董 涵，王 鵬，馬世金，顧洋豪，郭厚霖

（四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

作為動(dòng)力來(lái)源，變頻電機(jī)是驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的心臟。變頻電機(jī)定子承受高頻、快速變化的脈寬調(diào)制電壓，在定子繞組分布電感、電容的作用下，絕緣系統(tǒng)易產(chǎn)生電壓集中，當(dāng)電壓超過(guò)局部放電起始放電電壓（partial discharge inception voltage,PDIV）時(shí)，繞組中會(huì)出現(xiàn)局部放電[1-2]。在脈沖極性快速翻轉(zhuǎn)及表面電荷的作用下，放電強(qiáng)度可能達(dá)到同頻率和幅值正弦電壓的7倍以上[3]，從而加速絕緣老化，導(dǎo)致絕緣早期失效。同時(shí)，快速變化的脈寬調(diào)制電壓和高頻諧振加重了電機(jī)定子銅耗、磁滯損耗和渦流損耗，導(dǎo)致電機(jī)繞組溫度升高加速絕緣熱老化，也是引起電機(jī)絕緣早期失效的重要原因[4-5]。

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的變頻電機(jī)采用由有機(jī)絕緣和無(wú)機(jī)絕緣組成的低壓散繞結(jié)構(gòu)，部分絕緣結(jié)構(gòu)無(wú)耐電暈?zāi)芰?，?dāng)局部放電存在時(shí)，電老化將使絕緣快速失效。因此，依據(jù)國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)(IEC)提出的IEC 60034-18-41標(biāo)準(zhǔn)[6]，電機(jī)運(yùn)行前應(yīng)在正弦和脈沖電壓下測(cè)試絕緣系統(tǒng)的PDIV。具有低壓散繞繞組結(jié)構(gòu)的變頻電機(jī)局部放電可能存在于匝間、相間及對(duì)地主絕緣。聯(lián)合使用正弦及重復(fù)脈沖電壓對(duì)3種情況的PDIV進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果與電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行比較，在一定的安全裕度下，保證電機(jī)運(yùn)行電壓高于PDIV，以確保電機(jī)在整個(gè)服役期內(nèi)沒(méi)有局部放電出現(xiàn)[7]。另外，為進(jìn)一步提升電動(dòng)汽車(chē)絕緣可靠性，國(guó)內(nèi)較多變頻電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)采用耐電暈（耐局部放電）材料，以確保在一定的放電存在時(shí)，變頻電機(jī)仍可正常工作。可見(jiàn)，PDIV和耐電暈特性是評(píng)估變頻電機(jī)絕緣系統(tǒng)電性能的最重要指標(biāo)。

電機(jī)散熱是提升電動(dòng)汽車(chē)變頻電機(jī)功率密度的關(guān)鍵技術(shù)。和水冷相比，油冷技術(shù)大幅提高了冷卻效率。采用油冷替代傳統(tǒng)水冷方式已在電動(dòng)汽車(chē)中得到較多應(yīng)用，成為電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的重要方向。冷卻油本身不導(dǎo)電、不導(dǎo)磁，可直接對(duì)繞組進(jìn)行冷卻。但油冷電機(jī)需要將油液直接通入電機(jī)內(nèi)部，油液的物理和化學(xué)性能可能會(huì)對(duì)絕緣系統(tǒng)造成潛在影響。因此，在保證電機(jī)油冷散熱的同時(shí)，必須考慮油冷環(huán)境對(duì)變頻電機(jī)絕緣系統(tǒng)的影響[8]。

本文在電機(jī)冷卻油環(huán)境下，研究散繞變頻電機(jī)匝間絕緣PDIV和耐電暈特性的變化規(guī)律。首先在正弦電壓下，實(shí)驗(yàn)研究匝間絕緣在油液和溫度同時(shí)影響下的PDIV變化。然后，在重復(fù)脈沖電壓下，研究絕緣表面涂抹冷卻油液對(duì)絕緣耐電暈壽命的影響。通過(guò)對(duì)比有無(wú)油液時(shí)環(huán)境溫度對(duì)PDIV及耐電暈壽命的影響，得出冷卻油對(duì)電機(jī)性能的影響規(guī)律，并給出機(jī)理解釋。

