李欣潞，王 鵬，趙文煥，張一睿，陳逸雯，劉玥琳

（四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

隨著電力電子技術(shù)和新能源行業(yè)的發(fā)展，逆變器驅(qū)動的變頻電機(jī)應(yīng)用日益廣泛，已成為當(dāng)代電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的主流[1-3]。然而，逆變器輸出的高頻脈沖使變頻電機(jī)絕緣系統(tǒng)工作環(huán)境發(fā)生了根本改變，絕緣過早失效現(xiàn)象時有發(fā)生[4]，其中繞組匝間絕緣破壞概率較高[5]。針對變頻電機(jī)絕緣系統(tǒng)過早失效的現(xiàn)象，國際電工技術(shù)委員會制定了IEC 60034-18-41:2014[6]及IEC 60034-18-42:2017[7]標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中指出變頻電機(jī)投運前應(yīng)對其絕緣系統(tǒng)進(jìn)行PDIV 及耐電暈測試，以評價逆變器工作環(huán)境下電機(jī)的絕緣性能[8]。

在電力電子驅(qū)動場合，常產(chǎn)生直流分量，如由于三態(tài)滯環(huán)控制逆變器基準(zhǔn)正弦波的直流分量、控制電路中運算放大器的零點漂移、開關(guān)管本身及其驅(qū)動電路不一致等原因，逆變器輸出電壓常產(chǎn)生直流分量[9]；功率器件特性差異、門極驅(qū)動電路不對稱、電流傳感器的測量誤差以及信號調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置引入的直流偏差等也將導(dǎo)致輸出電壓產(chǎn)生直流分量[10]；電力系統(tǒng)中電力電子設(shè)備的廣泛使用導(dǎo)致變頻電機(jī)實際承受的電壓并非純交流電壓，還伴隨一定直流分量。另外，在對絕緣進(jìn)行型式試驗和驗收性試驗時，常采用單極性含有直流分量的脈沖波形進(jìn)行PDIV 和耐電暈壽命測試，如GB/T 22720.2—2019/1EC 60034-18-42：2017 規(guī)定匝間絕緣老化施加電壓主要參數(shù)為沖擊電壓重復(fù)率、電壓幅值及沖擊電壓上升時間，規(guī)定試驗在已知特定工況下最大峰-峰電壓時選擇最嚴(yán)酷情況下的匝間電應(yīng)力[11]。然而，國際及國家標(biāo)準(zhǔn)都并未對測試施加直流偏置量作相關(guān)規(guī)定?？梢姡u估直流分量對絕緣電性能測試的影響對解釋測試結(jié)果、選擇合適的電應(yīng)力也較為重要。

事實上，有研究表明，直流偏置電壓對絕緣結(jié)構(gòu)老化有顯著影響。文獻(xiàn)[12]通過對直流電壓下局部放電波形測試與分析，研究了直流電壓下絕緣材料的局部放電特性；文獻(xiàn)[13-14]對比分析了直流與交流電壓下局部放電的幅值與頻域分布；文獻(xiàn)[15-16]研究表明交流電壓疊加直流電壓及交直流電壓比例對絕緣放電特性和壽命均有影響。有理由推測，直流偏置電壓將可能影響變頻電機(jī)匝間絕緣局部放電起始電壓及絕緣壽命。然而，現(xiàn)有對于直流分量對局部放電影響的研究較少，有關(guān)直流分量對局部放電影響的具體表現(xiàn)和反應(yīng)機(jī)理尚不明確[17]，國際及國家標(biāo)準(zhǔn)也缺乏對變頻電機(jī)匝間絕緣檢測方法及測試標(biāo)準(zhǔn)中直流偏置電壓的規(guī)定。因此，為提高變頻電機(jī)絕緣評估的準(zhǔn)確性和有效性，研究直流偏置電壓對變頻電機(jī)匝間絕緣局部放電起始電壓及絕緣壽命的影響具有重要意義。

1 試驗平臺

1.1 試樣及電極結(jié)構(gòu)

聚酰亞胺因具有良好的力學(xué)、耐高溫和耐化學(xué)腐蝕性能，在變頻電機(jī)匝間絕緣中得到廣泛應(yīng)用[18]。以下面3種形式模擬變頻電機(jī)匝間絕緣：

