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交流电机定子线圈匝间绝缘耐冲击电压试验标准及试验设备 2005.6 18 交流电机定子线圈匝间绝缘耐冲击电压 试验标准及试验设备 魏 威，苗万国，黎崇彬 （哈尔滨大电机研究所，黑龙江 哈尔滨 150040） 摘 要 本文简要介绍了交流电机定子线圈匝间绝缘耐冲击电压试验标准的形成过程和主要内容，同时 介绍了几种匝间绝缘耐冲击电压试验设备。 关键词 匝间绝缘；耐冲击电压试验；标准 中图分类号 tm303.1 文献标识码 b 文章编号 1000-3983(2005)06-0018-03 standard and equipment for the impulse test of inter-turn insulation of stator coils in ac electric machines wei wei, miao wan-guo, li chong-bin （harbin institute of large electrical machinery, harbin 150040,china） abstract: this paper introduces the derivation and main content of standard of impulse test for ac coils inter-turn insulation, as well as several types of test equipment used to perform the impulse test of interturn insulation. key words: inter-turn insulation; impulse test; standard 1 匝间绝缘试验标准的形成及发展 交流电机的定子线圈匝间绝缘是电机绕组绝缘的 重要组成部分。由于匝间绝缘的工作条件比较恶劣， 而其绝缘强度又相对较弱，因此在电机绝缘故障中， 匝间绝缘故障所占比重最大，严重威胁电机的安全运 行。为了提高交流电机匝间绝缘的可靠性，国内外针 对匝间绝缘结构和试验问题进行了大量的研究工作。 在改进和提高匝间绝缘结构的同时，不断研究匝间绝 缘的试验方法和试验设备，以图通过严格的试验来确 保匝间绝缘的可靠性。 众所周知，造成匝间绝缘电击穿的主要原因是出 现在电机定子绕组上的各种过电压，而不是正常的工 作电压。出现在交流电机上的过电压通常有两类：雷 电过电压和操作过电压。雷电过电压对电机的影响与 电机的供电系统有关。近年来，随着与供电系统的架 空线直接相连的交流电动机越来越多，交流电动机定 子绕组遭受雷电过电压的问题也显得日益突出。操作 过电压包括开断大电感或大电容引起的过电压、开断 限流式熔断器引起的过电压、由电站对地电位上升引 起的过电压以及由于系统故障引起的过电压等。它们 是交流电机经常遇到的过电压。其中近年来广泛使用 的真空开关引起的过电压最严重，因为其开关时会产 生多发重燃脉冲电压，这些冲击电压具有几分之一微 秒的波前时间。这就在定子线圈匝间形成很大的电压 应力，从而严重地威胁匝间绝缘。据有关报告指出， 真空开关造成的冲击电压的波前时间可达 0.1s，幅值 可达 4.6 倍相电压幅值（4.6p.u.） ，约有 50的通用大 型电动机受到比当时美国 ieee 规定的匝间绝缘耐压 值还大的冲击电压。 另外，近几年交流电机上采用新的馈电系统如采 用脉宽调制逆变器（pwm）的馈电系统正变得越来越 普及，而逆变器的输出电压通常会有反复出现的冲击 电压成分。 这种冲击电压叠加在逆变器的额定电压上， 而且其中的快速成分波陡幅值大。这样就使在电机定 子线圈匝间上承受的电压特别是第一匝上的电压大大 增加。 根据交流电机在实际运行中可能受到的冲击过电 压越来越严重的情况，美国电气和电子工程师协会 （ieee）和国际电工委员会（iec）分别于 1980 年和 1985 年提出了高压电机定子绕组耐冲击电压能力标 准， 其中 iec671 号文件规定额定电压 3kv 至 15kv 成 2005.6 大 电 机 技 术 19 型线圈匝间绝缘必须具有承受幅值为（4un5kv）计 算值的 50、 波前时间不小于 0.5s 的冲击波不少于 5 次冲击的能力。