耐电晕漆包线局部放电起始电压自动测试系统设计

刘深圳，梁学昊，李尤鹏，贺慧勇

(1.长沙理工大学 物理与电子科学学院，湖南 长沙 410114;2.近地空间电磁环境监测与建模湖南省普通高校重点实验室，湖南 长沙 410114；3.长沙湘鸿仪器机械有限公司，湖南 长沙 410002)

0 引言

近年来，随着脉宽调制（PWM）技术的问世，电机交流调速技术得到了快速发展。变频电机具有调速性能好、容易启动、能效高等优势，在高速铁路、舰艇驱动、新能源汽车、工业生产等领域得到了广泛应用[1-3]。

然而，变频电机通常工作在高频率、快速变化的重复高频方波脉冲电压下，其绝缘系统会遭受更加严格的电应力考验，导致变频电机的寿命远小于工作在工频交流下的寿命[4-5]。研究表明，变频器与变频电机的阻抗不匹配会导致电机端部产生过电压，过电压在变频电机的定子绕组中分布不均匀，当过电压高于局部放电起始电压时，将可能发生局部放电现象，而局部放电是导致变频电机绝缘系统提前损坏的主要原因[6-7]。在重复高频方波脉冲电压下，局部放电信号的提取存在较大困难，局部放电一般淹没在上升沿和下降沿产生的强烈电磁干扰中，导致局部放电信号难以提取[8-9]。重复高频方波脉冲电压参数较多，如极性、频率、上升时间、下降时间、占空比等。对于不同重复脉冲电压参数下的变频电机绝缘PDIV测试已有文献报道[10-15]。文献[10]采用超高频天线检测法测试局部放电，在不同频率的方波脉冲电压和短脉冲电压下，研究了漆包线绞线试样的局部放电规律；文献[11]设计了局部放电起始电压与局部放电熄灭电压的自动测试系统；文献[12]研究了上升时间对局部放电频谱的影响。

然而，目前的研究大多都是使用示波器、紫外光谱仪等仪器进行漆包线PDIV的检测，而运用微弱信号检测和微型控制技术方法的研究却鲜有报道。为了准确测试PDIV，需要对不同试样在相同的环境中进行大量的测试，以获得统计特性。在本团队研发的耐电晕测试仪的基础上，设计了一种用于重复高频方波脉冲下耐电晕漆包线PDIV自动测试系统，可以使用上位机控制耐电晕测试仪的高频方波脉冲电源实现均匀自动升压，同时采集局部放电产生的高频瞬时电流，完成耐电晕漆包线PDIV的快速自动测试。

1 原理及测试系统

1.1 原理

在重复高频方波脉冲电压冲击下，耐电晕漆包线绞线试样的气隙绝缘系统中会产生瞬时电场，当瞬时电场强度大于局部放电起始电压下的电场强度时，将出现激发电子崩的初始电子，发生局部放电现象。在漆包线绞线试样两端加上高频方波脉冲电压时，会在方波脉冲的上升沿和下降沿产生瞬时电流，当方波脉冲电压小于PDIV时，产生的瞬时电流随方波脉冲电压增大而缓慢增加，并且瞬时电流频率较低；当方波脉冲电压大于PDIV时，产生的瞬时电流随方波脉冲电压的增大而快速增加，并且产生的瞬时电流频率较高。

对高频瞬时电流直接进行采样较为困难，通常需要使用数据采集卡、高频示波器等昂贵仪器，成本较高，难以应用到工业中。如果能将高频信号转化为低频信号，再进行局部放电信号采样将会大幅降低采样难度和成本，本系统使用峰值包络检波的方式将局部放电信号转化为直流信号。首先使用高频电流传感器（HFCT）对局部放电产生的瞬时电流进行采集。高频电流传感器等效电路如图1所示，主要包括采样电阻R、线圈等效电阻Rs、线圈互感M、线圈自感Ls、线圈杂散电容Cs[16]。高频电流传感器传递函数表示为式（1）。

图1 高频电流传感器等效电路Fig.1 Equivalent circuit of high-frequency current sensor

式（1）中：ω为工作角频率；Ls、M分别表示为式（2）、式（3）。

式（2）～（3）中：μ为磁导率；N为线圈匝数；h为磁性材料截面高度；D1为磁性材料内直径；D2为磁性材料外直径；S为磁性材料横截面积；l是磁路有效长度，如式（4）所示。

