交流调速电机冲击波的监测方法

吴　威

( 水力发电设备国家工程研究中心，哈尔滨电机厂有限责任公司， 黑龙江哈尔滨　150040 )



交流调速电机冲击波的监测方法

吴威

( 水力发电设备国家工程研究中心，哈尔滨电机厂有限责任公司， 黑龙江哈尔滨150040 )

摘要：指出了逆变器供电交流调速电动机绝缘往往过早地失效。原因是：由于逆变器输入到电动机电压中是非常陡的冲击波，导致了匝间绝缘击穿。国际电工委员会( IEC ) , 已经要求各国通过试验来制定新的检验标准。介绍了工频交流和脉冲电压进行的对比试验结果，表明逆变器输入到电动机的电压中包含有非常陡的冲击波而导致了匝间绝缘击穿。介绍了开发的一种在线监测冲击波的新型装置，可防止这种事故的发生，应用效果良好。

关键词：变速交流电机；冲击波；监测

0引言

逆变器供电的交流电动机定子绕组绝缘过早地失效。因此，国际电工委员会(IEC)重新颁布了技术标准IEC 60034-18-42，提出了《在电压型变频器馈电情况下绝缘系统耐局部放电鉴定试验的推荐意见》[1-2]，其中包括了电机绝缘系统不同部位的耐电压试验、老化现象和寿命 。现在各国都在进行试验研究。

1冲击波

实践证明，由于断路器开关引起的冲击波而导致电机匝间绝缘电气强度明显降低的情况，很少见到，通常也不会引起匝间绝缘老化。然而，采用逆变器供电时，由于冲击波的重复次数很多，就会导致匝间绝缘电气强度的逐步衰减 。

变频器的功能主要包括整流部分(将交流电整流为直流电)和逆变部分( 再将直流电逆变为具有不同频率的交流电)。 其中在逆变过程中， 由于电力电子元件，比如晶闸管、可关断晶闸管整流器(GTO)或双极性栅极晶体管(IGBT)等，在接通和关断直流电压时，每秒产生的电压冲击波可达2 000个，冲击波上升的时间可达50 ns，最高频率分量可达6 MHz。这种冲击波会导致匝间绝缘电气强度的降低、绝缘老化和失效。

研究分析结果证明，逆变器与电机之间的连接电力电缆长度和冲击阻抗，以及电机定子绕组的冲击阻抗，在匹配不当的情况下，可能会引起传输电缆线的反射效应，并导致冲击电压的增大。

1.1冲击幅度

当电动机功率为1 600 kW、电压为4 000 V、转速为1 500 r/min时，如果这种冲击波的上升时间很短(比如只有0.01 s)。在定子绕组第一匝上出现的冲击波电压就会高达额定电压的45%(见表1)。由此可见，冲击波的上升速度越快，则首匝冲击波电压越高，冲击幅度越大，对于电机绝缘越危险。如果冲击波的电压比较高、上升时间比较快和数量比较多，就会引起比较高的匝间电压，损坏绝缘的危险性就比较大。

表1　线圈第一匝上冲击电压大小与冲击波上升时间的关系

过去认为，低电压(440 V)的电动机通常不会存在局部放电现象。然而采用图像增强和放大措施以后，便能在这种低压电动机上观察到由逆变器(特别是PWM和IGBT)供电时的轻微发光。通过目测还能发现与相引线连接的匝间有白色粉末(这是局部放电的典型痕迹)。如果由于冲击波引起的匝间电压比较高，冲击幅度比较大，而导线的直径又比较小，就会使导线之间间隙处的电压强度，高于局部放电起始电压强度而发生局部放电。

过去采用有机薄膜绝缘，它针对局部放电的阻抗比较小，容易老化。后来在薄膜中加入金属氧化物，便具有比较大的局部放电阻抗，从而减少了局部放电现象。虽然采用定子整体浸渍工艺可以消除气隙，也能消除局部放电。但是，实践证明，即使没有局部放电，由冲击波引起的绝缘老化，却仍然可能发生。

1.2冲击次数

曾经对于环氧树脂整体浸渍的1 600 kW大型高压电机定子绕组线圈进行冲击波试验，冲击波上升时间为500 ns，重复率为每秒5次到5 000次，冲击波一直施加到绝缘击穿为止。结果表明，定子绝缘击穿失效的冲击波总数如表2所示[3]。

表2　不同冲击重复率时导致绝缘失效的冲击波总数　M

由表2可见：1)如果冲击波幅值越大，引起绝缘破坏所需要的冲击波个数越少；2)如果冲击的次数和冲击的重复率越高，则引起绝缘破坏所需要的冲击波个数就越多。因为每秒的冲击重复率越高和冲击波个数越多时，每个冲击波用于损坏绝缘的时间很短，一直到绝缘损坏时所需要的冲击波数目就要增多；3)冲击波的极性也有很大影响。与正极相比，如果处于负的电压脉冲情况下，直到引起绝缘损坏时为止，就需要更多的冲击波。