1990 年 4 月 iec 又以 iec3415 的形 式正式颁布了这个标准。 1987 年我国国家机械工业委员会公布了 jb/z293 87 指导性文件，提出了交流高压电机定子绕组匝 间绝缘试验规范 。该规范参照 iec671 号文件精神， 规定额定电压 3kv 至 15kv 交流电机定子线圈应具有 承受幅值为（2un2.5kv） 、波前时间不小于 0.5s 的 冲击电压试验的水平。 1995 年 iec 又颁布了 iec3415 第二版。第二版 iec3415 是在 1990 年 iec3415 第一版的基础上修 订的。修订的主要内容是提高交流电机定子绕组匝间 绝缘耐冲击电压的水平，包括试验用冲击电压的幅值 由（4un5kv）50改为（4un5kv）65，冲 击电压的波前时间由不小于 0.5s 改为s2 . 0 3 . 0 1 . 0 + 。 2000 年我国国家机械工业局颁布了行业标准 jb/z100982000交流电机定子成型线圈耐冲击电压 水平 。 该标准完全等同地引进了iec3415 （第二版） 。 也就是说，我国新的行业标准 jb/z100982000 比 jb/z29387 在对匝间绝缘试验电压的限值和波形方 面都有了很大变动：试验电压的限值提高了 30，试 验电压的波形更陡了，冲击波的第一个波的波前时间 仅为 0.2s（正偏差 0.3s，负偏差 0.1s） 。由于波头很 陡，冲击电压施加在定子线圈上会带来电压在线圈各 匝间分布不均匀，这意味着施加在线圈个别匝间绝缘 上的电压应力不是单纯地提高 30，而是高出更多。 这些标准的颁布不仅对交流电机定子线圈匝间绝 缘提出了很高的要求，而且对匝间绝缘试验设备提出 了很高要求。 2 匝间绝缘试验方法和试验设备 针对交流电机定子线圈匝间绝缘的试验问题， 国 内外曾有多种多样的试验方法及相应的试验设备。经 常用的试验方法主要有漏磁场检测法、感应电压法、 中频电压法、输入波形法以及脉冲电压法等，其中脉 冲电压法是目前国内外普遍采用的一种方法。这种方 法是利用充电后的电容器通过放电开关与被试线圈形 成有一定频率的阻尼高频振荡电路，从而在被试线圈 上产生衰减振荡脉冲电压。通过选择电容器的容量可 控制振荡频率在一定范围内变化。脉冲电压法相对于 其他试验方法的显著优点是可以产生较高的匝间试验 电压，从而有利于发现匝间绝缘故障。另外，脉冲电 压法可直接对被试线圈施加脉冲电压，并通过观察线 圈两端电压或流过线圈电流的波形变化来判断出线圈 匝间绝缘的好坏，应用起来比较方便。目前，国内外 的所有高压电机定子线圈匝间绝缘试验标准都推荐使 用脉冲电压法。 哈尔滨大电机研究所从20世纪80年代初起就开 始研制交流电机定子线圈匝间绝缘试验设备，并于 80 年代中期研制成功由电容器阻尼振荡放电产生衰减振 荡电压的匝间耐压试验器（型号 gzn30） ，其最高 输出冲击电压 30kv（峰值） 。gzn30 型匝间耐压试 验器对匝间绝缘的试验方法属脉冲电压法，其工作原 理如图 1 所示。 图 1 脉冲电压法基本原理图 图 1 中 cq为脉冲电容，s 为放电开关，rs为限 流电阻，rw和 l 分别为被试线圈的电阻和电感。直流 高压电源接通后，电容 cq开始充电。当充电电压达到 一定值后，控制放电开关 s（通常为球隙）放电，于 是电容 cq与被试线圈的电感 l 形成阻尼振荡电路， 在 被试线圈上产生衰减振荡脉冲电压。脉冲电压的振荡 频率约为 f=1/2。 gzn30型匝间耐压试验器的输出冲击电压 （峰 值）为 130kv 连续可调，脉冲电容器容量为 0.1f/40kv，冲击重复频率为每秒 3 次。匝间耐压试 验器的大部分高电压部件都安装在一个密封的油箱 内，采用球隙作为放电开关。使用安全可靠，操作灵 活方便。 gzn30 型匝间耐压试验器自上世纪 80 年代开 始在哈尔滨电机厂等单位开始使用。