漆包线耐电晕试验参数对测试结果的影响

诸冉冉，　张大义

（1.上海电缆研究所，上海200093；2.机械工业电工材料及特种线缆产品质量监督检测中心，上海200093）

漆包线耐电晕试验参数对测试结果的影响

诸冉冉1，2，张大义1

（1.上海电缆研究所，上海200093；2.机械工业电工材料及特种线缆产品质量监督检测中心，上海200093）

漆包线的耐电晕性能是影响变频电机寿命的重要因素之一，一般通过测试漆包线在高频脉冲电压条件下的击穿时间以评估其耐电晕性能。由于不同的耐电晕试验参数对测试结果有着较大的影响，故对漆包线耐电晕试验中所涉及到的关键参数进行了分析研究。

变频电机；漆包线；耐电晕；击穿时间

0　引　言

脉宽调制（PWM）技术的问世带动了电机交流调速技术的发展，但将PWM变频器直接与普通电机配套使用时，其使用寿命却远小于工频交流条件下的电机，部分变频电机甚至只运行了几个月便已损坏。已有相关文献证实，造成变频电机过早损坏的主要原因是局部放电。而电机运行时伴随电晕现象产生的介质损耗发热、空间电荷以及振动等多方面因素的叠加则进一步加速了绝缘材料的老化进程[1]，使得变频电机寿命大幅缩短。因此，变频电机用漆包线的耐电晕能力与其使用寿命有着密不可分的关系。本文在总结漆包线电晕老化机理的基础上，分析研究了漆包线耐电晕试验的相关参数对其击穿时间的影响。

1　漆包线电晕老化机理

变频电机绝缘系统的电晕老化失效主要是由持续时间短、重复频率高的脉冲电压所导致的[2]。这与在交流工频电压下所产生的电老化机理完全不同，这种老化过程较为复杂，是由一个或多个物理过程叠加导致的结果[2]。造成变频电机用漆包线绝缘损坏的具体原因主要有以下两个方面：

（1）电老化。局部放电是造成漆包线绝缘电老化、寿命缩短的重要原因[3]。在高频脉冲电压条件下，当漆包线相互接触时，在它们之间的空气层中就会发生严重的局部放电，即电晕现象，从而加速漆包线绝缘的老化。此外，由于现役变频电机普遍采用PWM整流技术，因此，在电机运行时由于绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的高速导通和高速关断动作，高频方波脉冲电压会在电源线与电机接通的瞬间加载于变频电机绕组端。与此同时，因电缆、变频器、电机三者之间的阻抗不匹配所产生的电磁波反射会导致尖峰过电压的出现，并伴随高频震荡现象[4]。因此，变频电机用漆包线在这种环境下持续工作，极易因其绝缘的过度损耗而提前失效并使电机无法运行。

（2）热老化。在受限的电气绝缘系统内，随着温度的增加，电气绝缘系统内的空间尺寸逐渐变小，使得局部放电起始电压随之降低，电老化速率亦随之加快[2]。

综上所述，由于电老化及热老化的叠加效应促使变频电机用漆包线绝缘的老化加速，缩短了漆包线的使用寿命，这是最终导致变频电机损坏的主因。因此，通过对变频电机用漆包线施加电老化效应并辅以热老化效应的方式对其耐电晕性能进行测试能有效地衡量其绝缘抗老化失效的能力。本文在结合我国现有耐电晕漆包线产品标准中的耐电晕试验规定及IEC相关标准的基础上，针对漆包线耐电晕试验的相关特性参数如脉冲电压波形、脉冲电压频率、脉冲试验电压等进行了研究和验证。

2　耐电晕试验参数的影响

2.1脉冲电压波形

验证试验表明脉冲电压波形对耐电晕试验结果有着较大的影响，脉冲电压波形的设定涉及三个方面因素。

（1）波形。根据IEC 62068-1中规定，耐电晕试验的脉冲电压波形有三角波或方波可供选择，推荐采用方波进行漆包线的耐电晕测试。与三角波无上冲的特点不同，方波是由基波与无数奇次谐波叠加所构成的，因此测试时使用方波能较好地模拟变频电机线圈在运行过程中所受到的高次谐波。同时也有文献明确指出，变频电机两端施加的电压即为方波脉冲电压[3]，因此在进行耐电晕测试时选择方波脉冲更符合实际工况。

（2）极性。根据IEC 62068-1中对脉冲电压对地极性的规定，极性可选择双极性或单极性，优先选择形式为由一个正的或负的振幅表示其一种状态，而由零电平表示其另一状态的双极性脉冲。

（3）对称性。使用对称的波形可以有效减少测试过程中的误差，消除偶发性影响因子，使得到的测试结果更具有代表性和可重复性。

综上所述，建议漆包线耐电晕试验采用双极性对称型方波脉冲。

2.2脉冲电压频率

IEC 62068-1中将脉冲电压频率定义为：在相同时间间隔下，两次完整脉冲之间时间的倒数[2]。有文献指出：绝缘材料的老化寿命与施加的脉冲电压频率成非线性衰减关系[5]。随着频率的升高会使得单位时间内局部放电的次数随之增加。为了验证脉冲电压频率对漆包线耐电晕击穿时间的影响，进行如下验证试验。

