（电力系统及其自动化专业论文）pwm变频调速牵引电机绝缘破坏机理的初步研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，r a i l w a y ，,transportation b e c o m e sm o r ea n dm o r eb u s yi nc h i n a a n ds o m el i n e se v e no p e r a t ew i t ho v e r l o a d t h u s ，i ti sp r o m i s i n gt od e v e l o p h i g h - s p e e dr a i l w a y i nc h i n a t r a c t i o nm o t o ru s e di n h i g h - s p e e d e l e c t r i c l o c o m o t i v ei st h en e c e s s a r ye q u i p m e n tw h i c he n a b l er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n d e v e l o p s t o w a r dh i g h s p e e dw i t l lh e a v yd u t y a s t h e k e yc o m p o n e n ti n a c d r i v ee l e c t r i cl o c o m o t i v e ，t h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c eo ft r a c t i o nm o t o rw i l l r i g h ti n f l u e n c e t h es t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yo f t h el o c o m o t i v e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , a c d r i v et r a c t i o n m o t o ri s d e v e l o p e di n t ob e i n gl a r g e rp o w e r , s m a l lv o l u m e ，l i g h t w e i g h t ，a n d h j g hs p e e d h o w e v e r , i ti sf o u n dt h a tt h ep r e m a t u r ef a i l u r eo fa d j u s t a b l es p e e d t r a c t i o nm o t o ri sp r o m i n e n ti ni t so p e r a t i o n ，w h i c hr e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n to f h i g h s p e e d e l e c t r i cl o c o m o t i v e a n da t p r e s e n t ，t h ep r e m a t u r e f a i l u r e m e c h a n i s mo fi n s u l a t i o ni sn o ts oc l e a r t h a t st h er e a s o nw h yi ti sn e c e s s a r y a n du r g e n tt os t u d yo nt h ef a i l u r em e c h a n i s mo f i n s u l a t i o n ，a n dt h e np r e s e n tt h e c o u n t e r m e a s u r e st om o t o rm a n u f a c t u r e st or e s o l v et h ep r o b l e m t h i sd i s s e r t a t i o na i m st of i n dt h ef a i l u r em e c h a n i s mo fi n v e r t e r - f e dm o t o r f i r s t l y , a n a l y s e st h ep o s s i b l ei n s u l a t i o ni n f l u e n c i n gf a c t o r si np w m i n v e r t e r , c o n n e c t i n gc a b l ea n dm o t o rr e s p e c t i v e l y , a n dh o we a c hf a c t o ri n f l u e n c e so n i n s u l a t i o n s e c o n d l y , d i s c u s s t h ei n f l u e n c eo ft h e e l e