（1）絞線對：繞制絞線對所用漆包線選用國標(biāo)T2 無氧銅線，絕緣層材料為聚酰亞胺，厚度為0.03～0.05 mm，耐熱級別為180 級，漆包線直徑為0.70 mm，每個絞線對均繞制15 匝。測試時將其中一根線接高壓，另一根線接地電位，如圖1所示。

圖1 絞線對試樣Fig.1 Enameled wire sample

（2）球-板結(jié)構(gòu)：由球-板電極和一層聚酰亞胺薄膜組成。聚酰亞胺薄膜厚度為0.045 mm，尺寸為20 mm×20 mm。測試采用球-板電極，模擬切向和法向電場作用。將直徑為15 mm 的球形電極接高壓，直徑為40 mm 的平板電極接地電位，如圖2所示。

圖2 球-板電極Fig.2 Sphere-to-plane electrodes

（3）單點接觸交叉線：制作交叉線所用漆包線選用國標(biāo)T2 無氧銅線，絕緣層材料為聚酰亞胺，厚度為0.03～0.05 mm，耐高溫180℃，漆包線直徑為0.70 mm，兩線長度均為10 cm，呈60°夾角。測試時將其中一根線接高壓，另一根線接地電位，如圖3所示。

圖3 單點接觸交叉線試樣Fig.3 Single point contacted cross line sample

每次試驗前均用無水酒精擦拭以上試樣表面，并將試樣放置在100℃真空干燥箱內(nèi)處理30 min，以排除試樣表面可能存在的水分和污漬的干擾。

1.2 測試平臺及測試過程

1.2.1 局部放電起始電壓測試

局部放電起始電壓測試系統(tǒng)如圖4 所示，測試系統(tǒng)主要包括信號發(fā)生器、功率放大器（TREK 30/20）、局放分析儀PD-Base、水電阻、高壓探頭、特高頻天線、高通濾波器、高速數(shù)字示波器（Lec‐roy960Pro）等。測試時，由信號發(fā)生器產(chǎn)生帶有相應(yīng)直流分量的正弦電壓，通過功率放大器放大3 000倍，經(jīng)起保護(hù)作用的水電阻施加在試樣上，并通過高壓探頭以1 000∶1 的分壓比輸出信號至數(shù)字示波器，同時，通過PD-Base獲取局部放電信號并獲得放電相位統(tǒng)計特性。

圖4 局部放電起始電壓測試系統(tǒng)Fig.4 PDIV test system

1.2.2 絕緣壽命測試

匝間絕緣模型、聚酰亞胺絕緣壽命測試系統(tǒng)如圖5所示，測試系統(tǒng)主要包括重復(fù)方波電源、五路保護(hù)計時器、高壓探頭、特高頻天線、高通濾波器、高速數(shù)字示波器（Lecroy960Pro）等。測試時，由重復(fù)方波電源產(chǎn)生帶有相應(yīng)直流分量的高頻脈沖電壓，經(jīng)過五路保護(hù)計時器施加在試樣上，并通過高壓探頭以1 000∶1 的分壓比輸出信號至數(shù)字示波器，同時，通過特高頻天線接收局部放電信號，經(jīng)濾波處理后接入數(shù)字示波器，實時觀察局部放電與電源同步信號。當(dāng)某路試樣發(fā)生擊穿時，五路保護(hù)器過流保護(hù)瞬間啟動，斷開該路高壓輸出的同時記錄其絕緣壽命。

圖5 絕緣壽命測試系統(tǒng)Fig.5 Insulation lifetime test system

1.2.3 PD特性測試

PD 特性測試系統(tǒng)如圖6 所示，測試系統(tǒng)主要包括重復(fù)方波電源、高壓探頭、特高頻天線、高通濾波器、高速數(shù)字示波器（Lecroy960Pro）等。測試時，由重復(fù)方波電源產(chǎn)生帶有相應(yīng)直流分量的高頻脈沖電壓，施加在單點接觸交叉線試樣的其中一根上，另一根接地電位，并通過高壓探頭以1 000∶1 的分壓比輸出信號至數(shù)字示波器，同時，通過特高頻天線接收局部放電信號，經(jīng)濾波處理后接入數(shù)字示波器，實時觀察并保存局部放電與電源同步信號。

