（高电压与绝缘技术专业论文）变频调速牵引电机绝缘局部放电行为及影响机理的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 摘要 随着电力电子技术的发展，变频调速交流传动系统在牵引机车中得到广泛 应用。但采用该系统后，逆变器输出的p w m ( 脉冲宽度调制) 高压方波脉冲的 上升沿很陡、频率很高，导致在p w m 脉冲电压下牵引电机绝缘过早失效。传统 交流电机绝缘设计方法和理论已不完全适用于变频调速电机，因此对变频调速 牵引电机绝缘技术进行系统的研究迫在眉睫。本论文在总结国内外变频电机绝 缘技术研究成果的基础上，以影响变频调速牵引电机绝缘老化的主要因素之一 局部放电( p d ) 为具体研究对象，详细地研究了变频牵引电机绝缘的局部放电 行为及机理。通过这些研究，将极大地促进变频条件下绝缘老化和击穿理论的 发展，使变频调速技术应用前景更加广泛。 因为局部放电信号属于随机信号，出现概率和放电幅值受到初始电子延迟 时间的影响大，而初始电子的出现基本上随机的，因此对该信号的统计和分析 一直是国内外的热点问题，有待进一步开展研究。此外，不同方波脉冲条件下 绝缘的局部放电行为及影响机理国内外观点尚未统一，仍需进一步研究。 本论文针对以上问题开展了一定的研究工作。首先确定了绝缘的老化及局 部放电测试方法，在局部放电测试过程中加了紫外光照射，通过紫外光激发光 电离，增加初始电子的出现概率，减少统计时间延迟的影响。其次，对不同条 件下老化后的试样做了扫描电镜( s e m ) 分析，微观上分析了局部放电对绝缘 的破坏，同时对比了不同绝缘材料的耐电晕性能。最后重点研究了不同参数的 脉冲电压对纳米、非纳米聚酰亚胺膜和电机定子绕组的绞线对试样的局部放电 行为和机理的影响。结合s e m 图片分析了不同脉冲参数对局部放电的影响机 理。论文工作为研究高压方波脉冲下变频电机匝间绝缘的破坏机理及寻求相应 的防护对策打下了良好的基础。 关键词：牵引电机；方波脉冲；老化；扫描电镜；局部放电 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g hp o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e s ，f r e q u e n c yc o n t r o l d r i v es y s t e m sa r ew i d e l yu s e di nt h ef i e l do fl o c o m o t i v et r a c t i o n p u l s ew i d t h m o d u l a t e df p w m ) t e c h n i q u ew h i c hp r o v i d e sm o t o r s u p p l yv o l t a g e si sc h a r a c t e r i z e d b ys q u a r ew a v e f o r m s ，w i d t hm o d u l a t e d , w i t hs t e e pr i s ef r o n ts l e wr a t eu pa n dh i g h p u l s er e p e t i t i o nf r e q u e n c y f o rt h i sr e a s o n ，e l e c t r i c a li n s u l a t i o no f t r a c t i o nm o t o rc a n b ep r e m a t u r ef a i l u r e su n d e rs u c hp u l s ew a v e f o r m s b e c a u s ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e t e c h n o l o g yo fa cm o t o ri sn o tc o m p l e t e l ys u i t a b l ef o rt r a c t i o nm o t o rs u p p l i e db y s u c ha d j u s t a b l es p e e dd r i v e sa n y m o r e ，i ti se s s e n t i a lm a tc o m p r e h e n s i v er e s e a r c hf o r e l e c t r i c a li n s u l a t i o no fe l e c t r i cm o t o rs u p p l i e db yp w m v o l t a g e t h et h e s i si sb a s e d o nt h el a t e s tr e s e a r c hr e s u l t sa th o m ea n da b r o a d ，a n dp a r t i a ld i s c h a r g e ( p d ) w h i c hi s o n eo ft h em a j o rf a c t o r sl e a d i n gt oa g i n go fi n s u l a t i o n si su s e d 餐m a i no b j e c t s a c t i v i t ya n dm e c h a n i s mo fp do fi n s u