c t r i c a l ，t h e r m a la n d m e c h a n i c a la g i n go ni n s u l a t i o nd e g r a d a t i o n f i n a l l yd r a wt h ec o n c l u s i o nt h a t p a r t i a ld i s c h a r g e ，d i e l e c t r i ch e a t i n ga n ds p a c ec h a r g ei n d u c et h ei n s u l a t i o n b r e a k d o w nc o l l e c t i v e l ya n df a s tr i s e t i m ea n dh i g hc a r r i e r f r e q u e n c ya r e t h e p r i m a r yc o n t r i b u t i n gf a c t o r so f i n s u l a t i o np m m a t u r ef a i l u r e k e yw o r d s ：a d j u s t a b l e s p e e dt r a c t i o n m o t o r ；i n s u l a t i o n ；a g i n g ；p a r t i a ld i s c h a r g e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第l 章绪论 1 1 变频调速牵引电机的发展现状 1 1 1 交流传动电力机车的发展 我国的铁路运输一直处于十分紧张的状态，有些线路已经超负荷运行， 发展高速铁路迫在眉睫 1 】。为了适应高速铁路的发展，高速电力机车牵引 电机主要采用交流传动方式，交流传动机车对于提高牵引、制动性能和实 现高速度，以及减轻簧下重量、改善动力学性能、提高机车运行经济性具 有传统直流传动机车难以企及的优越性【2 】，已经成为轨道牵引动力的发展 方向，成为我国铁路提速、重载必需的装备。变频调速牵引电机作为交流 传动电力机车的关键部件之一，直接影响到机车的性能和可靠性。 交流传动牵引电机的发展源于2 0 世纪7 0 年代。伴随着电力电子技术 的发展，控制理论和微机控制技术的进步，8 0 年代以来，全控型电力半导 体器件应用于逆变器，实现了由脉冲宽度调制( p w m ) 控制输出交流基波 电压的幅值、输出频率的调速技术【3 】。交流传动牵引电机得以向大功率化、 小型轻量化、高转速方向发展。目前已有多种型号的交流传动电力机车和 高速电动车组广泛应用于铁路牵引。欧洲代表性的干线交流传动机车和动 车组有：e 1 2 0 ( a b b 等) 、r e 4 4 、4 6 0 、x 2 0 0 0 、1 4 5 ( a b b ) 、3 0 0 系( 三菱) 、 s 2 5 2 ( s i e m e n s ) 及b b 3 6 0 0 0 ( a l s t o n ) 型等【4 】。日本在1 9 9 0 年研制成功e f 5 0 0 型交一直- 交电力机车和新干线3 0 0 系列的交直交高速电动车组。2 0 世纪 9 0 年代以来，我国成功的开发了多款采用交流传动技术的电力机车和动车 组。a c 4 0 0 0 型电力机车的研制成功表明我国已具有开发交流传动电力机车 的能力。在此基础上，通过自主开发和创新，积极引进和借鉴国外先进技 术，研制出了符合我国国情的不同功率等级和不同用途的新型交流传动电 力机车，见图表1 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 表1 - 1 国产交流传动电力机车4 1 1 2 p w m 变频调速牵引电机的系统构成 p w m 变频调速牵引电机是采用电压型变流器供电的异步牵引电动机 系统，主要由变流器、连接电缆和异步牵引电机构成。如图1 i 所示。来 自接触网的单相交流电在牵引变压器中变换成所需大小的合适电压，经整 流器整流后供给中间回路。从传动特性来说，为了平衡功率波动，从而得 到尽可能恒定的转矩，电容器用作中间回路的储能器和滤波器，接受向中 间回路供给的瞬时电流和从中间回路取用的瞬时电流之差，使电压保持不 变。逆变器向牵引电机输出频率和幅值可变的三相电压，通过脉宽调制技 术，进一步改善输出电压波形。电压型变流器供电的异步牵引电动机系统 具有脉动转矩以及对电网的反作用小的特点，适用于较大功率的机车，所 以目前我国投入运营的干线交流传动电力机车绝大部分采用这种系统。 1 2 开展绝缘破坏研究的意义 1 2 1 变频调速牵引电机绝缘的发展与现状 铁路机车牵引电机因受机车空间的限制，其体积和重量都有严格要求， 随着机车向重载、高速化发展，牵引电动机必须大功率化和小型轻量化， 提高牵引电机的功率系数尤为重要。牵引电机要获得较高的功率系数，提 高牵引电机的允许工作温度是一条行之有效的途径。 经验表明，在同等体积( 或重量) 下，电机绝缘系统每上升一个绝缘 等级，电机的输出功率将要提高1 0 1 5 左右【5 】。