn)象的離子式傳導(dǎo)性增強，會導(dǎo)致?lián)p耗指數(shù)和損耗因數(shù)的增加。

在絕緣試樣中通常含有兩種離子，即正極性和負極性的離子。根據(jù)它們之間的相對距離，這兩種異性離子能夠形成偶極子，在電場作用下，產(chǎn)生離子運動，并促使偶極子的尺寸和取向各不相同。由于離子移動而使極性相互抵消，就會形成一個中性分子團。如果絕緣試樣受潮，它們里面就包含有獨立的極性分子團。在分子團內(nèi)部和它們之間的離子運動，就需要吸收額外的能量，而這個能量則分別對應(yīng)于損耗指數(shù)和損耗因數(shù)的增加。在這個物理化學(xué)反應(yīng)過程中，化合物的合成和分解，都需要能量消耗。每個離子式偶極子的再次取向和定位，都伴隨著這種不可逆的能量散失，從而導(dǎo)致了損耗指數(shù)和損耗因數(shù)的增加。

雖然溫度的升高就會導(dǎo)致?lián)p耗指數(shù)和損耗因數(shù)的增加，但是，處在低頻(1MHz)時的增加量(90%)，卻遠高于在高頻(1MHz)時增加量(10%)。這主要是因為偶極子的遷移率在隨著溫度的增加而增加。

2.3.3 電導(dǎo)率

與介電常數(shù)相反，當電場頻率比較低時，電導(dǎo)率的實數(shù)和虛數(shù)部分都將大幅度降低。不同溫度條件下電導(dǎo)率隨頻率變化見表2，溫度升高時介電常數(shù)介質(zhì)損耗因數(shù)、電導(dǎo)率變化見表3。

表2 不同溫度條件下電導(dǎo)率隨著頻率的變化

表3 溫度升高時介電常數(shù)介質(zhì)損耗因數(shù)電導(dǎo)率的變化率(%)

注：溫度由30℃升高到90℃時

由表3可見，在低頻率時，絕緣的介電常數(shù)、損耗指數(shù)、損耗因數(shù)和電導(dǎo)率等的變化幅度都很大。這是因為低頻率意味著交流的交變次數(shù)減少了，導(dǎo)致介質(zhì)的張弛過程減緩了。但是，電導(dǎo)率還是隨著頻率的降低而增加。這個增加幅度在低頻時要大于高頻時。之所以電導(dǎo)率隨著溫度的增加而增加，是因為絕緣試樣在溫度增加時，同時也使其內(nèi)部離子電荷載體的能量增加，從而導(dǎo)致它們的擴散系數(shù)增加。此外，溫度的增加，也使絕緣試樣內(nèi)部的缺陷密度加大，從而導(dǎo)致了電導(dǎo)率的增加。

關(guān)于變頻器沖擊波對絕緣運行壽命的影響，上述檢驗方法和評估結(jié)果已經(jīng)上報國際電工委員會總部，作為制定國際標準的參考依據(jù)。

3 結(jié)語

(1)試驗結(jié)果表明：電機絕緣系統(tǒng)的性能受到電場頻率和溫度的影響很大。

(2)當電場頻率較低時，表征絕緣性能的主要參數(shù)，例如：介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)等，就會大幅度增加；而電導(dǎo)率則會減小。

(3)如果再加上溫度升高的因素，就會使上述變化更加強烈。

(4)由于處于低頻條件下的絕緣性能變化范圍比高頻區(qū)域更大，所以，為了測定電機絕緣系統(tǒng)的運行狀態(tài)，應(yīng)當在低于工頻的低頻(1MHz)條件下進行。

[1] Functional evaluation of electrical insulation systems, IEC 60034-18-32 ，International Electro technical Commission，Edition 4 ， Brussels, Belgium ，1988.

[2] Qualification and type tests for electrical insulation systems used in rotation electrical machines fed from converters, IEC TS 60034-18-41 ，Edition 3 ，International Electro technical Commission，Brussels, Belgium ，1989.

[3] 浦順興.哈電粉云母絕緣在大型電機上的應(yīng)用[C].科技發(fā)展與進步，2007，5，53-57.

[4] 赫兟.大型水輪發(fā)電機絕緣系統(tǒng)研究[C].大型水輪發(fā)電機技術(shù)研討會文集，2007，9，62-69.

InfluenceofFrequencyConverteronInsulationLifeofLargeMotor

YuXudong

(1.National Engineering Research Center of Power Generating Equipment, Harbin 150040, China；2.Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China )

Because of negative influence of repetitive pulse voltage of frequency converter on insulation performance and life of motor, aging tests of various mica insulation are carried out. The experimental results show that when electric field frequency is relatively low, the main parameters of representing insulation performance will be substantially increased. It is also verified that the running state of motor insulation system should be measured and assessed under the frequency less than mains frequency.

Frequency converter；motor；insulation performance；impact

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.06.10

TM306

B

1008-7281(2017)06-0035-004

于旭東男1985年生；畢業(yè)于沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程專業(yè)，現(xiàn)從事大型發(fā)電設(shè)備開發(fā)應(yīng)用研究工作.

2017-06-16