局部放电作用对变频电机匝间纳米复合绝缘的损伤机理研究

罗 杨 吴广宁 刘继午 朱光亚 彭 佳 曹开江 张依强

（西南交通大学电气工程学院 成都 610031）

1 引言

变频电机具有控制方便、节能等优势，已在高速铁路、舰船、家电等众多领域得到了广泛应用[1,2]。变频调速牵引电机是交流传动电力机车的关键部件之一，其性能直接影响到高速机车运行的稳定性和可靠性。变频调速牵引电机一般采用脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）驱动技术，输出的PWM 电压具有上升沿陡、频率高等特点。大量研究表明，因过电压引起电机绕组匝间绝缘产生的强烈局部放电（Partial Discharge，PD）是导致变频调速牵引电机绝缘破坏的主要原因[3-7]；变频调速牵引电机因介质损耗、铜损、铁心损耗及电机体积被有限空间限制等因素，导致电机内部局部温升过高，加速绝缘降解[8]；同时，PWM 电压的高频特性使电机绝缘长期承受电机械疲劳，降低了变频电机的绝缘性能[9]。传统电机的绝缘体系设计原则已不适用于变频电机，同时其绝缘破坏机理与传统电机亦有不同。因此，研究变频电机绝缘损伤机理有助于完善变频电机绝缘结构设计理论，从而延长变频电机的使用寿命，提高高速机车的安全性。

目前，对变频电机绝缘老化过程及损伤机理研究大多是从电气参数出发，分析局部放电、空间电荷、介质损耗等电气参量与绝缘老化的关联性，然而，对于电机绝缘材料本身在老化过程中的微观结构及形貌演化过程却鲜有报道。将无机纳米颗粒均匀添加到聚合物基体中，可显著提高绝缘介质的电气性能[10-14]，DuPont KAPTON 100CR 薄膜由聚酰亚胺（Polyimide，PI）和无机纳米填充物复合而成，其长期安全工作温度为200℃，最高分解温度超过500℃。本文以变频调速牵引电机匝绝缘广泛采用的DuPont KAPTON 100CR 为研究对象，根据IEC60034—18—42 标准制作电机匝绝缘试样，在双极性连续方波脉冲电压下对试样进行老化试验，测试不同老化试样的局部放电参量，采用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）分析变频电机匝间纳米复合绝缘的微观形貌演变过程，探寻绝缘介质损伤机理。

2 试验

2.1 试样

根据IEC60034—18—42 标准制作匝绝缘试样，其绝缘材料和制作工艺与实际牵引电机绝缘系统相同，试样由株洲电力机车厂提供。

试样整体外观如图1所示，电磁线以DuPont KAPTON 100CR 薄膜2/3 叠包绝缘，匝绝缘厚度约为 0.21mm，两根电磁线外绝缘首先用少胶云母带交替半叠包两次，然后再用无碱玻璃丝带平包一次。两根电磁线并行长度为90mm，两端夹角为45°，折弯部分长度为80mm，其中裸铜线部分长30mm，最后采用200 级无溶剂浸渍漆将试样整体真空压力浸渍。试样电容约为40pF。

图1 匝绝缘试样结构Fig.1 Structure of turn insulation sample

2.2 试验电压

IEC60034—18—42 标准建议可采用双极性或单极性连续方波脉冲电压代替PWM 电压对绝缘试样进行试验。本文采用实验室自制的双极性连续方波脉冲电源对试样进行老化[15]。

在进行老化试验之前，首先将试样置于烘箱内干燥3h，烘箱温度调节为100℃。由于试样局部放电起始电压（PD Inception Voltage，PDIV）为1 200V，因此本文试验老化电压为幅值1 750V，频率为10kHz，上升沿时间为1μs；试验环境温度为130℃。同时对15 组试样进行老化，每组3 个试样，老化周期为10h。一个老化周期完成后取出一组试样，并分别对试样进行微观形貌观察及局部放电测试，其余试样继续老化直至寿命终结，试样寿命约为120h。

2.3 局部放电测量

局部放电测量和分析可有效发现其他试验手段难以发现的局部绝缘缺陷[16,17]。双极性连续方波脉冲电压下的局部放电测试系统如图2所示，局部放电测试环境与试样老化环境一致。