在国外著名牵引电机( 包 括直流、交流异步电机) 制造公司如法国a l s t h o m 、瑞士a b b 公司、德国 s i e m e n s 、日本h i t a c h i 等公司，b 、f 级绝缘已基本被淘汰，而普遍采用h 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 级与2 0 0 。c 级，并已陆续采用全c ( 2 2 0 。c 以上) 级绝缘，通过提高牵引电 机的最高允许工作温度来达到提高电机输出功率和电机运行可靠性、延长 电机绝缘寿命的目的。我国机车牵引电机技术发展迅速，电机的绝缘等级 由b 级已发展到h 级，并已经形成2 0 0 。c 级绝缘结构牵引电机的研制能力 电机的轴输出功率也从7 0 0 k w 提高到了1 0 0 0 k w ，如表卜2 所示。 表卜2国产电力机车牵引电机绝缘系统的变迁f 5 j 图l - i 变频调速牵引电机的基本构成 目前，国内外变频电机的绝缘技术体现在【6 】：特殊绝缘的电磁线； 改进线圈端部、槽部和相间绝缘；线圈端部加强绑扎和绝缘；多 次浸溃或真空浸渍： 铜铁率最大化；使用高耐热等级的绝缘结构， 以提供热过载和高转矩能力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 根据电机的绝缘结构，变频电机的定子绝缘结构主要考虑的是主绝缘、 匝间绝缘和定子绕组的整体机械强度。大功率变频调速牵引电机绝缘结构 开发与改进的关键是匝问绝缘、主绝缘和浸渍漆。当前国内外变频调速牵 引电机绝缘技术发展迅速，主要表现为普遍采用2 0 0 级新型绝缘材料、真 空压力浸渍无溶剂漆和旋转烘焙。 近年来我国变频交流电机绝缘技术的进步很快，主要特点是以d u p o n t 公司的k a p t o n - c r 耐电晕薄膜作为导线匝问绝缘，以k a p t o n c r 耐电晕薄 膜、粉云母和玻璃纤维构成的国产复合带作为线圈的主绝缘，并采用与这 几种材料化学、物理相溶性好的2 0 0 级t j l1 6 0 无溶剂浸渍漆通过v p i 浸渍 工艺，使电磁线、复合带、浸渍漆及电机铁芯牢固地粘着在一起，形成具 有耐电晕、耐p w m 脉冲冲击，耐高温的绝缘体系，基本满足了异步牵引电 机苛刻的工作要求。但是，从电机的实际运行状况来看，现有的绝缘工艺 和技术不能满足变频电机长期安全，可靠运行的需要。 1 2 2 开展绝缘破坏研究的意义 1 变频电机绝缘过早损坏的问题目益突出 根据国外高速牵引电机的有关运行经验，采用i g b t 器件的p w m 变频器 后，出现了由于变频器的工作方式导致了绝缘过早损坏的情况i 刀。文献 8 】 指出，交流变频电动机的推广应用过程中，曾出现大批交流变频调速电动机 绝缘早期损坏的情况，许多交流变频电机运行的寿命只有1 2 年，有的只 有几个星期，甚至在试运行中电机绝缘就出现损坏，而且通常发生在匝间绝 缘。实践证明，过去几十年研究发展起来的工频正弦波电压下的电机绝缘 设计理论不能适用于变频调速电机，这给电机绝缘技术提出了新的课题。 因此，需要深入研究变频电机绝缘的破坏机理，建立交流变频电机绝缘设 计的基本理论。 2 缺乏行之有效的绝缘寿命评定办法 机车检修规程规定，行车达i 0 0 万公里时进行机车大修，对应的时间大 约为5 年，行车至2 0 0 万公里时达到运行寿命。目前正在研制的高速机车 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 1 年运行就可达1 0 0 多万公里，使得其运行寿命按原来的评估方式只有l 2 年，超过2 年后，应如何评价电机绝缘的状态尚无确定的方法。 3 电机总体绝缘技术水平有待提高 我国虽然在大功率机车牵引电机绝缘系统和绝缘工艺的开发方面取得 了长足的进步，电机的某些关键技术指标如功率系数和槽满系数已接近国 际先进水平，但与国外同类型机车牵引电机总体绝缘技术相比，存在较大 差异。我国针对变频电机绝缘破坏问题尚未开展系统深入的研究，这种状 况不利于我国发展拥有自主知识产权的核心绝缘技术。国产牵引电机使用 的高性能绝缘材料和耐电晕聚酰亚胺薄膜等依赖进口，价格昂贵，急需国 产化。 我国在交流传动牵引电机基础性技术研究方面起步较晚，尤其在核心 的绝缘技术方面，受材料制造技术和相关检测、试验技术等的牵制程度还 很大。因此，深入研究变频电机绝缘的破坏机理，在此基础上开发适应我 国高速机车变频调速牵引电机的绝缘材料和绝缘新技术，优化变流器的输 出参数、电缆和电机的绝缘结构和尺寸设计，可以提高变频电机绝缘性能 的可靠性，保证机车行车安全，为我国迅速发展高速铁路铺平道路。 1 3 国内外的研究进展 2 0 世纪9 0 年代，伴随着变频电机在轨道交通领域的使用和发展，其绝 缘过早损坏的问题引起广泛重视。在过去的l o 年里，国内外专家和学者针 对大功率交流器输出的高频脉冲波对电气绝缘系统( 尤其是定子绕组) 的 影响，开展了大量的研究工作( 9 】。但是，脉冲条件下绝缘的老化机理仍有 待深入的揭示和认识，因此，开展脉冲条下变频电机绝缘破坏的研究是十 分必要的。 p w m 变频调速牵引电机各环节实测电压波形如图卜2 所示。大致来看， 国内外针对定予绕组绝缘破坏的研究，主要集中在脉冲过电压与电缆特性 的关系，定子绕组上的电压分布特性和脉冲条件下的多因子老化三个方面。