作者/王湄，福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院

變頻電機(jī)用漆包線耐電暈電、熱老化性能的分析研究

作者/王湄，福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院

伴隨著變頻電機(jī)的廣泛使用，變頻電機(jī)用漆包線的耐電暈性能也受到越來(lái)越多的關(guān)注。文章闡述了漆包線耐電暈性能在變頻電機(jī)中的重要性，介紹了耐電暈性能檢測(cè)涉及的各個(gè)參數(shù)，并分析了電、熱老化對(duì)漆包線所造成的損害機(jī)理。

漆包線；耐電暈；老化性能

自上個(gè)世紀(jì)80年代提出脈寬調(diào)制（PWM）的基本原理之后，PWM技術(shù)在全控型電子器件的帶動(dòng)下得到迅速發(fā)展，而電機(jī)交流調(diào)試技術(shù)也在PWM技術(shù)的發(fā)展之下得到飛躍的進(jìn)步。

眾所周知，電機(jī)是最普遍的電器元部件，在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用都極為廣泛，隨處可見(jiàn)，大到重型工程器械，小到兒童的玩具小車都有電機(jī)的影子。近年來(lái)，變頻類電器更是成為市場(chǎng)上的寵兒，廣受消費(fèi)者的歡迎。但是當(dāng)普通電機(jī)安裝上PWM變頻器之后，效果卻沒(méi)有預(yù)料的那樣給人帶來(lái)驚喜，很多裝上變頻器的電機(jī)僅僅使用了幾個(gè)月之后就壽終正寢，而傳統(tǒng)的工頻交流電機(jī)的使用壽命可達(dá)幾年甚至是十幾年。研究表明，局部放電就是造成變頻電機(jī)使用壽命短暫的元兇。局部放電是指當(dāng)外加電壓在電氣設(shè)備中產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)，足以使絕緣部分區(qū)域發(fā)生放電，但在放單區(qū)域內(nèi)未形成固定放電通道的放電現(xiàn)象。當(dāng)絕緣發(fā)生局部放電是就會(huì)影響絕緣壽命。每次放電，高能量的電子或加速電子的沖擊，特別是長(zhǎng)期局部放電作用都會(huì)引起多種形式的物理效應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)，如帶電質(zhì)點(diǎn)撞擊氣泡外壁時(shí)，就可能打斷絕緣的化學(xué)鍵而發(fā)生裂解，破壞絕緣的分子結(jié)構(gòu)，造成絕緣裂化，加速絕緣損壞過(guò)程。

變頻電源系統(tǒng)工作時(shí)所產(chǎn)生的脈沖高頻電壓使電動(dòng)機(jī)發(fā)生電暈，引起局部放電、介質(zhì)發(fā)熱、導(dǎo)致有機(jī)高分廣絕緣材料裂解，進(jìn)而導(dǎo)致變頻電機(jī)絕緣損壞。具體來(lái)講，變頻調(diào)速系統(tǒng)是由變頻器、電纜和電機(jī)組成的。變頻器的核心控制部件有BJT（雙極晶體管）、IGBT（絕緣柵）等多種類型，其中IGBT具有驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、易于保護(hù)和高速開(kāi)關(guān)等優(yōu)點(diǎn)。IGBT的高開(kāi)關(guān)速度建立在快導(dǎo)通和快關(guān)斷的基礎(chǔ)上，最高可達(dá)30-40kHz，正常工作情況下為20kHz。變頻器的輸出波形是具有徒上升沿和徒下降沿（0.1-0.51AS）的脈沖波，正是由于這種脈沖電壓不同于工頻正弦電壓，從而對(duì)變頻電機(jī)絕緣的工作環(huán)境造成了一系列的影響。