l a t i o ns y s t e mo ft r a c t i o nm o t o rs u p p l i e db y a d j u s t a b l es p e e dd r i v e si si n v e s t i g a t e d t h e s er e a s e a r c hr e s u l t sw i l lg r e a t l yp r o m o t e a d v a n c e m e n to ft h e o r yo fa g i n ga n db r e a k d o w nu n d e rs u c hp u l s ec o n d i t i o n a sa r e s u 地f r e q u e n c yc o n t r o lt e c h n i q u ec a nb ew i d e l yu s e d a st h ep ds i g n a lb e l o n g st or a n d o ms i g n a l ，o c c u r r i n gp r o b a b i l i t ya n dd i s c h a r g e a m p l i t u d ea r el a r g e l yi n f l u e n c e db yt h ed e l a y - t i m eo fi n i t i a le l e c t r o n h o w e v e r , t h e a p p e a r a n c eo f i n i t i a le l e c t r o ni sg e n e r a l l yr a n d o m ，s os t a t i s t i c sa n da n a l y s i so ft h a t s i g n a li sa l w a y st h eh o ti s s u eh o m ea n da b r o a d ，w h i c hn e e d st ob ef u r t h e rr e s e a r c h e d m o r e o v e r , au n i f i e dv i e w p o i n to np da c t i v i t i e sa n dm e c h a n i s mo fi n s u l a t i o nu n d e r d i f f e r e n ts q u a r ep u l s e sh a v en o tb e e nr e a c h e dp r e s e n t l y , w h i c ha l s on e e d st ob e f a r t h e rs t u d i e d t h i st h e s i sd e v e l o p sr e s e a r c hw o r ka i m i n ga tt h ea b o v ep r o b l e m s f i r s t l y , s e tu p t h ei n s u l a t i o na g i n ga n dp dm e a s u r e m e n tm e t h o d u l t r a v i o l e tl i g h t i n gw a sa d d e d d u r i n gt h ep r o c e s so fp dm e a s u r e m e n t , w h i c hw a su s e dt oe x c i t ep h o t o i o n i z a t i o n ， a d dt h ea p p e a r a n c ep r o b a b i l i t yo fi n i t i a le l e c t r o n , a n dd e c r e a s et h ei n f l u e n c eo ft i m e d e l a y s e c o n d l y , s e ma n a l y s i so fs a m p l e sa g e du n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sw a s c o n d u c t e d t h ei n s u l a t i o n d a m a g ed e g r e ec a u s e db yp dw a sm o r e d 眈c t l v u i l d e 咖0 df r o mm i c r o c o s m i cl e v e la n dm e a n w h i l ec o m p a r e t h ec o r o n a - r e s i s t 锄t c a p a b i l i 锣o fd i 触e n ti n s u l a t i n gm a t e r i a l s f i n a l l y , t h ei n f l u e l l c eo f p u l s ev o i t a g e w l t i ld 1 腼e n tp a 舳e t e r so np d a c t i v i t i e sa n dm e c h a n i s mo f n a n o - p 0 1 洫i d ef i l m , c o m m o np o l y i m i d ef i l m a n dt w i s t e dp a i ro f s t a t o rw i n d i n g 岫咄l y r e s e 砌e d _ in l sn l e s l s l a y sas o l i df o u n d a t i o nf o rt h er e s e a r c h o nd 锄a g em e d 戚s mo f 懈咖呦l a t i o no fi n v e r t e r - f e dm o t o r u n d e rh i g hv o h a g es q 啪w a v e p u l s ea i l d k e y w 。