在φ0.60～2.00 mm范围内选取不同规格的耐电晕漆包圆线共计10组，依据GB/T 4074.7—2009第5条中的规定将所选样品制成扭绞线对。在其余测试参数固定的条件下，通过更改耐电晕试验的脉冲电压频率，对试样的局部放电起始电压（起晕电压）进行测试。测试设备使用常州威远电工器材有限公司制造的高频起晕电压测量仪，主要通过捕捉绝缘材料在电晕放电时产生的紫外线信号转化处理得到对应的绝缘材料起晕电压值。不同脉冲电压频率和漆包线规格对起晕电压的影响规律如表1所示。

表1　不同规格耐电晕漆包线在不同试验频率下的起晕电压

从表1可以看出：对于同一规格试样，当脉冲电压频率升高时，其起晕电压呈下降趋势。说明随着脉冲电压频率的不断升高，漆包线更易在较低的脉冲电压条件下发生局部放电也即电晕现象，因此升高脉冲电压频率会在一定程度上对漆包线绝缘起到催化老化作用，绝缘的劣化随之加速。而对于不同规格试样，在脉冲电压频率相同的条件下，其起晕电压随着规格的增加基本呈上升趋势。这说明试样的绝缘厚度会影响其起晕电压的高低，因此通过增加耐电晕漆包线的绝缘厚度可以提高其抗电晕冲击的能力。此外，脉冲电压频率的变化对漆包线起晕电压波动幅度的影响较小，因此还需对其它试验参数进行研究。

2.3脉冲占空比

IEC 60034-18-41中将脉冲占空比定义为：在规定时间间隔内脉冲宽度和总时间的比率[6]。其中脉冲宽度指的是，脉冲瞬时值达到其冲击幅值的规定值或规定阈值的第一瞬时和最后瞬时的时间间隔。因此，在“双极性对称型方波”条件下，考虑到极性转换时存在的“死区时间”、脉冲上升时间及下降时间，实际可产生的双极性对称方波的占空比只能为小于50%。

2.4脉冲上升时间

IEC 60034-18-41中明确定义了“脉冲上升时间”为电压幅值从峰值的10%上升至90%所需的时间[6]，并给出示意图如图1所示。

图1　冲击电压波形参数

根据IEC 60034-18-41中定义，图1中的Up是指单极式冲击电压期间达到的最高电压数值[6]。而单极式冲击电压则是指极性为正极或负极的冲击电压。因此，对于双极性对称型方波脉冲而言，脉冲上升时间为其单极式冲击电压期间，电压幅值从峰值的10%上升至90%所需的时间，即以零电位为基点，电压幅值从峰值的10%上升至90%所需的时间。在使用示波器进行脉冲电压上升时间的测量时应充分注意到这个问题。

另外，由于绝缘系统的负载是容性的，负载电容的大小对脉冲上升时间的影响很大，因此脉冲上升时间必须与所测试的样品联系起来。倘若只是给出设备空载时的上升时间却忽略了具体的测试样品，那么所得到的测试结果是不具备可对比性的。

2.5脉冲下降时间

基于IEC对脉冲上升时间已有了明确定义，因此脉冲下降时间的定义应为电压幅值从峰值的90%下降至10%所需的时间。而建议漆包线耐电晕试验采用双极性对称型方波脉冲即意味着：试验要求电压极性，正半波与负半波的波形必须相互对称，即图2中的区域2正负电平的对称，区域1上升时间的对称以及区域3下降时间的对称。不能因为双极性方波脉冲波形的视觉特点，而将负半波的上升时间也称做“下降时间”。同时在示波器测量中应注意，正半轴的电压幅值从＋Up的10%上升至90%所需的时间应与负半轴的电压幅值从-Up的10%上升至90%所需的时间要保持严格一致，以符合其对称的要点。

图2　双极性方波的对称性

2.6脉冲试验电压

经研究人员总结得出：真正造成耐电晕漆包线绝缘过早失效的原因除了双极性方波的上升沿陡峭度、下降沿陡峭度外还有“稳态冲击电压”以及“尖峰电压”。其中，稳态冲击电压指：冲击电压的终值（见图1中Ua）；尖峰电压是指超过稳态冲击电压的峰值电压值（见图1中Ub）。因此，在进行测试时应关注“稳态冲击电压”及“尖峰电压”两者对于漆包线耐电晕测试结果的影响。

（1）稳态冲击电压Ua

进行以下测试以研究稳态冲击电压的输出稳定性：在耐电晕试验仪负载条件下，使用示波器对任一输出端进行测试。测试间隔为每次5 min，连续测试40组。所测得的稳态冲击电压与试验时间的关系如图3所示。从图3中可以看到，随时间的推移，稳态冲击电压基本无明显的波动。这是因为“稳态冲击电压”是由设备的直流电源进行控制的，其输出稳定精度能控制在±1%以内，不会产生大幅波动的现象。