當(dāng)變頻器將工頻正弦波轉(zhuǎn)化成脈沖波以后，該列脈沖波從變頻器通過(guò)電纜傳到電機(jī)的接線端，由于電纜與電機(jī)之間的阻抗不匹配將產(chǎn)生反射波。反射波反饋又產(chǎn)生二次反射，二次反射波與原始脈沖電壓波疊加，當(dāng)疊加的脈沖電壓傳輸?shù)诫姍C(jī)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)尖峰電壓。尖峰電壓的大小取決于電纜的長(zhǎng)度和脈沖電壓的上升沿時(shí)間。通常電纜長(zhǎng)度夕加時(shí)，電線兩端都產(chǎn)生過(guò)電壓，電機(jī)端的過(guò)電壓副值隨電纜長(zhǎng)度增加而增加。

當(dāng)變頻電機(jī)的絕緣線圈中通過(guò)脈沖電流時(shí)，短上升沿時(shí)間的脈沖波引起電壓在線圈中的分布不均。在模擬電動(dòng)機(jī)定子繞組上進(jìn)行了電壓波形的測(cè)量，表明在電動(dòng)機(jī)定子繞組的首端幾匝上承擔(dān)了約80%過(guò)電壓副值，這樣繞組首匝處承受的匝間電壓超過(guò)工頻交流電壓條件下平均匝間電壓的10倍以，雖然仍遠(yuǎn)低于絕緣的擊穿電壓（變頻導(dǎo)線可耐受工頻電壓13000V），但是已經(jīng)超過(guò)了局部放電起始電壓?？梢?jiàn)局部放電是造成變頻電機(jī)絕緣過(guò)早破壞的主要原因，而介質(zhì)損耗發(fā)熱、空間電荷、電磁激振以及振動(dòng)等多種因素的存在加速了材料的老化過(guò)程。

變頻調(diào)速系統(tǒng)的心臟部位就是變頻電機(jī)，變頻電機(jī)的使用壽命長(zhǎng)短以及它的運(yùn)行是否穩(wěn)定安全都決定了整個(gè)變頻調(diào)速是否能安全運(yùn)行。而變頻漆包線所組成的內(nèi)部繞組則是電機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻的關(guān)鍵部位，為了避免變頻電機(jī)出現(xiàn)壽命短、易被擊穿的現(xiàn)象，漆包繞組線不僅需要具備良好的機(jī)械性能、熱性能、電性能，還要具備優(yōu)良的耐電暈性能。因此要想提高變頻電機(jī)的使用壽命，其元部件漆包線的耐電暈性能是關(guān)鍵。但是變頻調(diào)試裝置充電后的脈沖波，其高聳的脈沖電壓、陡峭的上升沿和很高的脈沖頻率，還有局部放電和局部介電加熱等因素對(duì)漆包線的使用壽命都是很大的挑戰(zhàn)。在這種環(huán)境下，研究人員研制出了一種新式的變頻漆包線，也就是能夠抗電暈的耐電暈漆包線。變頻電機(jī)、起重電機(jī)、調(diào)速電機(jī)都廣泛使用此類耐電暈漆包線。

與傳統(tǒng)的機(jī)械變速和直流變速電機(jī)相比，變頻電機(jī)的供電電壓頻率高、上升沿短且是雙極性脈沖電波，這就使變頻電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中要承受高頻率脈沖電壓的不斷沖擊，且會(huì)在工程中出現(xiàn)大的噪音和振動(dòng)，也會(huì)有比較大的軸承機(jī)械磨損。且在脈沖電源下，電機(jī)中變頻漆包繞組的運(yùn)行環(huán)境更加惡劣，漆包線的絕緣遭受各種損害老化而喪失作用，致使變頻電機(jī)使用壽命減短。這種老化的機(jī)理同交流工頻電壓下電機(jī)運(yùn)作的機(jī)理完全不同，可說(shuō)是十分復(fù)雜，因?yàn)樵诿}沖電壓所產(chǎn)生的磁場(chǎng)電場(chǎng)交叉作用下，會(huì)產(chǎn)生多種物理和化學(xué)反應(yīng)，且各反應(yīng)之間相互影響相互疊加，造成了這種絕緣老化的繁雜性。但歸根結(jié)底來(lái)說(shuō)，老化的機(jī)理都可從電老化和熱老化來(lái)進(jìn)行分析。

