变频电机用漆包线耐电晕电、热老化性能的分析研究

作者/王湄，福建省产品质量检验研究院

变频电机用漆包线耐电晕电、热老化性能的分析研究

作者/王湄，福建省产品质量检验研究院

伴随着变频电机的广泛使用，变频电机用漆包线的耐电晕性能也受到越来越多的关注。文章阐述了漆包线耐电晕性能在变频电机中的重要性，介绍了耐电晕性能检测涉及的各个参数，并分析了电、热老化对漆包线所造成的损害机理。

漆包线；耐电晕；老化性能

自上个世纪80年代提出脉宽调制（PWM）的基本原理之后，PWM技术在全控型电子器件的带动下得到迅速发展，而电机交流调试技术也在PWM技术的发展之下得到飞跃的进步。

众所周知，电机是最普遍的电器元部件，在生产和生活中的应用都极为广泛，随处可见，大到重型工程器械，小到儿童的玩具小车都有电机的影子。近年来，变频类电器更是成为市场上的宠儿，广受消费者的欢迎。但是当普通电机安装上PWM变频器之后，效果却没有预料的那样给人带来惊喜，很多装上变频器的电机仅仅使用了几个月之后就寿终正寝，而传统的工频交流电机的使用寿命可达几年甚至是十几年。研究表明，局部放电就是造成变频电机使用寿命短暂的元凶。局部放电是指当外加电压在电气设备中产生的场强，足以使绝缘部分区域发生放电，但在放单区域内未形成固定放电通道的放电现象。当绝缘发生局部放电是就会影响绝缘寿命。每次放电，高能量的电子或加速电子的冲击，特别是长期局部放电作用都会引起多种形式的物理效应和化学反应，如带电质点撞击气泡外壁时，就可能打断绝缘的化学键而发生裂解，破坏绝缘的分子结构，造成绝缘裂化，加速绝缘损坏过程。

变频电源系统工作时所产生的脉冲高频电压使电动机发生电晕，引起局部放电、介质发热、导致有机高分广绝缘材料裂解，进而导致变频电机绝缘损坏。具体来讲，变频调速系统是由变频器、电缆和电机组成的。变频器的核心控制部件有BJT（双极晶体管）、IGBT（绝缘栅）等多种类型，其中IGBT具有驱动简单、易于保护和高速开关等优点。IGBT的高开关速度建立在快导通和快关断的基础上，最高可达30-40kHz，正常工作情况下为20kHz。变频器的输出波形是具有徒上升沿和徒下降沿（0.1-0.51AS）的脉冲波，正是由于这种脉冲电压不同于工频正弦电压，从而对变频电机绝缘的工作环境造成了一系列的影响。

当变频器将工频正弦波转化成脉冲波以后，该列脉冲波从变频器通过电缆传到电机的接线端，由于电缆与电机之间的阻抗不匹配将产生反射波。反射波反馈又产生二次反射，二次反射波与原始脉冲电压波叠加，当叠加的脉冲电压传输到电机时，就会产生一个尖峰电压。尖峰电压的大小取决于电缆的长度和脉冲电压的上升沿时间。通常电缆长度夕加时，电线两端都产生过电压，电机端的过电压副值随电缆长度增加而增加。

当变频电机的绝缘线圈中通过脉冲电流时，短上升沿时间的脉冲波引起电压在线圈中的分布不均。在模拟电动机定子绕组上进行了电压波形的测量，表明在电动机定子绕组的首端几匝上承担了约80%过电压副值，这样绕组首匝处承受的匝间电压超过工频交流电压条件下平均匝间电压的10倍以，虽然仍远低于绝缘的击穿电压（变频导线可耐受工频电压13000V），但是已经超过了局部放电起始电压。可见局部放电是造成变频电机绝缘过早破坏的主要原因，而介质损耗发热、空间电荷、电磁激振以及振动等多种因素的存在加速了材料的老化过程。

变频调速系统的心脏部位就是变频电机，变频电机的使用寿命长短以及它的运行是否稳定安全都决定了整个变频调速是否能安全运行。而变频漆包线所组成的内部绕组则是电机实现变频的关键部位，为了避免变频电机出现寿命短、易被击穿的现象，漆包绕组线不仅需要具备良好的机械性能、热性能、电性能，还要具备优良的耐电晕性能。因此要想提高变频电机的使用寿命，其元部件漆包线的耐电晕性能是关键。但是变频调试装置充电后的脉冲波，其高耸的脉冲电压、陡峭的上升沿和很高的脉冲频率，还有局部放电和局部介电加热等因素对漆包线的使用寿命都是很大的挑战。在这种环境下，研究人员研制出了一种新式的变频漆包线，也就是能够抗电晕的耐电晕漆包线。变频电机、起重电机、调速电机都广泛使用此类耐电晕漆包线。

与传统的机械变速和直流变速电机相比，变频电机的供电电压频率高、上升沿短且是双极性脉冲电波，这就使变频电机在运行过程中要承受高频率脉冲电压的不断冲击，且会在工程中出现大的噪音和振动，也会有比较大的轴承机械磨损。且在脉冲电源下，电机中变频漆包绕组的运行环境更加恶劣，漆包线的绝缘遭受各种损害老化而丧失作用，致使变频电机使用寿命减短。这种老化的机理同交流工频电压下电机运作的机理完全不同，可说是十分复杂，因为在脉冲电压所产生的磁场电场交叉作用下，会产生多种物理和化学反应，且各反应之间相互影响相互叠加，造成了这种绝缘老化的繁杂性。但归根结底来说，老化的机理都可从电老化和热老化来进行分析。