r d s ：吼t i o nm o t o r ，s q 嘶w a v e p u l s e ，a g i n g , s e m ，p 硎a 】d i s c h 犍e 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d ，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：郭，t 霞 日期：伊六j 以 指导老师签名：关尹孑 日期：纠一7 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本论文创新点如下： 设计了一种新的脉冲电压下局部放电测量系统，并在局部放电测试中加了 紫外光照射，通过紫外光激发光电离，增加初始电子的出现概率，减少统计时 间延迟的影响；对老化后试样进行扫描电镜测试，从微观上分析绝缘老化机理： 对提取到的局部放电信号进行了相位分析，研究不同脉冲频率及不同上升时间 下局部放电行为及影响机理。 铷稳裨x 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 变频调速牵引电机的特点及绝缘技术 1 1 1 变频调速牵引电机的特点 2 0 世纪7 0 年代后期，随着电力电子技术的发展，大功率电子半导体器件 的出现，在微电子技术和自动控制技术基础上，制成了体积小、功率大、效率 高的变频调速装置。这些高新技术的发展使交流牵引电机在高速动车组中得到 应用，出现了交直交流电传动系统。它的工作原理是将电网上的高压交流电， 通过变压器降压和四象限整流器转换成直流电，再经过逆变器将直流电转换成 可调压调频的交流电，输入三相异步( 或) 同步牵引电动机，带动车轮运行。 随着日本、法国和德国高速铁路投入运营并取得成功，磁悬浮试运行线在 上海开通，我国正逐步形成高速铁路热。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。高速牵引机车是高 速铁路发展的关键，随着大功率开关器件的开发及应用，出现了采用调节频率 和电压的交流电机调速方式，从而机车牵引传动进入了交流传动时代。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，已经 成为轨道交通牵引动力的发展方向，成为我国铁路提速、重载必需的装备。 交直交流电传动系统的优越性非常显著，目前在德国、日本和法国新研 制的高速电力机车和动车组上应用，并代表了高速机车传动方式的发展方向。 其主要优点有：起动牵引力较大，恒动调节速度的范围较宽，有良好的粘着 特性和自动防车轮空转的性能。三相异步交流电机，功率大，体积小，重量 轻，维修简单，可减轻簧下重量，有利于列车高速运行。机车的功率因数接 近于1 0 ( 交直流传动系统为o 8 5 ) ，谐波电流小，减轻了对通信系统的干扰。 在机车制动时，可使交流电返回电网，实现再生制动，节省多口。 近年来，牵引电机正在逐渐向大功率化、小型轻量化、快速化、高速化方 向发展。变频交流电机逛过变频器完成输出电压幅值、频率的调制，这个调制 主要是逆变器按脉宽调制的方式来完成的。因而逆变器起着重要的作用，7 0 年 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 代中期以前，逆变器几乎都采用无自关断能力的晶闸管，到7 0 年代中朗以后， 随着电力电子技术的发展，逆变器由具有自关断能力的主开关元件组成，出现 了脉冲宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w 旧的控制方式【1 】，从而机车的功 率得到了大大提高，同时机车速度也获得了巨大提升，达到了3 0 0 k m h 以上， 世界各国也趁此机会大力发展高速列车，掀起一股高速列车热潮。表1 1 是国 际上高速列车的试验速度【2 】。 表卜1 高速列车试验速度 国别列车型号 最高试验速度( k n 地) 法国v 1 5 05 7 4 8 德国i c e f v4 0 6 9 日本 3 0 0 x 4 4 3 1 9 9 6 年6 月我国研制成功的第一台交直交流电传动电力机车a c 4 0 0 0 型， 采用三相交流异步牵引电动机，每台电机功率为1 0 2 5 k w ，重量为2 4 4 t 。功率 比现用的直流牵引电机大2 8 ，重量轻3 8 ，a c 4 0 0 0 型电力机车虽然仅是常 速电力机车，但它的试制成功，为我国高速机车的发展跨出了关键的一步。 1 1 2 变频调速牵引电机的绝缘技术 随着电力机车向高速、重载方向发展，对牵引电机的性能要求越来越高。 由于牵引电机受机车安装空间的制约，其体积受到严格限制，因此只能尽量减 薄绝缘厚度，提高槽满率，从而达到增加牵引电机功率的目的。