图3　稳态冲击电压示意图

（2）尖峰电压Ub

由于现有“漆包线耐电晕试验仪”普遍使用IGBT的H桥电路控制技术模拟变频电机的控制变频器，因此在实际电路中因分散电感的影响会形成“尖峰电压”，且这一固有特性一般难以消除。

对于“尖峰电压”，除了有设备本身固有的特性原因外，当测试电路中所加载的样品不同时，所测得的“尖峰电压”也是不同的。首先，通过使用如图4所示的简化仿真模型电路模拟使用“耐电晕试验仪”测试不同规格漆包线，对所产生的过冲电压进行理论验证。

图4　尖峰电压简化仿真模型

通过更换仿真模型电路中的负载电容得到如图5所示尖峰电压与负载电容关系示意图。

图5　负载电容与尖峰电压关系（仿真）

仿真结果表明：尖峰电压会随着负载电容的变化而变化，随着负载电容的增加其所对应的尖峰电压则呈下降趋势。为了进一步证明仿真结果，进行如下验证试验。

分别对空载及负载时的耐电晕试验仪任一输出端的尖峰电压进行测量。其中，负载条件下所使用的耐电晕漆包线试样规格分别为0.80 mm、1.00 mm及1.50 mm。测试间隔为每次5 min，连续测试10组，取测试结果的平均值绘制成曲线如图6所示。

图6表明试样的电容会在一定程度上影响尖峰电压。在“稳态冲击电压”相同的条件下，对于不同规格的试样，所测得的“尖峰电压”与其固有电容有关。因而，在进行漆包线耐电晕试验时应注意：测试一组相同规格试样时，应尽量控制各试样的电容相等或接近，以减少尖峰电压对试验结果的影响。此外，分析图6可知：对于不同规格的试样，其所对应的“尖峰电压”也是不同的，试样的电容越大加载于其两端的尖峰电压值反而越小。因此，在脉冲峰值电压Up相同的情况下，对于不同规格的试样，其所承受的“稳态冲击电压”与“尖峰电压”也是不同的。若只关注耐电晕试验中的脉冲峰值电压Up，会对测试结果的可对比性造成一定程度的影响。

图6　负载电容与尖峰电压关系（实测）

3　结束语

变频电机用耐电晕漆包线虽已有近十年的应用，但目前仍处于发展阶段，尚存在许多需要进一步研究和解决的未知因素。IEC现有适用于“变频电机绝缘结构”的相关试验标准虽然已经推行，但是可供借鉴的IEC漆包线耐电晕试验方法标准仍未形成。建议在选择漆包线耐电晕试验参数时，除了要充分遵从和理解IEC现有的指导方法及标准外，还应遵循严格借鉴和充分验证相结合的原则，选择可简化试验模型及稳定的参数作为试验的参考和依据，使所得到的试验结果具有更高的可重复性和代表性，以满足漆包线行业对产品质量监测的要求。

[1]姜其斌，陈红生，衷敬和，等.变频电机用耐电晕绝缘材料的应用研究进展[J].绝缘材料，2007，40（6）：19-22.

[2]GB/T 22566.1—2008电气绝缘系统重复脉冲产生的电应力第1部分：电老化评定的通用方法[S].

[3]刘电霆，张声岚，钱三来，等.变频电机绝缘材料失效主要因素与寿命评估方法[J].绝缘材料，2011，44（5）：55-58.

[4]贾大江.永磁直驱风力发电机组的设计与技术[M].北京：中国电力出版社，2012.77-79.

[5]徐跃，邓小军.不同频率和温度的电晕放电对聚酰亚胺薄膜的损伤特性研究[J].绝缘材料，2014，47（1）：85-88.

[6]IEC 60034-18-41：2014 ed1.0 Rotating electrical machines-Part 18-41：Partial discharge free electrical insulation systems（Type I）used in rotating electricalmachines fed from voltage converters-Qualification and quality control tests[S].

The Influence of the Corona Resistance Testing Parameters for Enamelled Round W inding W ires on the Test Results

ZHU Ran-ran1，2，ZHANG Da-yi1
（1.Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai200093，China；2.Machinery Industry Quality Supervision and Test Center for Electric Material and SpecialWire and Cable，Shanghai200093，China）

The corona resistance of the enamelled round winding wires is one of the important factors that affect the life of the variable frequency electric machine.Generally，we evaluate the corona resistance of the enamelled round winding wires by testing the breakdown time of them under high frequency pulse voltage.Different corona test parameters affect the testing results，so the key parameters of the corona resistance test for enamelled round windingwires are determinded and discussed throughly in this paper.

variable frequency electricmachine；enamelled round windingwires；corona resistance；breakdown time

TM245.1

A

1672-6901（2016）01-0032-05

2015-06-01

诸冉冉（1986-），女，工程师.

作者地址：上海市军工路1000号[200093].