图2 局部放电测试框图Fig.2 Schematic diagram of PD test

局部放电信号采用高频NiZn 铁氧体铁心传感器耦合，R为积分电阻；电源电压信号采用衰减系数为1/1 000 的高压差分探头采集，采用TEKtronix TDS 3032B 双通道示波器同时记录局部放电信号和方波脉冲电压信号；之后基于IEEE 488.2 协议，利用外设部件互连标准（Peripheral Component Interconnect，PCI）的通用接口总线（General Purpose Interface Bus，GPIB）数据传输卡，将高速数字示波器的局部放电数据实时传输到计算机保存；最后利用时域阈值、极性辨别算法及相位窗脉冲提取技术，对局部放电信号进行干扰抑制、提取及统计分析[18-20]。

由于高频方波脉冲电源具有极陡上升沿(高dV/dt)，传感器耦合的局部放电信号包含了大量的干扰信号成分，因此，为准确分析介质的局部放电特性，需对原始局部放电信号进行处理。图3为单个周期内的局部放电原始信号及其降噪滤波过程。为提高采样率，降低采样点数，测试中采用峰峰采样方式得到图3a 中原始放电波形；选取Matlab 工具箱中的Smy4 小波包分解混合信号，并选取适当阀值去除白噪声，重构信号后得到的波形如图3b 所示；因高通滤波器输出为高频振荡脉冲，因此选定适当相位窗后得到的放电在单个窗口内应为正负峰值，据此可认定图3c 中的单极性干扰脉冲，并加以剔除；采用相位开窗方法提取相位窗50 个点内最大值作为一次放电，单周期处理结果如图3d 所示。

图3 局部放电信号提取Fig.3 Signal extraction of PDs

2.4 SEM分析

采用Feisirion 扫描电子显微镜观察不同老化程度匝绝缘试样的表面形貌，分析表面微观结构随老化时间的变化规律；并观察了绝缘失效后试样击穿点及其附近的微观结构形貌。

3 试验结果

3.1 局部放电统计

局部放电行为与绝缘试样老化程度休戚相关。匝绝缘放电数量和放电幅值与老化时间的关系如图4所示。随着老化时间的延长，平均放电量和放电次数呈现出先降低、后增加、再降低、增加的非线性变化规律，但是对整个老化阶段而言，放电量和放电次数均表现出增加趋势，并且在老化后期（老化90h时），其值迅速增加，最终导致绝缘失效。

图4 匝绝缘放电次数和平均放电幅值与老化时间的关系Fig.4 Relationship between PD number,PD amplitude value and aging time

3.2 扫描电镜图像

为了分析局部放电老化对匝绝缘试样表面微观结构形貌演化的影响，探寻匝间绝缘的微观损伤过程，试验过程中，将经过不同周期老化的匝绝缘试样分解，并采用SEM 观察试样表面的微观结构变化。

图5为匝间绝缘表面未老化及老化之后的微观形貌图，从图5a 中可以出看出，未老化的试样表面较为平整，图中连续深色相为聚酰亚胺基体、白色点状颗粒为纳米填充物，由图可知，复合物中纳米颗粒具有较好的分散性。试样老化20h 后，在绝缘表面出现许多尺寸不一的凹坑，在凹坑内部分布有微小的纳米颗粒，如图5b 所示。老化过程中，局部放电持续作用于绝缘介质表面某点，使该点的有机相炭化并挥发，从而形成凹坑，由于各点处的放电能量及放电次数不同，因此放电对有机相的腐蚀程度不同，造成凹坑尺寸各异。凹坑周围的光圈主要是由于局部放电作用沿凹坑中心点向外辐射而逐渐减弱，使凹坑外围有机物炭化而形成光斑。凹坑内部分布的纳米尺寸颗粒是由于有机相被腐蚀后，纳米填充物逐渐析出并残留在凹坑内，如图5b 所示。随着老化的进行，匝绝缘试样表层的有机相腐蚀加剧，凹坑尺寸逐渐增大，相邻凹坑开始合并、消失，残留在绝缘介质表面的无机物颗粒逐渐增多，出现大量的微小颗粒，如图5c 所示。当匝绝缘试样老化100h 后，绝缘表面的平整性完全被破坏，绝缘腐蚀深度增加，残留无机纳米颗粒聚集形成大尺寸团絮物，同时由于有机相大量降解，使绝缘表面形成许多微小孔洞，如图5d 所示。孔洞促使局部放电作用增强，放电路径逐渐向介质内部发展，加速绝缘降解。这种微观结构的出现表明绝缘介质损伤严重，在局部放电作用下，孔洞迅速向介质内部发展并最终导致绝缘击穿。

图5 匝间绝缘表面的扫描电镜图Fig.5 SEM surface images of turn insulation

对老化100h 的匝绝缘试样介质表面团絮物进行能谱分析，如图6所示，发现其中含有大量的Al元素，由此推断无机填充物可能的存在形式为Al2O3[21]；同时较少的C 元素表明此时有机相炭化严重，已生成气体挥发。

