重复方波极性对聚酰亚胺耐电晕性能影响研究

陈君强，王 鹏，黄 寅，董 涵，顾洋豪

（四川大学 电气工程学院，四川 成都 610065）

0 引言

由于变频器与电机阻抗不匹配，脉宽调制（pulse width modulation,PWM）产生的高频、快速变化的脉冲电压易在电机端部产生过电压。同时，在电机的分布参数影响下，具有高频成分的脉冲电压在电机绕组内部常分布不均，易造成局部场强集中引起局部放电，导致变频电机绝缘早期失效现象时有发生[1-4]。模拟变频电机运行电应力，在重复方波条件下对变频电机起始放电电压及耐电晕性能进行测试，是评估变频电机绝缘结构及绝缘材料的重要手段，对提升变频电机绝缘系统的可靠性具有重要意义[5-6]。

聚酰亚胺（polyimide,PI）是综合性能最佳的有机高分子材料之一，具有较好的力学、耐高温和耐化学腐蚀性能，被广泛应用于绕包变频电机匝间绝缘。然而，受制于现有工艺，在电磁线制作、后期浸渍和烘干过程中，无法完全消除绝缘系统中的气隙、褶皱等缺陷。当变频电机绕组处于局部场强中时，缺陷位置更易产生放电（电晕），加速绝缘老化，这是造成变频电机绝缘早期失效的重要原因[7-8]。据此，高压电机采用具有耐电晕性能的聚酰亚胺，对提升变频电机的绝缘性能至关重要。

使用重复方波对应用于变频电机的绝缘材料进行耐电晕测试时，为得到客观、有效和分散性小的评估结果，重复脉冲电压参数的选择是首先应考虑的问题。研究指出，重复方波上升时间[9-10]、频率[11]、占空比[12]、对称性[13]和环境温度[14-15]对变频电机耐电晕寿命的影响显著。文献[16]分析了方波极性对绞线对PDIV和表面电荷分布的影响，认为极性对PDIV的影响较小。然而，对单极性与双极性重复方波下变频电机绝缘的耐电晕寿命对比研究却鲜有报道。

本文利用极性可控的重复方波耐电晕系统，在峰峰电压为6 kV、频率为2 kHz、上升和下降时间为150 ns、占空比为50%的重复方波电压下，研究方波极性对聚酰亚胺绝缘耐电晕寿命的影响。通过耐电晕试验过程中的局部放电统计和放电机理分析，对方波极性对耐电晕寿命的影响规律进行机理解释。研究结果有望为变频电机绝缘耐电晕测试中方波电压波形的选择提供实验和理论依据。

1 方波耐电晕测试系统的搭建

1.1 重复方波发生器

高压方波发生器主电路拓扑结构如图1所示。电路包含可分别产生可调正极性和负极性高压的直流电源+HV和-HV、高压储能电容CB1和CB2、起限流和控制波形边沿时间的正向和反向充电电阻R1和R2，以及高压固态开关S和容性负载CX。

图1 重复方波发生器电路拓扑图Fig.1 Topological graph of repetitive square wave generator circuit

1.2 重复方波耐电晕测试系统设计

重复方波耐电晕测试系统如图2所示，采用具有快速响应以及抗干扰能力的现场可编程逻辑门阵列（FPGA）作为本系统的核心控制模块，其主要功能为：①控制数模转换（DA）模块产生高压固态开关S所需的TTL触发信号；②与外部指示与控制面板产生通讯信号，控制整个系统的启停、运行状态指示以及击穿自动计时；③控制正、负高压输入回路上真空继电器的通断，以控制输出高压方波的极性；④通过霍尔传感器，采集负载输出线路上的电流信号，转换为电压模拟量后经模数转换（AD）模块输入FPGA进行处理，以实现短路瞬间的过流保护动作，实现耐电晕测试系统的过流保护；⑤通过分压器进行电压采集并通过电压转换电路转换为FPGA_IO电平，实时判断输出方波状态，在击穿短路瞬间形成压降保护，实现耐电晕测试系统的电压短路保护。

图2 重复方波耐电晕测试系统原理图Fig.2 Schematic of corona resistance test system under repetitive square wave voltages

1.3 耐电晕与局放测试平台整体框图

1.3.1 试样与电极支架

试样采用PI薄膜，厚度为0.05 mm，尺寸为22 mm×22 mm，放置于恒温箱内的球-板电极之间，如图3所示。其中球形电极、平板电极的直径分别为20 mm、50 mm，材质均为不锈钢，电极支架采用聚四氟乙烯耐高温绝缘板制成。由于薄膜表面可能存在灰尘、油污等污渍，采用99.5%无水乙醇擦拭表面，并在40℃恒温箱内静置2 h，尽量减小杂质对实验结果的影响。

图3 电极与电极支架Fig.3 Electrode and electrode holder

1.3.2 测试系统原理框图

本实验平台输出的重复方波包含纳秒级的上升时间，在电力电子器件快速开断产生的高频干扰影响下，传统应用于正弦电压下的局部放电测试方法（如高频电流传感器、检测阻抗直接耦合法等）不能应用在重复脉冲电压下[17]。为提升测试灵敏度，采用定制特高频天线配以频域滤波，构成重复方波电压下的PD测试系统，整个试验系统原理图如图4所示。

图4 实验系统原理图Fig.4 Schematic of experimental system

1.3.3 实验方法

在正极性、负极性和双极性重复方波下，固定峰峰值为6 kV、频率为2 kHz、占空比为50%、上升时间和下降时间为150 ns，设置环境温度恒定为40℃，对5组PI薄膜试样进行测试，记录其耐电晕寿命及PD统计特性，并采用高倍光学显微镜观察记录击穿点形态。