式（4）中，r1、r2分别是磁性材料内半径、外半径。

则传感器响应下限频率为式（5）。

传感器响应上限频率为式（6）。

由于高频电流传感器采集到的瞬时电流含有脉冲干扰成分，需要进行滤波处理，使干扰信号衰减。干扰信号频率越低，局部放电瞬时电流信号频率就越高，需要使用高通滤波器，并设置合适的截止频率，图2为高通滤波器原理图。图2中，R1=R2，C1=C2。

图2 高通滤波器原理图Fig.2 High-pass filter schematic

则高通滤波器的截止频率为式（7）。

经高通滤波器后干扰信号被衰减，在方波脉冲电压较低时，经滤波器后的高频电流信号较弱，无法进行检波处理，需要对滤波后信号进行放大，使得局部放电信号峰值大于二极管开启电压，以达到可以进行检波的条件。对高频电流信号放大后，通过检波的方式将高频信号转换为低频信号再进行采样。

二极管峰值检波电路如图3所示，该电路具有电路简单、易于实现的优点，主要由二极管VD和低通滤波器组成。二极管具有单向导电性，只有在输入信号电压大于二极管开启电压时才会导通，对电容C3进行充电，当二极管输入信号电压小于开启电压时，二极管不导通，电容C3放电实现检波功能。要完成检波，时间常数（τ）的选择至关重要，时间常数过大，输出信号跟不上输入信号的变化，会产生惰性失真；时间常数过小，高频纹波变大，输出信号电压不能达到输入信号峰值附近[17]。检波器时间常数为式（8），高频电流信号周期≪τ≪脉冲方波信号周期。

将高频方波脉冲电源从较低电压逐渐升高，并对检波后的局部放电产生的瞬时电流进行采样，瞬时电流开始较快增加的时刻对应的方波脉冲电压，即为耐电晕漆包线的局部放电起始电压。

图3 二极管峰值检波电路Fig.3 Diode peak detection circuit

1.2 测试系统

重复高频方波脉冲下耐电晕漆包线的PDIV测试系统如图4所示，上位机采用串口控制方波脉冲电源产生双极性高频方波脉冲电压，Cx为耐电晕漆包线绞线试样。高频电流传感器采集到的瞬时电流信号，经过滤波器、放大器、检波器、A/D转换电路，然后送入微处理器进行存储、分析等。方波脉冲电压每升高一次，进行一次数据采集和存储，然后由微处理器对数据进行处理并判断耐电晕漆包线的PDIV，最后将测试结果发送至上位机显示并保存。

图4 系统测试框图Fig.4 System test block diagram

2 漆包线局部放电信号的检测

2.1 高频方波脉冲电源参数

高频方波脉冲电源是局部放电测试系统中的关键部分，图5为高频方波脉冲电源原理图，由高压电源、限流电阻R、IGBT和负载Cx组成，IGBT管选取自带快恢复二极管的型号，分别为Q1、Q2、Q3、Q4；D1、D2、D3、D4为IGBT自带的快恢复二极管，4个IGBT与负载Cx组成H桥，高压电容C1与H桥并联，为负载提供瞬时电流。

图5 高频方波脉冲电源原理图Fig.5 High-frequency square wave pulse power supply schematic diagram

方波脉冲电源可产生峰峰值为0～3 kV的双极性脉冲电压，频率为2～20 kHz可调，上升/下降时间为100 ns。方波脉冲电源参数如表1所示，产生频率为10 kHz的波形如图6所示。

表1 方波脉冲电源参数Tab.1 Square wave pulse power supply parameters

图6 方波脉冲输出波形Fig.6 Square wave pulse output waveform

2.2 传感器和滤波器

耐电晕漆包线发生局部放电产生的瞬时电流频率较高，为了提取到高频电流信号，高频电流传感器需要采用导磁率较低的镍锌材料制作。在方波脉冲电压峰值为1 500 V、频率为10 kHz，负载为33 pF电容试样时，传感器输出波形如图7(a)所示，相同条件下负载为直径1.0 mm的漆包线绞线试样时，传感器输出波形如图7(b)所示。