圖6 PD特性測試系統(tǒng)Fig.6 PD characteristics test system

2 試驗結(jié)果

2.1 正弦電壓下直流偏置電壓對匝間絕緣模型及聚酰亞胺PDIV的影響

為排除試驗偶然性，保持溫度為27℃，濕度為70%，每組條件重復(fù)測試5 次。測試時，分別以0、+1 000、-1 000、+1 750、-1 750 V 直流分量為基礎(chǔ)，緩慢增加50 Hz 正弦交流分量，直到在PD-Base 系統(tǒng)上首次觀察到局部放電，匝間絕緣模型和聚酰亞胺的局部放電特性分別如圖7、圖8所示。

圖8 聚酰亞胺PD特性Fig.8 PD characteristics of polyimide

記錄此時示波器上顯示的電壓峰峰值即PDIV，匝間絕緣模型PDIV 測試結(jié)果如圖9 所示，聚酰亞胺PDIV 測試結(jié)果如圖10 所示。從圖7～10 可以看出，匝間絕緣模型及聚酰亞胺薄膜在不同直流偏置電壓下首次局部放電均發(fā)生在電壓極性反轉(zhuǎn)后的幅值上升階段，且其放電圖譜在一、三象限呈現(xiàn)“龜背”模式，分布較為對稱。直流偏置電壓對匝間絕緣模型PDIV 幅值和分散性均無顯著影響，而施加+1 000、-1 000、+1 750、-1 750 V 直流偏置電壓使聚酰亞胺PDIV 幅值相比不施加直流偏置電壓的情況降低30%左右，分散性顯著減小。

圖7 匝間絕緣模型PD特性Fig.7 PD characteristics of turn to turn insulation model

圖9 匝間絕緣模型PDIVFig.9 PDIV of turn to turn insulation model

圖10 聚酰亞胺PDIVFig.10 PDIV of polyimide

2.2 重復(fù)方波電壓下直流偏置電壓對匝間絕緣模型及聚酰亞胺絕緣壽命的影響

為排除試驗偶然性，保持溫度為27℃，濕度為70%，每組條件重復(fù)測試5 次。測試時，分別以0、+1 000、-1 000、+1 750、-1 750 V 直流分量為基礎(chǔ)，疊加峰峰值為3 500 V、頻率為3 kHz、上升時間為100 ns 的重復(fù)方波交流分量，實際所得重復(fù)方波電壓如圖11 所示。通過數(shù)字示波器實時同步觀察電源電壓與特高頻天線采集的局部放電信號，在重復(fù)方波電壓上升沿和下降沿均可觀察到強(qiáng)烈的局部放電。施加測試電壓的同時啟動五路保護(hù)計時器，試樣擊穿瞬間，五路保護(hù)計時器自動切斷該路并記錄絕緣壽命。匝間絕緣模型絕緣壽命如圖12所示，聚酰亞胺絕緣壽命如圖13 所示。從圖12～13 可以看出，匝間絕緣模型施加+1 000 V、-1 000 V 直流偏置電壓時絕緣壽命略有減少，施加+1 750 V、-1 750 V 直流偏置電壓時絕緣壽命略有增加；聚酰亞胺薄膜施加+1 000、-1 000、-1 750 V 直流偏置電壓時絕緣壽命略有減少，施加+1 750 V 直流偏置電壓時絕緣壽命略有增加。但匝間絕緣模型與聚酰亞胺絕緣壽命在不同直流偏置電壓條件下相差不大，且+1 000、-1 000、+1 750、-1 750 V 直流偏置電壓對匝間絕緣模型與聚酰亞胺絕緣壽命的影響未呈現(xiàn)較為明顯的規(guī)律。