（1）電老化。上文已經(jīng)提到，在雙極性高頻脈沖電壓的沖擊下，變頻電機(jī)的漆包繞組匝間易出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象。局部放電就是引起各類物理和化學(xué)反應(yīng)的重要因素，而電暈就是帶電體表面在氣體或液體介質(zhì)中局部放電的現(xiàn)象，常發(fā)生在不均勻電場(chǎng)中電場(chǎng)強(qiáng)度很高的區(qū)域內(nèi)（例如高壓導(dǎo)線的周圍，帶電體的尖端附近）。其特點(diǎn)是出現(xiàn)與日暈相似的光層，發(fā)出“嗤嗤”的聲音，產(chǎn)生臭氧、氧化氮等。電暈是極不均勻電場(chǎng)中所特有的電子崩—流柱形式的穩(wěn)定放電。不均勻.電場(chǎng)的差別就在于空氣間隙內(nèi)，各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度不均勻，在電力線比較集中的電極附近，電場(chǎng)強(qiáng)度最大，而電力線疏的地方，電場(chǎng)強(qiáng)度很小。通常均將空氣視為非導(dǎo)體，但空氣中含有少數(shù)由宇宙線照射而產(chǎn)生的離子，帶正電的導(dǎo)體會(huì)吸引周圍空氣中的負(fù)離子而自行徐徐中和。當(dāng)加上高壓后，會(huì)在電機(jī)附近產(chǎn)生空氣的局部放電—電暈放電，電壓再加高時(shí)，電暈放電更加強(qiáng)烈，致使間隙內(nèi)發(fā)生刷狀、火花放電，最后導(dǎo)致電弧放電（擊穿）。因空氣分子在碰撞時(shí)會(huì)發(fā)光，故電暈時(shí)在導(dǎo)體間斷處可見(jiàn)亮光。這種電離子不斷地侵蝕漆包繞組線的絕緣，加速了絕緣的老化過(guò)程，而PMW整流技術(shù)的高速導(dǎo)通和關(guān)斷動(dòng)作，使繞組線端被瞬間加載雙極性對(duì)稱高頻脈沖方波而出現(xiàn)的尖峰過(guò)電壓不斷擊中，絕緣被過(guò)度損耗。

（2）熱老化。電機(jī)內(nèi)部漆包繞組線所安裝的位置空間十分有限，而激烈的電磁場(chǎng)活動(dòng)必定使內(nèi)部稀少的空氣溫度越來(lái)越高，受熱膨脹的空氣又使內(nèi)部空間逐漸變小，如此循環(huán)往復(fù)，繞線組絕緣長(zhǎng)期在這樣的高溫環(huán)境下作業(yè)，老化速度也隨之加快，容易過(guò)早失效而加速被擊穿。

另外，電老化的過(guò)程中也會(huì)加速熱老化進(jìn)程，而熱老化也會(huì)使電老化加劇，二者相互影響相互促進(jìn)?？傊冾l電機(jī)用耐電暈漆包線的絕緣就在這循環(huán)往復(fù)的電老化和熱老化的作用下被快速老化，使用的時(shí)間越長(zhǎng)，絕緣的電性能、熱性能都每況愈下，使用壽命不斷減短，惡性循環(huán)，這是造成變頻電機(jī)使用壽命不長(zhǎng)最重要的原因。因此，在對(duì)耐電暈漆包線進(jìn)行耐電暈性能的檢測(cè)時(shí)，一般都通過(guò)電、熱老化效應(yīng)的相輔相成來(lái)進(jìn)行衡量。