（1）电老化。上文已经提到，在双极性高频脉冲电压的冲击下，变频电机的漆包绕组匝间易出现局部放电现象。局部放电就是引起各类物理和化学反应的重要因素，而电晕就是带电体表面在气体或液体介质中局部放电的现象，常发生在不均匀电场中电场强度很高的区域内（例如高压导线的周围，带电体的尖端附近）。其特点是出现与日晕相似的光层，发出“嗤嗤”的声音，产生臭氧、氧化氮等。电晕是极不均匀电场中所特有的电子崩—流柱形式的稳定放电。不均匀.电场的差别就在于空气间隙内，各点的电场强度不均匀，在电力线比较集中的电极附近，电场强度最大，而电力线疏的地方，电场强度很小。通常均将空气视为非导体，但空气中含有少数由宇宙线照射而产生的离子，带正电的导体会吸引周围空气中的负离子而自行徐徐中和。当加上高压后，会在电机附近产生空气的局部放电—电晕放电，电压再加高时，电晕放电更加强烈，致使间隙内发生刷状、火花放电，最后导致电弧放电（击穿）。因空气分子在碰撞时会发光，故电晕时在导体间断处可见亮光。这种电离子不断地侵蚀漆包绕组线的绝缘，加速了绝缘的老化过程，而PMW整流技术的高速导通和关断动作，使绕组线端被瞬间加载双极性对称高频脉冲方波而出现的尖峰过电压不断击中，绝缘被过度损耗。

（2）热老化。电机内部漆包绕组线所安装的位置空间十分有限，而激烈的电磁场活动必定使内部稀少的空气温度越来越高，受热膨胀的空气又使内部空间逐渐变小，如此循环往复，绕线组绝缘长期在这样的高温环境下作业，老化速度也随之加快，容易过早失效而加速被击穿。

另外，电老化的过程中也会加速热老化进程，而热老化也会使电老化加剧，二者相互影响相互促进。总之，变频电机用耐电晕漆包线的绝缘就在这循环往复的电老化和热老化的作用下被快速老化，使用的时间越长，绝缘的电性能、热性能都每况愈下，使用寿命不断减短，恶性循环，这是造成变频电机使用寿命不长最重要的原因。因此，在对耐电晕漆包线进行耐电晕性能的检测时，一般都通过电、热老化效应的相辅相成来进行衡量。

根据变频电机所使用的装置电源，一般漆包线耐电晕性能的检测涉及到以下几个变量。

（1）脉冲波形：脉冲波是一种间断的持续时间极短的突然发生的电信号。凡是断续出现的电压或电流成为脉冲电压或电流，电信波形除了正弦波和若干个正弦分量合成的连续波形以外，都可以称为脉冲波。常见的脉冲波形有：方形波、矩形波、锯齿波、尖峰波、三角波、梯形波。而变频电机中一般所使用的为双极性对称性脉冲方波。

（2）频率：一个周期内的重复次数，或每秒的周波数。

（3）脉冲电源：按照一定的时间规律，向负载加电一定的时间，然后又断电一定的时间，通断一次形成一个周期，如此反复执行，便构成脉冲电源。

（4）脉冲上升时间：由零电位开始施加电压到指定的电压值，电压上升过程成为上升沿，一般指从脉冲幅度的10%处上升到幅度的90%处所需的时间。这个过程是电压增大的过程。对于双极性而言，3000V实际是由电压±1500V两次冲击，上升沿以零电位至峰值计算。

（5）占空比：高电平所占周期时间与整个周期时间的比值。在一串理想的脉冲系列（如方波），正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。

对于变频电机用漆包线都要满足在高频脉冲下的性能测试，其主要测试原理为：在一定的测试温度下，给待测试样施加双极性定值高频方波电压，在此电压波形的一个周期内，包括了一个正电平、一个负电平、一个电压上升、一个电压下降；在此条件下测试制成绞线对形式的试样，直至其破坏、击穿，具体为通过下述规定参数测试条件下的寿命应不小于一定的电晕时间。

变频电机用耐电晕漆包线是新发展起来的新品种，国内外各厂家近年来都在大力开发各种类型的耐电晕漆包线。漆包线耐电晕性能直接影响到了变频电机的寿命，只有良好的耐电晕漆包线，才能使整机的使用达到安全、高效、耐用等指标。对于漆包线的耐电晕测试技术包括测试温度、测试频率、测试电压、脉冲上升时间、波形结构等要素及其机理要深入研究才能制造出性能优良的产品。变频漆包线的耐电晕性能是变频电机能否长期完好安全运行的保证，作为长期在高电场下工作的元件，检测漆包线的耐电晕性能高低有着重要的意义。市场上的耐电晕漆包线产品种类繁杂，耐电晕性能可能千差万别。目前针对漆包线耐电晕性能的国标尚未出台，这在产品质量的监管上存在漏洞，希望有关方面要加快国标的制定和推行，让该类产品的检测有据可依。

* [1]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.