1.3空间电荷

由冲击波引起绝缘老化的机理是：在产生每个冲击波的过程中，注入到绝缘中的空间电荷(电子)使绝缘材料中的有机分子化学键断裂，降低了绝缘承受击穿电压强度的能力。试验表明，反复的冲击电压确实会引起局部放电和空间电荷的注入。因为在施加脉冲电压时，发现了微弱的光发射(电场引起的发光)。研究结果还证明，由于电场引起在绝缘表面引起的空间电荷确实能够导致绝缘老化，而且，这种注入到绝缘中空间电荷的影响比较大。因此，绝缘附近存在的空间电荷数量越多，注入并损坏绝缘的危险性越大。

1.4环境温度

如果绕组线圈的温度比较高，而且持续时间比较长，就会导致绝缘承受冲击波击穿的电压和能力降低，也会使绝缘损坏的可能性增加。这是因为绝缘试样在温度增加时，同时也会使注入绝缘内部离子电荷载体的能量增加了，从而导致它们的扩散系数增加。此外，温度的增加，还使绝缘试样内部的缺陷密度加大了，从而助长了绝缘的失效。

2监测系统

1. 交流或脉冲电源； 2. 电容； 3. 分压器； 4. 电动机相引线； 5. 电动机； 6. 温度传感器； 7. 示波器； 8. 逻辑器件； 9. 转换装置图1　冲击波监测系统示意图

这种由于逆变器供电的冲击波引起绝缘损坏的危险性，取决于电机的冲击波阻抗特性、逆变器的特性以及它们之间连接电缆的长度、阻抗和传输特性等。此外，由于这种电动机是可调速的，经常处在不同的转速下运行，所遇到的冲击波总数是很难预测的。在这种复杂的条件下，为了预防绝缘损坏的危险性，只是采取监测局部放电的措施是不够的。因为没有局部放电也会导致绝缘老化。所以，只能针对冲击波本身来实施监测。

开发了一种新型监测装置。这种监测系统的接线示意图如图1所示。它能够在线监测冲击波的性质，并发出预警信号。除了电容式分压器和温度传感器以外，这种新型监测装置还包括了一种能将冲击波对匝间绝缘的损坏程度、通过转化而指示出来的软件。所以，为了测量冲击波的大小，首先应当确定冲击波的上升时间，而且还要计算冲击波的总数。

2.1传感器

用于检测冲击波的传感器，是一台电容式分压器。它的频率范围为0.6～8 Hz，电压为13.8 kV。它与1 600 kW电动机的相引线直接连接。分压器的输出电压很低，不会被冲击波损坏它的电子器件。分压器的高压部分是一个80 pF的电容器，它采用环氧—云母介质。高压电容器的额定电压，与电动机的电压相匹配。因为三相绕组的各相冲击波是相同的，所以每台电动机只安装一个分压器。由于绕组温度对于承受冲击波的能力有很大影响，所以还安装了用于绕组线圈的热电偶型温度传感器。如果温度越高，并且持续时间越长，就能够使线圈绝缘承受冲击波击穿的电压越低，损坏的危险性越大。

2.2逻辑器件

虽然可以采用脉冲计算器和数字示波器等电子设备，但是价格比较高。所以，开发了专用的可编程逻辑器件。它将来自分压器的输入信号转换为数字后，便将冲击波的初始部分存入存储器中。同时，还能采用可编程逻辑器件来分析所捕捉的冲击波上升时间和幅值。只要冲击波电压超过预设值，程序就会被触发和起动。但是，冲击波之间的间隔必须是大于或等于1.5 μs。微控装置可将每个冲击波的上升时间和幅值及其冲击波数目，存入随机存储器中，冲击波的重复率也可以被确定下来。

2.3转换装置

采用的转换装置和转换软件，可用于指示冲击波对电机绝缘损坏的程度。它能够将存入随机存储器中的数据，转换为冲击波引起的破坏概率并显示出来。它的转换过程如下：首先将具有任何上升时间的冲击波幅值转换为等效的标准幅值(即上升时间为0.1 μs的冲击波幅值)。如果冲击波上升时间为1 μs，转换以后的幅值将是很低的。这是考虑到重复率而对被转换幅值进行的调整。具有高重复率的冲击波转换为等效的标准幅值以后便被减小[4]，这是因为它们的破坏性比较小，尽管它们单位时间的冲击波数目很多。

另一种转换方法是将标准上升时间和重复率的冲击波换算为3.5 p.u.的冲击波(它相当于1 000个1.75 p.u.的冲击波)。如果是一个7.5 p.u.的冲击波，它被转换以后，就是1 000个3.5 p.u.的冲击波。将被转换为3.5 p.u.和上升时间为0.1 μs的冲击波数目加起来，其总数便通过液晶显示器显示出来，而且能够不断地更新。由此便能对电动机绝缘的寿命进行评估和预测，防止绝缘失效和电动机运行事故的发生。通常，一个标准的电动机，能够承受1 000个这样的(3.5 p.u.和0.1 μs)冲击波。实际上，质量好的电动机，能够超过该值许多倍。

