变频漆包线耐电晕性能试验方法实施的研究

作者/王湄，福建省产品质量检验研究院

变频漆包线耐电晕性能试验方法实施的研究

作者/王湄，福建省产品质量检验研究院

在变频电机中，最容易出现故障的位置是其内部绕组，由变频漆包线组成的绕组经常出现被击穿的现象。目前国内对变频漆包线耐电晕性能的检测还未形成统一的标准。本文主要通过研究波形、频率、上升时间、脉冲电压和温度这五大变量对耐电晕漆包线击穿时间的影响规律，完善对该项目的检测过程注意事项，提高变频漆包线测量的准确性。

耐电晕；波形；频率；上升时间；脉冲电压；温度

引言

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，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。目前国内涉及到耐电晕漆包线的标准没有相对应的试验方法标准。本文主要通过研究波形、频率、上升时间、脉冲电压和温度这五大变量对耐电晕漆包线击穿时间的影响规律，完善对该项目的检测过程注意事项，提高变频漆包线测量的准确性。

此次研究我们所选用的实验对象为200级耐电晕漆包铜圆线 QP-2/200 ；选择的测量仪器是耐电晕测试仪WPT（常州威远电工器材有限公司），依据GB/T4074.7-2009第5条中的规定将所选样品制成扭绞线对，下面将进行各个因素进行分析。

1.脉冲电压波形

标准规定脉冲电压波形可为方波或三角波，极性可为双极或为单极，但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设计三个方面因素。

（1）波形。与三角波无上冲的特点不同，方波是由基波和无数奇次谐波叠加所构成的，因此测试时使用方波能较好的模拟变频电机线圈在运行过程中所受到的高次谐波。并且对变频电机绝缘来说，方波比较符合实际。脉冲波形对称是测试装置的一项重要要求，即上升时间和下降时间要求差异不大，否则测出的寿命值与实际值不符，在实际应用中变频电机两端施加的电压即为方波脉冲电压，因此在进行耐电晕测试时选择方波脉冲更符合实际情况。

（2）极性。标准中规定电压脉冲可为双极性或单极性，优先考虑双极性。脉冲电压极性是指对地极性，单极脉冲可为正极，也可为负极。双极脉冲的极性可从正极到负极，也可从负极到正极。对变频电机绝缘，以双极脉冲较符合实际。故而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.脉冲电压频率

选取同一生产企业同一型号不同规格的8组耐电晕漆包线，标称直径分别为0.600mm、0.800mm、1.000mm、1.200mm、1.400mm、1.600mm、1.800mm、2.000mm。在其他试验参数相同的条件下，通过变更耐电晕试验的脉冲电压频率，对试样的起晕电压进行记录，试验结果如表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中我们可以看出：（1）对于同一规格的线对来说，当脉冲电压频率升高时，其起晕电压基本上呈现下降趋势，这表明随着脉冲电压频率的不断提高，漆包线更容易在较低的脉冲电压条件下发生电晕现象，因此升高脉冲电压频率会在一定的程度上对漆包线的绝缘起到催化老化的作用，绝缘的劣化也会随之加速；（2）对于不同规格的线对，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上呈现上升趋势，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。

3.脉冲上升时间

选取五家厂家生产的同一型号规格的耐电晕漆包线A、B、C、D、E，每组各四个样品，按照上文所描述的样品预处理的方法将样品制成扭绞的线对。在其他试验参数相同的条件下，分别施加不同的脉冲上升时间。对试样的被击穿时间进行记录。试验结果如表2所示。

表2 不同脉冲电压上升时间下的耐电晕时间

由表2中可以看出，脉冲上升时间越短，脉冲上升沿越陡，脉冲电压的谐波频率越高，相当于电压变化的加速度越大，对线样的电压冲击力越大，对绝缘材料的危害就越大，耐电晕时间越短。特别是当脉冲上升时间为50ns时，五组试样的耐电晕时间均较短，随着脉冲电压上升时间的延长，其耐电晕时间也延长，且变化较大。

目前国内外在耐电晕的测试中，脉冲电压上升时间一般采用100ns等级，因为常规耐电晕漆包线在100ns上升沿条件下测试，一般都能保证测试结果在10几个小时以上，有较好的可取性。

还应注意脉冲下降时间要与上升时间保持严格一致，以符合其对称的要点。

4.脉冲电压

经过我们研究人员大量试验后可以总结得出：真正造成耐电晕漆包线绝缘过早时小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中的Ua）；尖峰电压是指超过稳态冲击电压的峰值电压值（见图1中的Ub）。因此，在进行测试时应关注“稳态冲击电压”以及“尖峰电压”二者对漆包线耐电晕测试结果的影响。

■4.1 稳态冲击电压Ua

图1 冲击电压波形参数

我们进行一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5min，连续测试20组。试验测得的稳态冲击电压和试验时间的关系如图2所示。

图2 不同试验时间下的稳态试验电压

从图2中可以看到，随着时间的推移，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，其输出的稳定精度能控制在±1以内，就不会产生大幅波动的现象。

■4.2 尖峰电压Ub

由于目前国内普遍使用的“漆包线耐电晕试验仪”大部分都采用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”，且这一固有特性是很难消除的。

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。根据我们的试验和一些相关文献资料可知，在“稳态冲击电压”相同的条件下，对于不同规格的试样，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成下降趋势。故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是，应尽量控制各试样的电容相等或者接近，以减少尖峰电压对试验结果的影响。

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。

5.温度

标准中规定，在进行耐电晕试验时的试验腔内需设定一定温度的高温，以模拟漆包线在高温高压下的工作环境。我们进行以下试验来验证温度对耐电晕性能的影响。

准备同一生产厂家规格为1.000mm的五组试样，每组试样各五个样品，制成扭绞线对，在其他条件相同（双极性对称型方波脉冲、50%占空比、20kHz、100ns、Up-p3000V），分别设定温度为90℃、120℃、150℃、180℃、200℃，试验结果如图3所示。

图3 不同试验温度下的试样平均寿命

从图3我们可以明显的看出，试样的寿命随着温度的升高而减小，高温下的寿命比常温下短得多，温度升高，起晕电压降低，放电强度加大，放电产生的化学腐蚀和白色析出物因温度升高而加剧。放电可在试样内部产生高温，此热量在试样外部同样是高温时更不容易散发出去，造成试样内部的温度进一步升高，导致放电进一步加剧，形成恶性循环，以致试样最终被击穿。

6.总结

本次研究针对国家标准未详细规定的各个影响测试数据的因素：波形、频率、上升时间、脉冲电压、温度做出分项的具体的分析，明确参数设定和控制的方法，细化试验步骤，以提高试验数据的准确性和一致性。

＊ [1]夏克，叶贤刚，孟祥富等.耐电晕测试中脉冲电压上升时间的变化对变频线老化寿命的影响[J].绝缘材料，2015，48（4）:66—68.

＊ [2]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.