2 实验结果

2.1 局放放电特性

图5是相同实验环境下，双极性、正极性、负极性重复方波下的局部放电谱图（phase resolved partial discharge，PRPD）。

图5 重复方波下的PRPD谱图Fig.5 PRPD under repetitive square wave voltages

从图5可以看出，放电都集中在方波的上升沿和下降沿处。图6～8分别为双极性、正极性和负极性重复方波下上升沿和下降沿处整个耐电晕寿命测试过程的局部放电幅值分布图。可以看出3种极性方波下的局部放电幅值分布呈相似规律。图9为不同重复方波极性下上升沿和下降沿处整个耐电晕寿命测试过程中的局部放电幅值箱线图，其中Dr、Df分别为双极性上升沿、下降沿；Pr、Pf分别为正极性上升沿、下降沿；Nr、Nf分别为负极性上升沿、下降沿。

图6 双极性方波边沿PD分布图Fig.6 PD scatters under bipolar square wave voltages

图7 正极性方波边沿PD分布图Fig.7 PD scatters under positive square wave voltages

图8 负极性方波边沿PD分布图Fig.8 PD scatters under negative square wave

图9 不同极性重复方波下PD幅值Fig.9 PD amplitude under different polarities of repetitive square wave voltage polarities

从图9可以看出，各极性条件下耐电晕寿命测试过程中PD幅值差异不大，但PD幅值统计分散性存在差异，由大到小顺序为正极性、负极性、双极性，在正极性和负极性方波电压下，上升沿处PD幅值分散性都大于下降沿处，而双极性方波下，PD幅值分布较为均匀。

2.2 耐电晕性能

图10为不同方波极性下耐电晕寿命统计箱线图。从图10可以看出，耐电晕寿命主要集中在1 200～1 600 s，3种极性下耐电晕寿命未见明显差异。但不同方波极性下的耐电晕寿命分散性存在差异，由大到小顺序为正极性、负极性、双极性。由图9耐电晕过程中的局部放电幅值分散性可知，局部放电幅值分散性可能是影响图10中耐电晕寿命分散性的主要原因。

图10 不同极性重复方波下耐电晕寿命箱线图Fig.10 Box chart of corona resistance life under different polarities of repetitive square wave voltage

2.3 电击穿点特性

图11分别为双极性、正极性和负极性方波下5组击穿薄膜试样的典型击穿图。

从图11可以看出，耐电晕老化过程是一个渐进腐蚀的过程，最后均在试样与电极接触最紧密处产生击穿点。虽然击穿点都为贯穿性，但在负极性和正单极性重复方波条件下，击穿点附近还存在不规则纵、横向裂纹，而双极性下重复方波击穿点较为规则。

3 分析讨论

图12描述了双极性和正、负极性重复方波下（假设初始电子已形成）PD发生前后的场强变化过程。其中，电极之间的气隙场强为E0′(t)，外施场强为E0(t)。对于双极性重复方波（峰值场强为EP），PD发生前气隙场强E0′（虚线）等于外施场强E0（实线）。如果外施电压达到PDIV，并且有初始电子存在[18]，放电发生，电场 E0′下降到残余电场值 Eres。由于注入的电荷不能快速耗散，由PD积累的表面电荷引起的电场Esc保持不变[19]。当外施电场改变其极性时，气隙场强E0′随峰峰场强的增大而增大。由于达到的峰值为（2EP-Eres），大于PD初始激发场强，PD再次发生，E0′再次下降到数值-Eres，直到下一次极性翻转时刻。

图12 不同极性重复方波下电场变化过程Fig.12 The changing process of electric field under different polarities of repetitive square wave voltage

在单极性重复方波下，外加电场的峰值大小为双极性峰值的两倍，为使PD发生，气隙场强E0′要大于2EP。当PD发生时，气隙场强E0′减小为Eres，直到外施电场减小为零。E0′随外施场变化而变化，当变化值达到2EP时，即使施加的外部电压为零，也可能发生下一次放电，气隙场强E0′大小再次降为Eres。

由以上分析可知，对于双极性和单极性重复方波，Esc与外部施加电场方向始终相同，在每次电压翻转时，合成气隙场强E0′会减小至残余场强Eres大小（可近似为0），因此PD只发生在重复方波的上升沿和下降沿处。由此得出，重复方波峰峰值才是影响PD的主要因素，而变频电机匝间绝缘的PD是造成电机绝缘早期失效的根本原因[7-8]，所以重复方波极性对变频电机耐电晕寿命和局部放电特性无明显影响。

4 结论

利用搭建的重复方波电压下耐电晕测试系统，对比研究了正极性、负极性和双极性重复方波电压下聚酰亚胺的耐电晕性能，得到以下结论：

（1）放电发生后，在电压极性反转时的表面电荷作用下，重复方波电压极性对聚酰亚胺耐电晕性能无显著影响，重复方波峰峰值才是影响变频电机耐电晕寿命和局部放电特性的决定因素。

（2）不同方波极性下耐电晕寿命分散性和PRPD谱图放电幅值分散性呈相似规律，由大到小依次为正极性、负极性、双极性，局部放电幅值分散性可能是影响耐电晕寿命分散性的主要原因。

（3）在重复方波下执行变频电机绝缘耐电晕性能测试时，采用相同条件下的双极性方波有益于减小测试结果的分散性。