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 图卜2p 删变频调速牵引电机各环节实测电压波形 1 p w m 脉冲电压在电缆上的传播与电机端过电压 从图卜2 可以看出，变流器输出e a b 是具有极快上升沿下降沿的p 1 v m 脉 冲电压波。根据传输线理论，脉冲电压波经电缆传输，由于电机与电缆的 阻抗不匹配，将在电机的终端发生波的折射和反射，产生尖峰过电压和高 频振荡。c h u d o n 、r k e r k m a n 等 i o - 1 1 , a 5 】对电机端电压进行实测表明，过电 压的幅值可以达到电源输出脉冲电压幅值的2 3 倍，如图卜3 所示。过电压 的幅值和振荡的频率与电缆长度、上升沿时间及电缆和电机的阻抗等多个 因素有关”o j 2 。s k i b i n s k i 等【1 3 , 1 6 研究了电缆长度与尖峰过电压幅值及高频振 荡的关系，认为随着电缆长度的增长，过电压幅值增大，振荡频率减小： 电缆长度达到或超过某一临界长度时，电机端产生的过电压幅值近似为2 倍额定电压，但在临界长度的判据上还存在争议。文献【1 4 l 对于过电压和高 频振荡的抑制方法进行了研究，通过在电缆两端加电抗器或交流器输出端 串接电抗器，可以改善电机端电压特性。 2 p w m 脉冲电压在定子绕组上的电压分布 如前所述，到达电机端的尖峰过电压可达到2 3 p u ，在工频条件下， 这样高的过电压均匀分布在绕组上，不足以对定子绝缘造成损害；而脉冲 条件下，由于p w m 脉冲电压具有极短的上升沿，导致定子绕组中电压分布极 不均匀【17 硎。对于变频电机定子绕组匝间电压分布的仿真和测试表明，脉 冲上升沿极短的条件下( o 1 0 2 u s ) ，定子绕组电机端线圈的前几匝，主 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 要是第一匝承担了约8 0 的电压幅值( 2 4 1 ，如图l 一4 所示，其匝间绝缘受到尖 峰过电压的冲击，成为绕组的绝缘弱点。文献 2 0 通过仿真建立定子绕组 高频等效电路模型，探讨了定子绕组各等效电气参数对于匝间电压分布特 性的影响程度。 3 p _ | v m 脉冲电压下绝缘失效的影响因素 电气设备的绝缘老化是电( 高压和高频等) 、热和机械等多应力联合作 用的结果。这些因子长期作用促使绝缘的劣化和老化，最终导致绝缘失效 或过早损坏。为了找出变频电机运行过程中对于其绝缘失效最主要的影响 因素，文献 2 5 - 3 3 3 开展的工作体现在模拟电机运行条件，研究不同电压幅 值、频率和温度条件下，绝缘的老化特性；分析测试电压的极性、上升沿 时间、占空比等因素改变后，绝缘失效时间的变化规律。研究表明，电压 幅值高于匝间绝缘局部放电起始电压，绝缘寿命大大下降：温度、电压频 率、极性的变化、上升沿时间的大小对于绝缘都有一定的影响。 lil j 1 w m f ， f锚u | 一 | f ， i r 。i 。 ”= 靼6 组 图卜3 电缆两端的实测波形 1 4 本论文的主要工作 嚣 羞 世 蚓 罾 捌 辣冲电压上升沿时阐s 图卜4 电压分布与上升沿时间的关系【2 4 】 本论文紧密围绕p w m 变频调速牵引电机“绝缘”开展仿真、试验和理论 分析。论文共分为五章，第二章从变频电机系统的角度，分别探讨变频器、 电缆和电机三个环节中，相关电气参数、结构参数和材料属性对作用于绝 缘的脉冲电压特性参数、温度和机械应力的影响。回答了什么导致了p w m 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 变频调速牵引电机绝缘过早损坏的问题。第三章和第四章将重点放在绝缘 介质在脉冲条件下的老化上，分别通过试验研究了热、机械和电应力对于 绝缘劣化的影响，从而找出脉冲条件下变频电机绝缘薄弱环节的破坏机理。 回答了绝缘是如何破坏的问题。最后给出的是本文的结论及未来开展工作 的方向和建议。 论文工作得到了以下项目的资助： 1 p 咖变频调速牵引电机绝缘破坏机理及其对策研究( 株州电力 机车厂) 2 高速机车牵引电机绝缘电老化机理及表征的研究( 国家自然基 金n o 5 0 3 7 7 0 3 5 ) 3 高速机车牵引电机绝缘老化机理的研究( 霍英东教育基金 n o 9 】0 6 0 ) 一一 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章绝缘破坏影响因素的仿真与分析 2 1 变频电源输出的仿真和频谱分析 变频调速牵引电机逆变器普遍采用i g b t 作为开关器件，它集m o s f e t 和g t o 的优点于一身，既具有高输入阻抗，速度快，热稳定性好和驱动电 路简单的优点，又具有通态电压低，耐压高的优点，因此发展很快。从变 流器的发展趋势来看，一方面通过减小开关时间降低开关损耗；另外，通 过升高载波频率达到减小声噪声和机械振动的目的。然而，p 删脉冲电压 相当于重复的开关暂态，其高次谐波含量及其丰富，为此，本节主要研究 谐波对于绝缘的危害及变频电源各参数对于谐波含量的影响。 2 1 1 谐波对变频电机绝缘影响的研究 1 损耗及温升 谐波电流和谐波磁势将引起附加的谐波损耗，其中包括定子谐波铜耗、 转子谐波的铜耗、谐波杂散损耗和谐波铁耗。对异步电机，其铜耗等于各 次谐波铜耗之和，随着谐波分量的增加，铜耗势必增加。此外，由于谐波 磁势产生的漏磁使磁路的饱和程度有所增大，导致基波磁化电流增大，从 而使定子基波铜耗也稍有增大。