根據(jù)變頻電機(jī)所使用的裝置電源，一般漆包線耐電暈性能的檢測(cè)涉及到以下幾個(gè)變量。

（1）脈沖波形：脈沖波是一種間斷的持續(xù)時(shí)間極短的突然發(fā)生的電信號(hào)。凡是斷續(xù)出現(xiàn)的電壓或電流成為脈沖電壓或電流，電信波形除了正弦波和若干個(gè)正弦分量合成的連續(xù)波形以外，都可以稱為脈沖波。常見(jiàn)的脈沖波形有：方形波、矩形波、鋸齒波、尖峰波、三角波、梯形波。而變頻電機(jī)中一般所使用的為雙極性對(duì)稱性脈沖方波。

（2）頻率：一個(gè)周期內(nèi)的重復(fù)次數(shù)，或每秒的周波數(shù)。

（3）脈沖電源：按照一定的時(shí)間規(guī)律，向負(fù)載加電一定的時(shí)間，然后又?jǐn)嚯娨欢ǖ臅r(shí)間，通斷一次形成一個(gè)周期，如此反復(fù)執(zhí)行，便構(gòu)成脈沖電源。

（4）脈沖上升時(shí)間：由零電位開(kāi)始施加電壓到指定的電壓值，電壓上升過(guò)程成為上升沿，一般指從脈沖幅度的10%處上升到幅度的90%處所需的時(shí)間。這個(gè)過(guò)程是電壓增大的過(guò)程。對(duì)于雙極性而言，3000V實(shí)際是由電壓±1500V兩次沖擊，上升沿以零電位至峰值計(jì)算。

（5）占空比：高電平所占周期時(shí)間與整個(gè)周期時(shí)間的比值。在一串理想的脈沖系列（如方波），正脈沖的持續(xù)時(shí)間與脈沖總周期的比值。

對(duì)于變頻電機(jī)用漆包線都要滿足在高頻脈沖下的性能測(cè)試，其主要測(cè)試原理為：在一定的測(cè)試溫度下，給待測(cè)試樣施加雙極性定值高頻方波電壓，在此電壓波形的一個(gè)周期內(nèi)，包括了一個(gè)正電平、一個(gè)負(fù)電平、一個(gè)電壓上升、一個(gè)電壓下降；在此條件下測(cè)試制成絞線對(duì)形式的試樣，直至其破壞、擊穿，具體為通過(guò)下述規(guī)定參數(shù)測(cè)試條件下的壽命應(yīng)不小于一定的電暈時(shí)間。

變頻電機(jī)用耐電暈漆包線是新發(fā)展起來(lái)的新品種，國(guó)內(nèi)外各廠家近年來(lái)都在大力開(kāi)發(fā)各種類型的耐電暈漆包線。漆包線耐電暈性能直接影響到了變頻電機(jī)的壽命，只有良好的耐電暈漆包線，才能使整機(jī)的使用達(dá)到安全、高效、耐用等指標(biāo)。對(duì)于漆包線的耐電暈測(cè)試技術(shù)包括測(cè)試溫度、測(cè)試頻率、測(cè)試電壓、脈沖上升時(shí)間、波形結(jié)構(gòu)等要素及其機(jī)理要深入研究才能制造出性能優(yōu)良的產(chǎn)品。變頻漆包線的耐電暈性能是變頻電機(jī)能否長(zhǎng)期完好安全運(yùn)行的保證，作為長(zhǎng)期在高電場(chǎng)下工作的元件，檢測(cè)漆包線的耐電暈性能高低有著重要的意義。市場(chǎng)上的耐電暈漆包線產(chǎn)品種類繁雜，耐電暈性能可能千差萬(wàn)別。目前針對(duì)漆包線耐電暈性能的國(guó)標(biāo)尚未出臺(tái)，這在產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)管上存在漏洞，希望有關(guān)方面要加快國(guó)標(biāo)的制定和推行，讓該類產(chǎn)品的檢測(cè)有據(jù)可依。

* [1]劉電霆，張聲嵐，錢三來(lái)等.變頻電機(jī)絕緣材料失效主要因素與壽命評(píng)估方法[J].絕緣材料，2011,44（5）:55-58.