圖11 重復(fù)方波電壓Fig.11 Repetitive square voltages

圖12 匝間絕緣模型絕緣壽命Fig.12 Insulation lifetime of turn to turn insulation model

圖13 聚酰亞胺絕緣壽命Fig.13 Insulation lifetime of polyimide

2.3 重復(fù)方波電壓下單點接觸交叉線的PD 特性測試

對單點接觸交叉線施加2.2 節(jié)相同的重復(fù)方波電壓，通過數(shù)字示波器實時同步觀察電源電壓與特高頻天線采集的局部放電信號，在重復(fù)方波電壓上升沿和下降沿均可觀察到強(qiáng)烈的局部放電。在觀察到試樣出現(xiàn)局部放電2 min 后開始保存數(shù)據(jù)，以確保局部放電特性已趨于穩(wěn)定。每種電壓條件下均連續(xù)采集30 組局部放電數(shù)據(jù)，提取每組數(shù)據(jù)中局部放電幅值絕對值最大點，所得單點接觸交叉線PD幅值如圖14 所示。從圖14 可以看出，不同直流偏置電壓下單點接觸交叉線PD 幅值均在0.1～0.2 V，+1 000 V、-1 000 V 直流偏置電壓下單點接觸交叉線PD幅值稍高，但總體相差不大。

圖14 單點接觸交叉線PD幅值Fig.14 PD amplitude of single point contacted cross lines

3 討論分析

3.1 理論分析及仿真

兩種試樣的絕緣系統(tǒng)均為聚酰亞胺-氣隙絕緣。氣隙絕緣中產(chǎn)生局部放電應(yīng)同時滿足：①放電處的瞬時電場強(qiáng)度超過局部放電起始放電強(qiáng)度；②出現(xiàn)初始電子激發(fā)的電子崩[19]。激發(fā)局部放電的初始電子產(chǎn)生機(jī)制主要分為體積過程和表面過程。體積發(fā)射?e主要取決于式（1）。

式（1）中：p為氣體壓強(qiáng)；Veff為氣體有效體積；ηi主要取決于氣體種類和電場強(qiáng)度；(1 -)為Legler 函數(shù)[20]，它描述了單個電子發(fā)展成電子崩的概率，在局部放電情況下，Legler函數(shù)可被假定為1。表面發(fā)射主要來自陰極導(dǎo)體的場致發(fā)射、絕緣體表面陷阱釋放、離子沖擊釋放，以及導(dǎo)體和絕緣表面的表面光效應(yīng)[21]。

依據(jù)試樣實際材料和尺寸使用COMSOL 軟件分別對匝間絕緣模型及球-板電極建模，并在電極上設(shè)置分別以不同直流偏置電壓疊加相應(yīng)實驗測定的局部放電起始電壓，以模擬試驗中試樣所承受的電壓條件。通過有限元分析仿真，得到匝間絕緣模型、球-板電極模型的電場強(qiáng)度分布圖，并導(dǎo)出兩種電極表面電場強(qiáng)度數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果如圖15～18所示。結(jié)果表明，電極表面電場強(qiáng)度最大值不超過108V/m，低于導(dǎo)體強(qiáng)電場發(fā)射條件。因此，兩種模型局部放電初始電子均主要來源于氣隙中空氣電離和自由離子。

圖15 匝間絕緣模型接觸點附近場強(qiáng)Fig.15 Electric field intensity around the contacted point of turn to turn insulation model

圖16 匝間絕緣模型電場強(qiáng)度仿真結(jié)果Fig.16 Simulation result of electric field intensity of turn to turn insulation model

圖17 球-板電極接觸點附近場強(qiáng)Fig.17 Electric field intensity around the contacted point of sphere-to-plane electrodes

圖18 球-板電極電場強(qiáng)度仿真結(jié)果Fig.18 Simulation result of electric field intensity of sphere-to-plane electrodes

3.2 直流偏置電壓對球-板電極下聚酰亞胺PDIV的影響機(jī)理

在不施加直流偏置電壓的情況下測試正弦電壓下聚酰亞胺薄膜的PDIV，外加電壓峰峰值Vpp約為2.1 kV 時首次檢測到局部放電，而施加直流偏置電壓導(dǎo)致薄膜的PDIV明顯降低。

在+1 000 V直流偏置電壓下測試PDIV，即先將電壓抬高至+1 000 V 直流電平，再緩慢增加疊加的正弦分量。此過程中，施加在試樣上的電壓長時間保持正極性，產(chǎn)生電場E0，該電場使兩電極上感應(yīng)出一定數(shù)量相同電性的電荷，產(chǎn)生同向電場Eq，對外施電場E0起增強(qiáng)作用，使得絕緣承受更大的電場強(qiáng)度[22]，如圖19 所示。因此，氣隙絕緣中更容易激發(fā)初始電子，引發(fā)電子崩，從而使聚酰亞胺薄膜的PIDV降低。