1 測(cè)試系統(tǒng)搭建

正弦電壓下PDIV檢測(cè)平臺(tái)如圖1所示。功率放大器產(chǎn)生50 Hz正弦電壓，PDIV測(cè)試時(shí)通過(guò)調(diào)整功率放大器輸入，得到連續(xù)可調(diào)的輸出電壓。使用意大利Techimp PDBaseⅡ局放分析儀采集放電并得到統(tǒng)計(jì)特性。同時(shí)采用采樣率為16 GS/s、帶寬為2 GHz的數(shù)字示波器記錄單個(gè)放電信號(hào)的時(shí)頻特性。

圖1 正弦局部放電測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 PD test system

測(cè)試試樣由兩根長(zhǎng)度為16 cm、直徑為1.5 mm的絕緣漆包線中心交叉60°組成[9]，模擬低壓散繞繞組結(jié)構(gòu)的變頻電機(jī)匝間絕緣單點(diǎn)放電。試樣固定于溫濕度控制箱內(nèi)，一端接功率放大器的高壓輸出，另一端接地[10]。為清除試樣表面污穢和水分，試驗(yàn)前采用無(wú)水乙醇清洗試樣，并置于155℃烘箱內(nèi)烘干12 h。為避免隨機(jī)因素對(duì)測(cè)試結(jié)果造成的分散性影響，每個(gè)條件下至少測(cè)試5個(gè)試樣[11]。

采用雙極性高壓方波發(fā)生器輸出重復(fù)方波電壓，模擬變頻電機(jī)高頻脈沖環(huán)境并測(cè)試匝間絕緣的耐電暈壽命。脈沖電源輸出方波的最大峰峰值為15 kV，上升時(shí)間可調(diào)。測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示，耐電暈壽命測(cè)試過(guò)程中，采用特高頻天線結(jié)合頻域?yàn)V波監(jiān)測(cè)放電信號(hào)，并同時(shí)利用高壓探頭采集高壓脈沖作為同步信號(hào)，用于分析局部放電發(fā)生時(shí)的同步相位。為確認(rèn)放電點(diǎn)，采用紫外成像儀監(jiān)測(cè)放電位置。

圖2 高壓脈沖耐電暈測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Corona resistance test system

為提升測(cè)試靈敏度，避免高頻電力電子器件開(kāi)斷對(duì)測(cè)試結(jié)果造成干擾，試驗(yàn)前先在試樣滴油條件下測(cè)量室溫時(shí)正弦電壓下的PDIV。

在一些電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)中，變速箱油液在實(shí)現(xiàn)其潤(rùn)滑作用的同時(shí)，還可以對(duì)變頻電機(jī)內(nèi)部繞組進(jìn)行冷卻，因此試驗(yàn)采用常用的自動(dòng)變速箱油(automatic transmission fluid，ATF)滴加或涂沫在絕緣表面。然后，根據(jù)變頻電機(jī)匝間絕緣的耐熱等級(jí)（F級(jí)155 ℃），研究不同環(huán)境溫度（30、60、90、120、155 ℃）下PDIV的變化規(guī)律。接著，使用幅值為4.5 kV、上升時(shí)間為80 ns、占空比為50%的雙極性方波測(cè)試變頻電機(jī)匝間絕緣的耐電暈壽命，同時(shí)采用特高頻測(cè)試技術(shù)觀察試樣搭接點(diǎn)有無(wú)冷卻油時(shí)高壓方波下的放電統(tǒng)計(jì)特性，研究油液對(duì)電老化過(guò)程及最終絕緣壽命的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 正弦環(huán)境不同油量下的起始放電特性

當(dāng)試樣中無(wú)冷卻油液時(shí)，多次測(cè)試表明，試樣的PDIV約為1.8 kV。隨著冷卻油液的滴加，局部放電起始電壓變化曲線如圖3所示。從圖3可知，隨著油液的滴加，PDIV呈上升趨勢(shì)。滴加0.01～0.05 mL油液時(shí)，PDIV變化并不明顯，當(dāng)試樣全部浸入油液后，局部放電起始電壓上升至13.5 kV。通過(guò)采集放電數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，與無(wú)油液環(huán)境相比，滴加油液后局部放電的相位未發(fā)生明顯變化。