3应用

开发的这种新型冲击波在线监测系统，在石油化工部门某个企业的1 600 kW电动机上应用效果良好。由于对出现的冲击波进行了冲击幅度、时间、次数等各种因素的及时监测和调整，在运行过程中尚未发现匝间绝缘击穿和绝缘失效的现象。近年来，根据自己的情况，确定应用这种监测系统的产品用户在不断增加。

4结语

1) 多年的运行实践证明，采用变频调速技术的交流电动机过早地失效。这是由于逆变器供电时冲击波的作用而使绕组线圈的匝间绝缘击穿而引起的。

2) 导致绝缘失效的机理是：在产生冲击波的过程中，由于周围的空间电荷注入到绝缘中，并使其有机分子的化学键断裂，从而使绝缘承受击穿电压强度的能力降低。

3) 如果冲击波的电压比较高、上升时间比较快和数量比较多，就会引起比较高的匝间电压，损坏绝缘的危险性就比较大。如果绕组线圈的温度比较高，而且持续时间比较长，就会进一步导致绝缘承受冲击波击穿的电压和能力降低，也会使绝缘损坏的可能性增加。

4) 采用开发的在线监测系统能够及时评估电动机的这种冲击波的危害状况，以便采取适当措施来防止绝缘过早地失效。

参考文献

[1] Functional evaluation of electrical insulation systems, IEC 60034-18-32.

[2] Qualification and type tests for electrical insulation systems used in rotation electrical machines fed from converters ,IEC TS 60034-18-41.

[3] 孙永鑫，大电机定子线圈的直流耐压和交流耐压试验研究(J)，大电机技术，2012(6)：1-3.

[4] 栾茹，高频脉冲下变频电机的电场分布[J]，大电机技术，2011(1)：8-11.

邢敏， 女，1984年6月生，哈工大 电气工程与自动化专业，硕士研究生毕业，获 硕士学位。高级工程师。主要研究方向为：发电设备的自动控制。

·信息点滴·

国家发改委：国家加快推进清洁能源等七大类重大工程包建设

2014年以来，遵照国务院部署，国家发展改革委会同有关部门推出信息电网油气网络、生态环保、清洁能源、粮食水利、交通运输、健康养老服务、能源矿产资源保障七大类重大工程包。

在选择列入重大工程包项目时，主要考虑以下几个方面：一是对经济社会发展具有全局性、基础性、战略性意义，有利于形成新的经济增长点；二是有利于调结构、补短板，加强薄弱环节建设，增加公共产品和服务供给；三是符合“十二五”规划和相关专项规划要求，符合国家产业政策；四是具备一定工作基础，通过加大工作力度能够尽快推进。

重大工程包推出以来，国家发展改革委会同各地方、有关部门和企业积极发挥联动机制作用，定期协调调度工程进展，加快推进重大工程建设。目前重大工程建设稳步推进，对促投资、稳增长发挥了积极作用。

20150303

欧盟表明风电和水电更具经济效益

据古巴拉美通讯社布鲁塞尔报道，欧盟委员会能源司进行的一项研究表明，风电和水电比其他可再生能源更具经济效益。在不考虑市场和技术风险的情况下，该能源司对风电、水电同核电、光伏发电等各种能源(在项目运营期内的)单位成本进行了比较，结果发现，水电每兆瓦?时的成本为50欧元，风电为 80多欧元，而核电成本为110欧元，光伏发电、生物质发电和天然气发电则达到了115欧元。

据欧洲风能协会(EWEA)表示，公布上述数据是为了配合一项名为“支持风能”的计划，目的之一是使大家确信，风电和水电还能创造更多的就业机会。美国马萨诸塞大学经济政策学院的一项研究报告表明，向风电领域每投资100万美元可创造13个就业岗位。欧盟委员会的研究还显示，丹麦、西班牙、德国、意大利和欧盟是世界上可再生能源占比最高的国家和地区，全世界出现了向清洁能源转变的明显变化。

20150304

西门子h级燃气轮机助德国电厂刷新世界纪录

近日，西门子h级燃气轮机已在lausward联合循环电厂按照计划首次点火。lausward是德国杜塞尔多夫市的传统供电中心，位于此地的lausward联合循环电厂预计于2015年年底投入商业运营。

据悉，全新lausward燃气蒸汽联合循环发电机组的装机容量达595 MW，净效率将超过61%，在这两方面都将刷新世界纪录。此外，电厂生产的部分蒸汽将用于杜塞尔多夫市的区域供热系统。整台机组可提供高达300 MW的热能，用于区域供暖。这将使全厂热效率提高到大约85%。这些创纪录的数字将使该电厂成为全球最高效、最环保的电厂。西门子股份公司发电与天然气集团项目管理业务部负责人lotharballing指出，在电厂建设期间，超过700天、180万工时无任何事故报告，这使该电厂的建设在职业健康与安全方面也堪称典范。

20150305

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