由于该匝间耐压 试验器输出的冲击电压完全与 iec671 号文件以及我 国 jb/z29387 规定的相同， 可以满足当时 10kv 级及 以下交流电机定子线圈匝间耐压试验的要求，而且性 能稳定、操作方便、价格低廉，因此受到用户的好评， 很快为越来越多的电机厂和电机修理厂认可，得到广 泛应用，有的电机厂甚至同时装备 45 台 gzn30 cq rw l 直流 高压电源 rs s 交流电机定子线圈匝间绝缘耐冲击电压试验标准及试验设备 2005.6 20 型匝间耐压试验器以备不同工序不同场合之用。 在 gzn30 型匝间耐压试验器的基础上，哈尔 滨大电机研究所又陆续开发出 gzn30b 型、qgz 30 型、 szs3 型等匝间绝缘耐压试验设备， 以满足不 同生产需要和用户要求。其中 gzn30b 型匝间耐压 试验器是 gzn30 型匝间耐压试验器的改进型。 其输 出电压不变，但极大地减小了试验器的体积和重量， 因此更方便在场地移动使用。qgz30 型匝间耐压试 验器是一种分离式匝间耐压试验器，它由两个箱体组 成，可根据需要很方便地进行分解和组装，适合于运 输到安装工地等现场使用。qgz30 型匝间耐压试验 器的最高输出电压（峰值）也是 30kv，但其重量还不 到 gzn30 型的一半，只有 50kg。szs3 型匝间耐 压试验器是一种对直流电机电枢绕组进行匝间试验的 专用设备，可对电枢绕组匝间施加规定的脉冲电压。 它输出的脉冲冲击电压直接施加在换向器的换向片 间，能有效检测出电枢绕组的匝间绝缘缺陷。szs3 型匝间耐压试验器具有输出电压高（单回路输出 0 3kv（峰值） ，双回路输出 02kv（峰值） ） 、脉冲能量 大、对绕组绝缘损伤小、故障显示灵敏等特点，是控 制直流电枢绕组匝间绝缘质量的重要检测设备。 根据 iec3415（第二版）和 jb/z100982000 两个新标准的要求，哈尔滨大电机研究所又研制出新 的 gzn45 型匝间耐压试验器。 该试验器的最高输出 冲击电压（峰值）达 45kv，冲击电压的波前时间达 0.2s，完全符合新标准的要求，可以满足额定电压 13.8kv 及以下交流电机定子线圈的匝间耐冲击电压试 验要求。 gzn45 型匝间耐压试验器集中了 gzn30 型 试验器的成熟技术，同时对控制电路、放电开关系统 和测量显示系统等进行了改进和优化。采用了全新的 数字示波器，不仅使波形的显示更加稳定清晰，而且 还具有存储功能。 使用时可预先将标准波形储存起来， 试验时可以随时将试验波形与标准波形相比较。 另外， 数字示波器还能随时显示与试验波形相关的数字参 数，如波形的频率、周期、幅值等，极大地方便了试 验人员的操作及判别。 除了哈尔滨大电机研究所以外， 国内还有多家单 位对交流电机定子线圈匝间耐冲击电压试验方法和试 验设备进行过有益的探索，本文不再一一介绍。 3 结语 经过多年的努力， 国内外对交流电机定子线圈匝 间绝缘耐冲击电压试验标准不断完善和提高。贯彻执 行匝间绝缘耐冲击电压试验标准是保证交流电机定子 线圈匝间绝缘质量的关键措施。哈尔滨大电机研究所 研制的各种型号匝间试验设备，技术指标先进，输出 电压幅值和波形完全符合 iec 的规定，运行稳定、使 用方便、安全可靠、信誉好，是各种高低压交流电机 和直流电机进行匝间绝缘耐冲击电压试验的理想设 备。 参 考 文 献 1 iec34-15 second edition 1995-01, impulse voltage withstand levels of rotating a.c. machines with form-wound stator coilss. 2 iec34-15 1990, impulse voltage withstand levels of rotating a.c. machines with form-wound stator coilss. 3 jb/t 100981999, 交流高压电机定子绕组匝间绝 缘试验规范s. 4 jb/t100982000, 交流电机定子成型线圈耐冲击 电压水平s. 5 b.k.gupta 等. 大型交流电动机的匝间绝缘能力第 一部分冲击监测j. 国外大电机，1989，