2.2 不同環(huán)境溫度下的起始放電特性

圖3 不同油液滴加量下的局部放電起始電壓變化曲線Fig.3 The PDIV under different oil quantity

在試樣搭接處滴加0.01 mL油液的條件下，測(cè)試環(huán)境溫度對(duì)PDIV的影響，結(jié)果如圖4所示。從圖4可知，當(dāng)試樣間氣隙受到油液影響時(shí)，PDIV較無(wú)油液條件有所上升[12]。但隨著溫度的升高，PDIV整體呈下降趨勢(shì)，油液對(duì)PDIV的影響不再顯著。

圖4 不同溫度條件下局部放電起始電壓變化曲線Fig.4 The PDIV curve under different temperature

2.3 重復(fù)方波電壓下的耐電暈壽命

在試樣接觸點(diǎn)周?chē)磕ɡ鋮s油液，使油液均勻附著在試樣表面，模擬變頻電機(jī)脈寬調(diào)制電應(yīng)力，在頻率為2 kHz、峰峰值為4.5 kV、上升時(shí)間為80 ns的雙極性重復(fù)方波電壓下，測(cè)試匝間絕緣的耐電暈壽命。并采用阿基米德平面螺旋天線，結(jié)合頻域硬件濾波方法，記錄高頻方波電壓下的局部放電。改變環(huán)境溫度，記錄油液條件下環(huán)境溫度變化對(duì)放電統(tǒng)計(jì)特性及耐電暈壽命的影響。以上測(cè)試均與無(wú)冷卻油環(huán)境進(jìn)行對(duì)比，以研究油液對(duì)絕緣耐電暈壽命和放電統(tǒng)計(jì)特性的影響。在有、無(wú)油液環(huán)境下匝間絕緣的耐電暈壽命統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，溫度較低時(shí)（＜120℃），匝間絕緣表面涂抹油液后的耐電暈壽命下降。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到120℃以上時(shí)，絕緣表面存在的少量油液對(duì)耐電暈壽命無(wú)明顯影響。圖6為155℃下（F級(jí)絕緣）有、無(wú)油液時(shí)試樣擊穿后，使用光學(xué)顯微鏡觀察得到的接觸點(diǎn)放電腐蝕和擊穿狀態(tài)。從圖6中可以看出，當(dāng)絕緣表面涂抹有少量油液時(shí)，表面腐蝕程度較空氣中放電更為集中，說(shuō)明表面油液加入可能會(huì)改變放電過(guò)程對(duì)絕緣表面的電老化過(guò)程。

圖5 不同環(huán)境溫度下的耐電暈壽命Fig.5 Endurance under different temperatures

圖6 搭接點(diǎn)表面腐蝕及擊穿特性Fig.6 Characteristic of breakdown points

試驗(yàn)中同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)絕緣材料表面涂抹較多冷卻油，使放電點(diǎn)幾乎浸入油中時(shí)，如果局部放電仍存在，此時(shí)試樣耐電暈壽命達(dá)到無(wú)油液和少量油液的4倍以上。這是因?yàn)榇藭r(shí)絕緣表面大部分被油覆蓋，從而抑制了大部分放電發(fā)生。

2.4 不同溫度下冷卻油對(duì)放電統(tǒng)計(jì)特性的影響

在有、無(wú)油液條件下，環(huán)境溫度為30℃和155℃時(shí)，試樣的放電統(tǒng)計(jì)特性如圖7所示。從圖7可知，在重復(fù)方波電壓下，溫度變化對(duì)放電特性的影響顯著。為便于分析不同溫度環(huán)境下的放電特性，分別記錄局部放電數(shù)據(jù)，不同試驗(yàn)記錄1 000個(gè)周期，當(dāng)溫度從30℃至155℃變化時(shí)，放電數(shù)量及放電在上升沿和下降沿處的占比如表1所示。從表1可知，隨著溫度的升高，較多比例放電出現(xiàn)在上升沿和下降沿后20 μs內(nèi)，且溫度越高，放電出現(xiàn)的相位延遲越大。

圖7 有無(wú)油液下典型PRPD圖Fig.7 PRPD patterns with and without cooling oil

通過(guò)圖7及表1總結(jié)得出：①較無(wú)油液情況下，油液的加入會(huì)使放電特性改變，放電相位延遲增大；②隨著溫度的升高，更多放電發(fā)生在上升沿和下降沿后，且幅值明顯升高。

表1 放電特性隨溫度變化統(tǒng)計(jì)Tab.1 PD features at different temperatures

3 油液對(duì)絕緣性能影響機(jī)理分析

冷卻油對(duì)變頻電機(jī)匝間絕緣電性能的影響主要從兩個(gè)方面分析：PDIV和耐電暈性能的變化，分別代表流注放電的起始以及放電對(duì)絕緣的電老化影響。