图6 团絮物的能谱分析（老化100h）Fig.6 Energy spectrum analysis of floccules(aging for 100 hours)

为了对比分析局部放电对纳米聚酰亚胺薄膜和纯聚酰亚胺薄膜损伤作用，本文在相同的试验条件下对纯聚酰亚胺薄膜进行老化，并观测了纯聚酰亚胺薄膜在老化前后的SEM 微观图像，如图7所示，纯聚酰亚胺薄膜的绝缘寿命为8h。从图7a 中可知，未老化的纯聚酰亚胺薄膜表面平整，基体颜色分布比较均匀。随着老化的进行，局部放电产生，并逐步侵蚀介质表面。当介质老化2h，纯聚酰亚胺薄膜表面出现炭化斑点，介质表面的平整性逐渐被破坏，如图7b 所示；老化4h 后，纯聚酰亚胺的绝缘损伤逐渐加强，表面不规整的炭化斑点增多，如图 7c所示，当介质老化6h 后，在介质表面出现大量的网状沟壑及孔洞，如图7d 所示，局部放电对纯聚酰亚胺薄膜的损伤程度进一步加强。

图7 纯聚酰亚胺薄膜的SEM 图Fig.7 SEM image of pure PI film

为了清楚了解匝绝缘试样的击穿过程，试样绝缘失效之后，采用SEM 对击穿点及周围进行观察，如图8所示。通过微观形貌观察发现击穿点主体中心区域（Ⅰ部分）分布有较多的黑色团絮状粉末，其能谱分析如图9所示，团絮粉末中含有大量的Al元素，同时其C 元素的含量比图6中试样表面团絮物的C 元素含量高，这是由于在击穿过程中的瞬时高温使有机相熔融，并包覆在无机填充物周围，聚集而形成尺寸不等的团絮物；在绝缘击穿后瞬间，Ⅰ部分内的团絮物聚集在电磁铜线上，熔融有机相通过铜导线散热而导致其温度迅速降低，有机相来不及挥发，因此，此时含有较多的C 元素。由于匝绝缘试样采用2/3 叠包方式缠绕纳米复合薄膜，在击穿点边缘（Ⅱ部分）可以看到有三层薄膜；另一方面，对单层薄膜而言，纳米复合薄膜具有非常明显的分层结构，即上下两层较致密，中间层呈现网状结构。由于介质在击穿的过程中，击穿区域的温度很高，致使介质内的熔融物飞溅四周，之后包裹无机颗粒并迅速冷却，形成黑色粉末覆盖在击穿点主体周围（Ⅲ部分），其能谱分析如图10所示。

图8 匝间绝缘试样的分解图及局部放大图Fig.8 Disassembled views and local magnifying images of turn insulation

图9 击穿点主体中心的粉末能谱图分析Fig.9 Energy spectrum analysis of particles at the breakdown central part

图10 周围烧熔部位颗粒的能谱分析图Fig.10 Energy spectrum analysis of particles at the surrounding melting part

4 讨论

4.1 局部放电分析

试验用双极性连续方波脉冲电压较高，同时具有较陡峭的上升沿及下降沿。方波脉冲电压的上升沿及下降沿可看作高频成分，平顶区域可看作是直流成分。空间电荷会强烈影响到局部放电特性，双极性连续方波脉冲电压下的电荷积累效应更加明显[22,23]，图11描述了不同阶段时气隙内部电荷及电场变化情况。E(t)为外加场强，其幅值为E0；Eq为气隙内电荷产生场强。首先，当外场强加在匝绝缘试样上时，气隙内部感应出电荷，如图11a 所示，当气隙内的总场强Ei(E(t)和Eq的差值)达到局部放电起始场强时，如果存在初始电子，局部放电产生，之后气隙内部场强Ei降为残余场强Eres=E0-Eq，如图11b 所示；当脉冲电压极性发生反转时，气隙内部场强Ei=-(E(t)+Eq)，如图11c 所示，此时，气隙内部电荷在反向电场作用下运动，但是由于上升/下降沿时间很短，这个过程非常微弱，Eq值仅有细微降低，此时Eq≈E0-Eres，因此，在极性反转瞬间，气隙内场强Ei≈-(E(t)+E0-Eres)将会在短时间内到达局部放电起始场强，在下降沿再次发生局部放电，如图11c；此时，气隙内的电荷完成翻转，同时气隙内部场强降为-Eres，如图11d 所示，当外场强再次反转时如图11e 所示，气隙内部的电场及电荷变化如图11c 类似，局部放电再次发生。之后，在每一个脉冲电压周期内，气隙内部的电荷移动及电场变化重复步骤b 至步骤f，因此局部放电多出现在脉冲电压上升沿及下降沿处。