同理，转子铜耗也随谐波的增大而增大。 由于谐波是基波的整数倍数次畸变波形，其频率要明显高于基波频率，这 就使得对频率敏感的存在于电机运动中的集肤效应，正比于频率的磁滞损 耗和正比于频率的平方的涡流损耗等附加损耗增加：在谐波电流和谐波磁 势作用下，谐波电流在定子和转子绕组端部建立的漏磁场沿轴向进入定、 转子端部叠片也将产生额外的涡流损耗。据现场运行经验，电机的损耗由 于电压和电流( 如图2 - 1 所示) 综合波的谐波成分增加而增加，由此导致 的电机附加温升引起电机定额降低达3 0 ，同时造成电机局部过热，加剧 绝缘的电老化和热老化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 且俪氟蝴 ， 灿 图2 一l p 删变额电源输出电压和电流示意 2 脉动转矩 由于电机气隙中存在基波磁势和一系列谐波磁势，因而除基波转矩之 外，还将产生一系列谐波转矩。这些谐波转矩可分为两类，一类是大小和 方向都不变的稳定谐波转矩由于稳定谐波转矩是由气隙谐波磁通和由它 感应出的转子谐波电流相互作用产生的，其作用是使异步电机运行的转矩 略有减小，但对异步电机运行性能的影响可以忽略不计。另一类是谐波脉 动转矩。例如，当电机定子含有5 次谐波时，5 次谐波磁场在转子内感应 出6 倍于基频的转子电流，它与主磁场一基波磁场作用，产生6 倍于基频 的谐波转矩，该转矩将使电机的电磁转矩产生脉动，此时电磁转矩的瞬时 值为： m = m o - i - m 。c o s ( 6 饥，+ ) ( 2 1 ) k = l 式中 m 矿一电磁转矩的恒定分量： m m 一电磁转矩波动分量的幅值； q 一基波角频率； 一波动分量与基波分量间的相位移： k 一正整数列。 可见，输出电源含有谐波分量时，电机转矩除了恒定的转矩，还产生 了脉动转矩。谐波次数越高，脉动转矩的频率越大。高次谐波将加剧电机 一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 的电磁振动，降低绝缘的机械寿命。 2 1 2p w m 电源参数对其频谱分布及含量的影晌 根据上节分析可知，大量谐波的存在将加剧绝缘的热老化和机械老化， 间接导致绝缘的电老化：为此，可以通过仿真的方法研究变频电源各参数 变化对于谐波含量的影响。仿真电路图如图2 2 所示。 图2 - 2 变频电源输出谐波含量仿真图 谐波含量的大小通过谐波总畸变率来反映，谐波总畸变率定义为 t h d =1 0 0 ( 2 2 ) 式中砜一第n 次谐波电压有效值 u 一基波电压有效值 1 开关频率对谐波总畸变率的影响 改变变频电源的开关频率，图2 2 分别给出了开关频率石为5 0 0 h z 、 1 0 0 0 h z 和2 0 0 0 h z 条件下谐波的分布及其含量。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 图2 - 3 不同开关频率下谐波的分布与含量 从图2 3 可见，变频电源的输出电压谐波分量主要集中在载波频率及 其倍频为中心的周围。如果提高载波频率，变频电源输出电压的主要谐波 也会相应分布在较高的频率段。这样，在变频电源驱动交流电机时，电机 的漏抗将会滤掉逆变器输出电压的高次谐波，而使逆变器的输出电流呈现 较好的特性。 不同开关频率情况下，谐波总畸变率与载波频率的关系，如图2 - 4 所 示。谐波总畸变率t h d 随着开关频率的增大而减小。故增大开关频率谐波 总畸变率减小，谐波总损耗随之减小，不同开关频率下谐波总畸变率和谐 波损耗具有相同的变化曲线。因此，开关频率越小，谐波总畸变率越大， 谐波损耗相应增大，不利于电机绝缘的安全运行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 图2 - 4 谐波总畸变率与开关频率的关系 2 调制比对谐波总畸变率的影响 在变频电源参数中，调制比将影响基波成分幅值以及谐波总畸变率， 这里主要分析调制比聊对谐波总畸变率的影响。 由图2 5 和2 - 6 可以看出，随着调制比的增大，电机定子基波幅值增大， 谐波总畸变率减小，输出波形得到改善，同时，在o z 。， 由公式( 2 - 3 ) 可知电源端反射系数r j 兰1 ，此处可等效为电缆末端短路， 发生电压波负的全反射和正的电流全反射，则第二次入射波电压幅值为 印2 印r f 。 77 r ：等 ( 2 3 ) z v + z 、 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 其中z 0 一电缆的波阻抗： z x 一电缆端特性阻抗： r 一反射系数。 同理，经过时间t t ，电机终端入射波再次发生电压波正的全反射和电 流波负的全反射，发射电压为e y 3 甜p 。电压波和电流波再一次入射至电 缆的过程如前所述。通过以上过脉冲波传播过程的分析，可以看出经过4 ， 脉冲波在电机端的入射和反射波相叠加，其幅值为： q = e ，+ e ，l + e ，2 + e ，3 = e f 1 + l + l f j + r 珊r f r m 】( 2 - 4 ) 当t 兰1 ，l = l 时，其幅值达到最小值零：在，= 2 t t 时，加在电机端 的电压达到最大值 u r = er 【l + 】= 2 e ， ( 2 - 5 ) 公式( 2 5 ) 没有考虑脉冲波在电缆上的传输时间和脉冲上升沿时间的 关系及传输阻尼。 ( 2 ) 考虑电缆的传输阻尼 u ，一= e f o e “ 1 + l 】( 2 - 6 ) ( 3 ) 考虑传输时间和脉冲上升沿时间的关系 当t l 2 t , 时 u ，= p r 占- t r 1 + 】 ( 2 - 7 ) 9 t 当t r v 崮 脚 霹 邕 匝数 图2 - 1 7 不同匝对地电容匝间电压分布图 匝数 图2 - 1 8 不同匝自感下匝间电压分布图 图2 - 1 9 以框图的形式简要说明了变频电源：电缆和电机各个环节对于 绝缘的作用关系，同时概括了第二章的主要内容。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 5 页 图2 1 9 电机各个环节对于绝缘的影响 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 6 页 第3 章电机绝缘热和机械老化破坏机理 在上一章，系统的分析了变频电源、电缆及电机三个环节中相关电气 参数、绝缘材料特性参数及尺寸参数对于定子绕组所承受脉冲电压特性的 影响。从绝缘的角度来看，由于变频电源输出参数和电缆的综合作用，含 有高频振荡的过冲电压不均匀的分布在绕组中，电机端部的几匝绕组承受 了较大比例的脉冲电压，因此在定子绕组中，这个部位的匝间绝缘成为整 个系统的绝缘弱点。大量的文献研究和运行经验同样证明了这一点。 在j d l l 6 型电机中，匝间绝缘材料采用的是美国杜邦公司开发的耐电 晕聚酰亚胺k a p t o nc r 薄膜( 厚度为2 5um ) 和具有高温粘结作用的t e f l o n f e p 薄膜( 厚度为1 2 um ) 复合绝缘材料，简称k a p t o nf c r 。在电磁线的 生产过程中，经过放线一校直一表面处理绕包绝缘一高频烧结一滚压一 绝缘层后处理一冷却一收卷将绝缘材料叠包在铜导体表面。 在电机的实际运行中，匝间绝缘不仅承受高频振荡脉冲的电应力作用； 由于电机运转损耗发热使运行温度达到1 3 09 c ，极限温度可能达到2 0 0 。c ， 因此绝缘同样承受了热应力的作用；此外，加工制作过程使绝缘引入不同 程度的机械缺陷，在运行中，定子绕组受到机械应力的冲击。这样，绝缘 会在电机长期运行过程中，受到电、热、机械力和其它因素，如光、氧、 潮气等的作用，其性能发生不可逆转的变化，产生老化，最终失效。那么， 哪些因素是变频电机绝缘过早损坏的关键因素? 绝缘是怎样失效的? 这是 本章和下一章重点研究的问题。 3 1 变频电机热老化对于绝缘的影响 热老化是材料在温度等因素的作用下，发生失重、相对分子量降低、 熔化、结晶度与交联度变化等过程从而使性能下降的现象，通常所讲的 热老化实际上包括热老化和热氧化老化等。热氧化老化是热和空气中的氧 联合长期作用所引起的老化形式。 为了研究变频电机匝间绝缘材料在热和氧的联合作用下，绝缘性能的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 7 页 变化，需要对于绝缘材料k a p t o nf c r 进行热老化试验，并且周期性的进行 绝缘性能非破坏性测试，从而确定热老化对于绝缘的影响程度和特征。 3 1 1 试样与设备 1 试样与地电极的制作 根据国际电工委员会标准i e c 6 0 8 5 1 5 进行矩形电磁线击穿电压和局 部放电测试试样的制作。将长度为3 5 0 r a m 的电磁线一端2 0 m m 长度的绝缘 皮拨掉，以固定直径5 0 r a m 从电磁线的中部将其弯折成u 形。u 型电磁线 试样放入金属容器中，容器内填满直径小于2 m m 的钢珠。容器和钢珠的联 合体作为地电极。试样在容器中与容器壁的距离大子5 r a m 。容器的尺寸为 1 3 0 x1 3 0 x4 2 5 m m 3 。试样的布置见图3 1 。 幽3 1 矩形电磁线试样 2 试验设备 老化恒温箱是绝缘材料老化试验用的主要设备。由于绝缘材料的热老 化寿命对于所处温度非常敏感。经验证明，材料暴露温度升高i o v ，热寿 命降低一半。因此，本次老化试验中恒温箱的温度波动为2 3 。此外， 空气中的氧气对于绝缘材料的热老化有一定的影响，为保证实验室内热老 化机理不偏离实际情况，试验中恒温箱内部的空气是流动的，可以与外界 环境进行气体交换的。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 8 页 3 1 2 热老化试验原理 绝缘材料的热老化寿命与温度根据化学反应动力学已经建立了一定的 理论关系，见公式( 3 - 1 ) 。可见，试验过程中通过提高温度来缩短试验时间， 从丽达到加速老化的目的是可行的。 inf：a+旦(3-1) t 式中r 一绝缘寿命； t 一绝对温度( k ) ： a ，6 一与材料有关的常数。 k a p t o nf c r 薄膜的耐热等级为2 4 0 等级，即在2 4 0 条件下短时间绝 缘不会有显著的性能变化，而且在该温度下长期运行时绝缘也不发生不该 有的性能变化，并能承受正常运行时的温度变化。为了避免因试验温度过 高导致热老化机理改变以及温度过低而导致试验时间过长，热老化试验温 度选取为2 6 5 。