圖19 球-板電極模型場強(qiáng)分析Fig.19 Electric strength analysis of sphere-to-plane electrode model

施加-1 000、+1 750、-1 750 V 直流偏置電壓對聚酰亞胺PDIV降低作用機(jī)理與上述相似。

3.3 直流偏置電壓對匝間絕緣模型PDIV 的影響機(jī)理

由于絕緣層和氣隙厚度遠(yuǎn)小于漆包線直徑，匝間絕緣模型局部可抽象為“金屬-絕緣層-氣隙-絕緣層-金屬”的結(jié)構(gòu)模型[23]。

在測試正弦電壓下匝間絕緣模型的PDIV 時，與不疊加直流分量相比，施加+1 000、-1 000、+1 750、-1 750 V 直流偏置電壓均會使兩電極上感應(yīng)出一定數(shù)量相同電性的電荷，產(chǎn)生同向電場Eq，對外施電場E0起增強(qiáng)作用，使氣隙絕緣承受更大電場強(qiáng)度，如圖20所示。

圖20 匝間絕緣局部模型場強(qiáng)分析Fig.20 Electric strength of turn to turn insulation model

除電場強(qiáng)度外，局部放電特性還很大程度上依賴于氣隙位置和尺寸[24]。考慮公式（1），匝間絕緣模型中氣體有效體積Veff較小，削弱了與電場強(qiáng)度有關(guān)的參數(shù)ηi對體積發(fā)射的影響。綜合上述兩個因素影響，導(dǎo)致匝間絕緣模型的PDIV無明顯變化。

3.4 直流偏置電壓對絕緣壽命的影響

在不同直流偏置電壓下測試絕緣壽命，發(fā)現(xiàn)試樣絕緣壽命有一定程度的變化，但與直流偏置電壓的幅值及正負(fù)均無明顯的對應(yīng)關(guān)系，難以證明絕緣壽命與直流偏置電壓有關(guān)。

絕緣壽命主要和放電過程相關(guān)，為了進(jìn)一步探究直流偏置電壓對絕緣壽命的影響機(jī)理，利用PD特性測試系統(tǒng)測試單點接觸交叉線試樣在不同直流偏置電壓下的PD 特性。由于較高幅值的放電更容易促進(jìn)局部溫升及聚酰亞胺分子鏈斷裂[25]，從而導(dǎo)致絕緣壽命降低，該測試結(jié)果與兩種絕緣模型壽命測試結(jié)果基本吻合，且與匝間絕緣模型壽命測試結(jié)果更為接近，可以驗證壽命測試結(jié)果并對絕緣壽命的分布進(jìn)行解釋。然而，直流偏置電壓對PD 特性的影響仍無明顯規(guī)律，由此推斷施加直流偏置電壓對絕緣壽命無顯著影響。

此外，匝間絕緣模型與球-板電極模型下聚酰亞胺的絕緣壽命呈現(xiàn)出不同的分布規(guī)律，說明電極結(jié)構(gòu)對壽命測試結(jié)果有顯著影響。

4 結(jié)論

利用設(shè)計的檢測系統(tǒng)，通過不同直流偏置電壓下匝間絕緣模型及聚酰亞胺試樣局部放電起始電壓及絕緣壽命測試，根據(jù)放電機(jī)理給出可能的理論解釋，可以得到以下結(jié)論：

（1）對于匝間絕緣模型，施加直流偏置電壓對局部放電起始電壓及其絕緣壽命無顯著影響。

（2）對于聚酰亞胺，施加直流偏置電壓使其局部放電起始電壓明顯降低，降低幅度約為30%。直流偏置電壓對其絕緣壽命無顯著影響。

（3）電極結(jié)構(gòu)對局部放電起始電壓、放電特性及絕緣壽命有明顯影響，聚酰亞胺材料在具有對稱電極結(jié)構(gòu)的匝間絕緣模型與非對稱電極結(jié)構(gòu)球-板電極模型表現(xiàn)出不同的絕緣特性。

在對變頻電機(jī)進(jìn)行絕緣評估時，應(yīng)綜合考慮直流偏置電壓對局部放電起始電壓及絕緣壽命的影響，同時關(guān)注測試所用電極結(jié)構(gòu)對測試結(jié)果的影響，方能提高評估的準(zhǔn)確性和有效性。