图11 气隙内部的电荷和电场变化Fig.11 Behavior of charge and field in the air gap

由图4可知，放电次数与平均放电幅值并非随着老化时间的延长而逐渐增加，这主要是由于在局部放电对介质作用过程中，一方面导致有机体的逐渐降解，生成新的放电微气隙，另一方面，有机物降解后气隙表面裸露出无机纳米粒子，无机纳米粒 子的电导率比聚合基体大，因此有助于气隙表面的电荷输运，降低电荷累积作用，当方波脉冲电压极性反转时，空间电荷致使气隙场强的增强作用减弱，减少放电次数，因此在老化前期，放电次数和平均放电幅值与老化时间的关系较复杂。当老化进入后期时，由于生成大量大尺寸团簇及孔洞，一方面增加了放电点，另一方面也增加了局部放电起始电压，释放更大的能量，因此在试样老化后期，放电次数和放电幅值均呈现出较为明显的上升趋势。

4.2 扫描电镜图像分析

在电气设备中，绝缘材料的老化过程实际上是介质的化学和物理降解过程。局部放电产生的高能电子（能量分布2～20eV）、紫外光（波段主要分布在200～450nm）、局部高温（可达1 000℃）、活性基团·O 和·H 等因素共同侵蚀绝缘介质，由于有机聚合物分子链共价键较弱（C-H 键能约为4.77eV、C-C键能约为4eV、C=C 键能6.3eV）、分解温度相对较低（PI 热分解温度约为600℃），因此，在局部放电条件下造成有机聚合物分子链断裂、熔融炭化，从而造成有机物化学降解，改变介质微观结构，降低介质绝缘性能，最终导致介质击穿[5,16,24]。但是，纳米粒子是晶体氧化物，具有较高的键能和熔点（约为2 000℃），因此能抵挡局部放电的侵蚀，如图5b～图5d 所示，当有机相降解后，纳米颗粒残留在绝缘表面，并团聚形成尺寸较大的团絮状颗粒。由此推断，聚合物纳米复合电介质的降解过程可用图 12所示的模型表示。

图12 纳米电介质在局部放电条件下的降解过程示意图Fig.12 Degradation process of nano-dielectric under PD

根据电磁场理论，相对介电常数较高的微小粒子在不均匀电场中易于向高电场部位迁移，因此当介质表面有机体被局部放电侵蚀后，析出的纳米粒子在外电场作用下具有自迁移特性，纳米粒子移动 到有机体局部腐蚀区域（尖端处及缝隙处）以平衡此处电场，从而降低局部放电活动；同时，析出的纳米粒子分布在有机体表面，能直接抵挡局部放电对基体的进一步侵蚀[25]。而对于纯聚酰亚胺基体而言，局部放电侵蚀介质表面，造成有机相的高温炭化或挥发，内部化学键断裂，导致在表面形成大量凹凸不平的沟壑及孔洞，如图7所示。因此聚合物纳米复合材料能有效提高介质的耐电晕性能，增加其使用寿命。

纳米聚酰亚胺薄膜老化前断面出现三层结构，其上下两层有纳米粒子掺杂，中间层为纯聚酰亚胺，如图13所示。当存在局部放电时，放电产生的高能电子、活性基团等侵蚀有机物基体，致使有机基体炭化、挥发，而纳米粒子由于其较强的键能而保持原有状态，并能在电场作用下沿表面作微小迁移，因此当匝绝缘击穿时，薄膜上下表面呈现出较致密的特性，而中间层则表现出网状结构，如图8所示。

图13 Kapton 100CR 薄膜的扫描电镜图Fig.13 SEM images of Kapton 100CR film

5 结论

本文分析了双极性连续方波脉冲电压下的局部放电特性，研究了局部放电对变频电机匝间纳米复合绝缘表面的侵蚀过程及击穿点的微观形貌特征，得出如下结论：

（1）匝间绝缘试样的放电次数及平均放电幅值和老化时间并非呈线性关系，但总体上呈增加趋势。

（2）局部放电侵蚀有机绝缘材料基体，在匝间绝缘试样表面形成一系列尺寸不等的凹坑，析出的纳米粒子形成无机绝缘层，这能有效抵挡局部放电对绝缘介质的进一步损伤。

（3）在老化后期，绝缘表面的平整性完全被破坏，熔融的有机物包裹在纳米粒子周围，形成尺寸不等的团簇；绝缘介质表面出现的小孔洞导致局部放电向介质内部发展，加速了绝缘失效的速度。

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