c ；参照i e c 一3 4 1 8 3 3 ，老化总时间丁的选取为2 0 3 0 0 天： 本次热老化试验的主要目的是根据能够反映绝缘性能变化的特征参量，确 定在高温作用下绝缘的性能变化和特征，因此热老化总时间为6 0 0 个小时。 根据i e c 标准推荐，老化周期 1 0 ，本次试验老化周期n = 1 0 ，即每个老化 周期为6 0 个小时。热老化试验的方法与步骤为： 1 ) 试样分为l o 组，每组5 个进行标记后放入烘箱，进行加热。加热温 度为2 6 5 。c ，加热时间6 0 个小时为一个周期，共进行l o 个周期，共计6 0 0 个小时。 2 ) 加热每隔1 个周期取出1 组试样，直至6 0 0 个小时加热完毕取出第 1 0 组试样。 3 ) 热老化试验结束，分别对每组试样进行局部放电测试，测试电压为 1 2 0 0 v ，得到该电压条件下1 0 组试样局部放电的基本参量、分布参量和统 计参量的统计结果。 4 ) 进行数据的分析、处理。通过绝缘特性测试中获得的特征参量变化 趋势，确定热老化后k a p t o nf c r 薄膜性能变化和特征。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 9 页 3 1 3 局部放电测试方法与实现 在电场作用下，绝缘系统中只有部分区域发生放电，而没有贯穿施加 电压的导体之间，即尚未击穿，这种现象称为局部放电【3 “。上个世纪初期， 电气设备中发生局部放电的现象就已经被人类认知。发生局部放电的主要 原因是绝缘体内部或表面会出现某些区域的电场强度高于平均电场强度， 某些区域的击穿场强低于平均场强，因此在某些区域会首先发生放电，而 其它区域仍然保持绝缘的特性，这就形成了局部放电。实践表明，绝缘内 部产生局部放电将大大降低绝缘寿命。近年来，放电的检测与识别已经成 为现代绝缘结构与系统性能评估不可缺少的重要手段之一。 局部放电是一个复杂的物理过程，具有随机特性，伴随着电荷移动， 声波和光的产生等现象1 3 ”。目前我们采用的局部放电检测方法是通过检测 电荷移动来实现的。局部放电的测试回路如图3 2 所示，试验回路主要由 专用电源、稳压单元、电压控制单元、低压低通滤波( l v f ) 环节、高压 低通滤波( h v f ) 环节、变压器、被试品c x 、耦合电容c k 、检测阻抗z d 和t e 5 7 1 组成。电压控制单元实现电压幅值的调节、试品上施加电压的监 视和电源系统的保护。l v f 环节滤掉从电源传来的高频分量，特别是在测 量频带( 一般取4 0 - - 4 0 0 k h ) 范围内的分量。h v f 除了进一步滤掉电源来的 高频分量之外，还可以抑制试验变压器本身局部放电对测量的干扰以及阻 塞试样的放电电流，使之不会被试验变压器的入口电容所旁路，以提高测 量的灵敏度。耦合电容器的作用，一方面是隔离工频高压，使检测阻抗上 承受的工频电压很低，以保证测量装置能安全工作；另一方面将试样的局 部放电信号耦合到检测阻抗上来，使脉冲电压包含在被试物、耦合电容器、 检测阻抗的闭合回路内。检测阻抗起采样作用，取得局部放电所产生的高 频脉冲信号，对试验电压的工频及其谐波的低频信号则予以抑制。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 0 页 一一二-_-_。一 啦 鼹 图3 - 2 局部放电测试回路 采用脉冲电流检测法( e r a ) 的检测过程是这样的，当一定幅值的电压 施加于试品c x ，使其发生局部放电时，局部放电所产生的电荷交换，使试 品两端出现视在放电电荷，试品c x 两端产生一个瞬时的电压变化u ，此 时耦合电容c k 为高频放电电流提供低阻通路，则在检测阻抗z d 产生一脉 冲电压信号，这个信号的大小正比于试品上的视在放电电荷。脉冲电压信 号送入后端t e 5 7 1 局部放电检测仪，进行放电的诊断和识别。 通过t e 5 7 1 局部放电测试仪的数据采集和分析，在定的测试时间内， 可以得到以下局部放电的基本参量和统计参量，见表3 一l 。 表3 - 1 局部放电参量 视在放电量q 、放电重复率、放电相位舻 时间分布反映基本参量随测试时间的变化规律，如最大放电量 g 。、平均放电量舶、起始放电电压分布矾。、 放电脉冲密度似、敷电能量p 似 基本参量 相位分布描述一个参量在一个周期内各个相位上的分布情况， 如月j 。( 妒) 日。( 妒) j l ( 妒) 组合分布反映基本参量在一个周期和相位上的分布密度，如放 电脉冲的幅度谱密度日锄、放电能量分布h 伊) 、放 电三维分布日。( 妒，q ) 统计参量对相位分布参量和谱分布参量进行统计分析，共有2 9 个统计参量。 如值斜度鼬琊船、毯度肋碍口肪等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 局部放电的状态是与绝缘体中存在的缺陷及绝缘的老化有关，鉴于局 部放电的复杂性，必须通过多种表征参数才能全面地反映绝缘状态。本次 老化试验涉及以下分布参量和统计参量，它们随着老化程度的加剧显现出 一定的变化规律，能够反映绝缘在热老化的作用下内部缺陷的微观变化。 最大放电电量h 。一( 妒) 表征一段时间内在某一个相位上出现的放电量 最大值：平均放电电量h 。( 妒) 表征某一相位放电的平均值大小；放电重复 率h 。