图7 方波脉冲电源和HFCT输出波形Fig.7 Square wave pulse power and HFCT output waveform

由图7(a)可知，负载为高压电容时不会发生局部放电现象，高频方波脉冲电源陡上升沿和下降沿会对电流传感器产生较为强烈的干扰，方波脉冲频率为10 kHz时，干扰频率为20 kHz。由图7(b)可知，局部放电产生的高频电流信号频率较高，主要在80～140 MHz。采用截止频率为1 MHz的高通滤波器对20 kHz干扰信号进行抑制，传感器输出信号经过滤波器后的波形如图8所示。由图8可知，干扰信号被有效抑制。

2.3 放大器和检波器设计

局部放电产生的高频电流信号频率主要在80～140 MHz，频率较高，普通运算放大器难以满足需求，需要使用射频宽带放大器，本系统使用的射频放大器带宽为1 MHz～2 GHz，增益为32 dB。高频电流信号经过放大后，局部放电信号峰值大于检波二极管开启电压，经检波器后，将高频电流信号转化为低频信号。

图8 方波脉冲和滤波后输出波形Fig.8 Square wave pulse and output waveform after filtering

3 耐电晕漆包线的PDIV测试结果

3.1 漆包线绞线试样制备

本试验使用的漆包线绞线试样依据GB/T 4074.7—2009中的规定将样品制成扭绞线对。取5根长度为40 cm的漆包线，用绞线机加工成12.5 cm的绞线试样，使绞线试样夹角为60°，其中一端刮掉绝缘漆膜。

3.2 高频电流法测试结果

使用高频电流法测试时，方波脉冲电源从400 V开始匀速升压至1 500 V，频率为10 kHz，上升/下降时间为100 ns。测试试样为直径1.12 mm的漆包线，对比试验使用33 pF高压电容，不同电压下的采样结果如图9所示。由图9可知，试样为高压电容时，随着方波脉冲电源电压的升高，传感器输出电流逐渐缓慢增加；而试样为漆包线试样时，传感器输出电流在较低电压时随方波脉冲电源电压升高缓慢增加，此时未发生局部放电，在920 V左右时电流开始快速增加，此时发生了局部放电，漆包线绝缘介质内部发生局部击穿，判定漆包线试样的局部放电起始电压为920 V。

图9 双极性方波脉冲电压400～1 500 V下HFCT输出Fig.9 HFCT output under 400～1 500 V of bipolar square pulse voltage

3.3 不同频率方波脉冲对PDIV测试结果的影响

局部放电发生在方波脉冲的上升沿和下降沿，在不同频率的重复高频方波脉冲条件下，单位时间内发生的放电次数也不同。为了研究不同频率的方波脉冲对耐电晕漆包线PDIV的影响，选择不同直径的漆包线制成绞线试样，其他条件相同，通过改变方波脉冲电压频率，对绞线试样的PDIV进行测试，测试结果如表2所示。

表2 不同直径耐电晕漆包线在不同频率方波脉冲下的PDIV测试结果 (单位：V)Tab.2 PDIV test results of corona-resistant enameled wires with different diameters under different frequency square wave pulses

从表2可以得出，对于同一直径的试样，当方波脉冲电压频率改变时，PDIV随频率升高呈下降趋势，说明随着方波脉冲频率的升高，漆包线更容易在较低方波脉冲电压下发生局部放电。对于不同直径的试样，当方波脉冲电压频率相同时，PDIV随直径增加而呈上升趋势。这说明漆包线绝缘的厚度会影响PDIV，绝缘越厚的试样PDIV越大。与文献[4]中使用紫外光谱仪测试的结果相比，本研究测试结果整体趋势与其相同。

4 结论

本研究设计的PDIV自动测试系统采用高频电流法检测耐电晕漆包线PDIV，经过大量的试验测试，证明该测试系统可以高效、准确地检测耐电晕漆包线的PDIV。

方波脉冲频率会影响耐电晕漆包线的PDIV，漆包线的PDIV随方波脉冲频率的升高呈下降趋势；漆包线的绝缘厚度也会影响其PDIV，漆包线的PDIV随绝缘厚度的增加呈上升趋势。