流注放電的產(chǎn)生需滿足以下條件：①氣隙內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)局部放電起始電場(chǎng)；②出現(xiàn)激發(fā)電子崩的初始電子[13-15]。根據(jù)巴申定律，放電位置應(yīng)發(fā)生在試樣接觸點(diǎn)的外側(cè)，與接觸位置有一定距離[16]。因此，在放電腐蝕作用下，絕緣最終擊穿點(diǎn)也應(yīng)位于放電點(diǎn)附近。采用高精度顯微鏡記錄的放電腐蝕和擊穿試樣如圖8所示。

圖8 試樣擊穿點(diǎn)狀態(tài)Fig.8 The breakdown and erosion location

從圖8可知，在漆包線接觸點(diǎn)附近，自由電子行程達(dá)不到激發(fā)電子崩和流注放電條件，因此放電電老化腐蝕和最終擊穿區(qū)域位于試樣接觸點(diǎn)外側(cè)一定范圍內(nèi)。

3.1 油液及溫度對(duì)PDIV的影響機(jī)理分析

匝間絕緣氣隙中油液的加入會(huì)填充試樣接觸處的氣隙，如圖9所示，從而在氣隙處不易發(fā)生放電，較大提升了PDIV，得到圖3的結(jié)果，即室溫下隨著油滴的加入，PDIV呈逐漸升高的趨勢(shì)。從圖3中也注意到，當(dāng)?shù)斡土看笥?.05 mL時(shí)，試樣氣隙外側(cè)大部分已被油浸，因此較難出現(xiàn)放電，此時(shí)PDIV大幅升高。

圖9 油液滴加后試樣狀態(tài)Fig.9 Sample condition after dropping oil

然而，隨著溫度的升高，絕緣氣隙內(nèi)的油液黏度下降，油液會(huì)沿絕緣材料表面擴(kuò)散，改變絕緣氣隙形狀，交界處部分油滴失去填充作用，因此得到圖4結(jié)果，即隨著溫度升高，PDIV逐漸降低。另外，在沒(méi)有油滴填充條件下，溫度升高有利于電子崩過(guò)程發(fā)射初始電子，更易滿足流注放電的第2個(gè)條件，放電更易發(fā)生。

3.2 油液對(duì)局部放電特性及耐電暈壽命的影響

隨著溫度升高，放電發(fā)生后熱老化作用加劇，絕緣的耐電暈壽命逐漸下降。本研究中在有油和無(wú)油條件下，隨著溫度的升高，匝間絕緣的耐電暈壽命都逐漸下降，這一變化趨勢(shì)與其他研究結(jié)果一致[17-19]。

從圖7可知，絕緣表面附著油液后，放電可能由單點(diǎn)放電變?yōu)辄c(diǎn)面放電，與無(wú)油狀態(tài)相比，上升沿和下降沿后出現(xiàn)了更多放電。但隨著溫度升高，一方面油滴由于溫度上升，黏度下降后發(fā)生擴(kuò)散，更多絕緣暴露在空氣中；另一方面，相對(duì)于油液環(huán)境影響，放電過(guò)程中環(huán)境溫度對(duì)電老化起到更加重要的作用。

4 結(jié)論

在正弦和重復(fù)脈沖電壓下，實(shí)驗(yàn)研究了冷卻油環(huán)境對(duì)散繞電機(jī)匝間絕緣PDIV和耐電暈性能的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）室溫環(huán)境下，較無(wú)油液環(huán)境，滴油及浸油環(huán)境，變頻電機(jī)匝間絕緣的PDIV顯著提高；油液環(huán)境下，溫度升高時(shí)PDIV呈先上升后下降的趨勢(shì)，但均高于無(wú)油條件下的PDIV。

（2）絕緣表面受少量油液污染情況下，油液對(duì)絕緣耐電暈壽命的影響受環(huán)境溫度的影響較大，溫度升高時(shí)表面油液對(duì)耐電暈壽命的影響作用減弱。

（3）冷卻油在增加低壓散繞電機(jī)絕緣繞組散熱能力的同時(shí)，可顯著提升PDIV，客觀上提升了高頻脈沖電壓下變頻電機(jī)絕緣的電性能。