( 矿) 则表示单位时间内某一相位的放电次数的平均值。起始放电电压 ( p d i v ) 的定义为，在外加电压逐渐上升，达到能观察到的局部放电时的 最小电压，即为起始放电电压。 偏斜度是描述一个随机变量的概率分布相对于正态分布的不对称程 度。其中p f 为x f 在第f 个相位窗出现的概率，均值为_ ，方差为口。其定 义见公式( 3 - 2 ) 。偏斜度对于鉴别绝缘中气隙的形状是很灵敏的。如果 气隙是介质内部扁平的气隙，或分散在绝缘内部的小气隙则( 中- q ) 分布 图的偏斜度为正值：狭长气隙的放电以及绝缘中形成了电树枝的局部放电， 则( 由一q ) 分布图的偏斜度变为零或负值。”。 船：堕二丛墨( 3 2 ) 盯。 峭度是描述个随机变量的概率分布相对于正态分布的尖锐程度。定 义见公式( 3 3 ) 。峭度可以有效地鉴别绝缘内部的多气隙和树状放电，此 时该值为负，相反，如果绝缘内部的放电弱点只有一个，那么该值为正。 k u ；( x , - _ i z ) 一p i 一3 ( 3 3 ) 仃 互相关系数用来定量表征两种分布之间的相互关系。如果把局部放电 相位分布参量在正、负半周的分布看成两种分布，那么互相关系数可以定义 为公式( 3 4 ) 。如果放电基本参量在电压正、负半周的分布完全对称，则 c o 为l ；反之，如果分布完全不对称则为0 。“。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 2 页 葺y 一x , y n l 工。2 一( x ，) 2 仃f i y 。2 一( y ，) 2 n i ( 3 4 ) 此外，为了表征正、负半周放电相位谱图的幅值和相位对称关系，同 时引入不对称对印锄糟奶，和p h a s e 两个概念。分别定义为式( 3 - 5 ) 和( 3 - 6 ) 修正相关系数的定义如式( 3 - 7 ) 。 一删却，= 器 加2 薏 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 试验和非破坏性局部放电 趋势如图3 3 和3 - 4 所示。 测试，部分局部放 图3 - 3 最大放电重复率变化趋势图3 - 4 最大放电量变化趋势 从最大放电量g 一的变化趋势来看，在热老化进行了6 0 小时后进行测 试，g m “的值明显变小，但是随着老化时间的延长，g 。又继续增加。老化 时间进一步延长，其变化规律并不明显。可见，随着热老化程度的加剧， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 3 页 4 。的大小不能作为反映老化程度的特征参量，这可能是由于：局部放 电对绝缘的破坏是与实际放电电荷有关，而测得的只是视在放电电荷，并 不是实际放电电荷。放电量的大小受到测试环境、测试前局部放电的影 响波动很大。放电量的大小只是反映最大一个缺陷的放电电荷，不能反 映放电次数和放电能量。从放电重复率，z 的变化趋势来看，随着老化时间 的增加，同样在老化6 0 小时的时候出现放电重复率减小的现象，随后该值 不断增加。n 随热老化时间延长不断增加可以解释为：气隙的击穿电压 降低；介质的相对介电常数变大。结合图3 - 3 和3 - 4 来看，k a p t o nf c r 薄膜加热6 0 个小时呈现绝缘性能好转的趋势，这主要由于电磁线是在高温 下成型的，局部放电导致的介质加热使得局部温度升高，温度升高有利于 高温下成型的绝缘介质消除内部的机械应力和缩小气隙，从而减弱局部放 电。这是温度对于介质正面的作用。继续加热，则温度对于介质的绝缘性 能起到负面作用。 文献 3 8 1 表明，放电量的某些统计量与绝缘的状态与老化程度有更密 切的关系。绝缘内部的缺陷类型与以下三个统计参量有如下的对应关系， 如图3 5 所示。 从图3 - 5 可见，介质内部缺陷的形状、大小、位置和数量等不同，上 述三个参量的统计数值也不同。这样，某些统计参量的集合可以成为缺陷 的指纹库，每种缺陷对应唯一的一种指纹，这使得通过局部放电测试，识 别相关统计参量，既而评判绝缘状态和缺陷类型得以实现。 本次热老化试验得到的上述统计参量变化规律如图3 - 6 3 8 所示。从 偏斜度看，热老化初期船+ 和s k 均为正值，而峭度舭+ 和肋均为负值， 表明k a p t o nf c r 薄膜经过绕包，线圈生产、加工过程后，投入电机运行前， 内部即存在分布均匀的小气隙( 这是不可避免的) 。热老化过程中，融琊 醋啪值由正逐渐减小到零，6 0 0 个小时的时候成为负值。参照3 5 ( a ) 。船 的减小可能是由于绝缘内部出现了狭长的气隙或者树枝状缺陷，由于单纯 的热老化不会导致树枝状的缺陷产生，所以酣减小可以解释为分布均匀的 小气隙部分连通发展成为平行电场方向的狭长气隙。翘度主要用于鉴别气 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 隙的数量和树状放电，经过6 0 0 个小时的电老化，肋值在正、负半周均减 小，说明绝缘内部的气隙数量增加。考虑到互相关系数。c 与修正互相关系 数i i ，c c 的具有相同的变化趋势，分析图3 - 8 互相关系数c c 的变化趋势，随 着加热的时间增加，该值逐渐增大。根据图3 - 5 ( c ) 推知，绝缘内部可能 出现垂直于电场方向的大尺度的气隙或者平行于电