过去牵引电机 采用b f 级绝缘结构，绝缘等级低，耐热等级只能达到1 3 0 - - - 1 5 0 ，机械性能、 绝缘结构的整体性能都较差，经常导致电机局部过热，破坏绝缘结构，从而引 发故障，严重影响行车安全。近年来随着绝缘材料的不断发展和更新，更高耐 热等级的绝缘材料不断应用在牵引电机上，如环氧树脂、聚酯树脂、聚酰亚胺 树脂和聚二苯醚树脂等。变频调速牵引电机绝缘除了要有良好的耐热性能外， 还需要具有优良的耐电晕能力，广泛采用纳米聚酰亚胺薄膜作为主要绝缘材料。 新型绝缘材料的应用，提高了牵引电机的槽满率和比容量，见表1 2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 通过实际交流传动机车的运营，大功率i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i o p l a r t r a n s i s t o r ，绝缘栅双极型功率管) 逆变器以其特有的优势已得到广泛关注，但在 变频条件下对变频电机的绝缘结构、绝缘材料也提出了更高要求。根据国外高 速列车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，由于其工 作方式导致了绝缘过早损坏的情况【3 匍，这将直接影响到铁路运营系统的安全。 多年来牵引电机绝缘的性能评定都是在现场进行的，评定周期长，数据积 累不方便，无法在较短的时间里得出绝缘的评价结果。而绝缘结构的合理设计 要建立在完整的结构评定试验基础上，功能评定结果的缺乏致使绝缘结构设计 存在一定的盲目性，加大了设计难度。特别是交流牵引电动机，由于逆变器供 电电压的特殊性，耐电晕性能成了电机绝缘性能的重点，而目前国内还没有一 种有效的试验手段能在较短的时间内评定逆变器供电牵引电机绝缘结构的耐电 晕寿命，如果用实际应用来评定，时间上无法适应牵引电机发展的需要。 因此，研究变频电机绝缘技术，确定反映绝缘性能的特征参量，为开发适 宜于交流变频电机运行环境的绝缘评定系统提供理论基础，对我国高速动车组 牵引电机的设计、生产及运营维护都具有重要的理论和实际意义。 1 2 变频调速牵引电机绝缘的研究现状 1 2 1 变频调速牵引电机绝缘的特殊性 变频电机广泛采用了p w m 调制驱动，其输出波形为不同脉宽的方波，对 电压进行调制使电机绕组内通过的电流波形接近正弦电流，如图1 1 所示。其 载波频率范围为几百h z 到几千h z 最高可达到2 0 k h z 。变频电机绝缘要不断地 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 承受高频率不同脉宽的方波电压冲击，在电机转子中由于高频电流所引起的集 肤效应可使转子电阻增大，则转子导体的铜耗也随之增加，导致电机绕组发热 增大，对电机绝缘不利，也降低了电机利用效率，高频谐波磁通所引起的负载 杂散损耗的某些分量也将增大。当普通异步电动机采用变频器供电时，会使由 电磁、机械、通风等因素引起的震动和噪声变得更加复杂。变频电源含有的各 次谐波与电动机固有空间谐波相互干涉，形成各种电磁激振力。当电磁力波的 频率与电动机机体的固有振动频率一致或者接近时，将产生共振现象，从而加 大噪声。由于电动机工作频率范围宽，转速变化范围大，各种电磁力波的频率 很难避开电动机各部件的固有震动频率。因此，变频电机在运行中轴承的机械 磨损非常严重【_ 丌。 p w m 调制驱动一般都采用了i g b t 作为功率驱动元件。i g b t 的开关速度 可以达到5 0 n s ，则p w m 输出电压方波的上升时间非常短可达1 0 k v l a s ，当具 有如此快上升时间的电压施加到电机的绕组时，将在绕组产生不均匀的匝间电 压分布。同时，会在电机端部产生电压波的折反射现象，导致过电压的出现瞵以6 j 。 图1 2 中给出了变频器输出电压为4 8 0 v ，变频器到电机电缆长度为4 6 m 时电 机端部电压峰值与上升时间的关系图。 总的来说变频电机工作在高频陡上升沿方波电压下，与传统的工频正弦交 流电压形式截然不同，所面临的问题远比传统电机复杂苛刻。这就使变频电机 的绝缘系统相对于传统电机绝缘有了很大的特殊性。 图1 - 1p 洲变频电源输出电压和电流示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 02 0 0 04 0 0 06 0 0 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 电压上升率v u s 图1 - 2 电机端部电压峰值与上升时间的关系图 1 2 2 国内外变频调速牵引电机绝缘的失效分析 目前，国内外专家对变频电机的失效机理进行了广泛深入的研究，主要认 为：局部放电是导致变频条件下绝缘失效的主要因素，同时认为空间电荷累积、 介质损耗和温度升高等在绝缘失效过程中扮演较为重要角色。 尽管在电机的制造过程中，采用了较先进的浸渍工艺如真空压力浸，但仍 不可完全避免地在电磁线绝缘交界处产生气泡或气隙。由于气体的介电常数很 小，所以气泡中的电场强度要比周围介质中高得多，而气体击穿场强一般比液 体或固体低地多，因而很容易在气泡中首先出现局部放电。 以k a u f l l o l d 为代表 1 2 , 1 7 1 ，认为局部放电是导致变频电机绝缘破坏的最主 要原因。由于电磁线在制造过程中不可避免存在一些微小的缺陷，这些缺陷往 往是电场集中的地方，容易导致局部放电产生。由于绕组间电压分布的不均匀， 往往在首匝线圈承受最大地电压，而且该电压随着脉冲电压的上升时间的缩短 而增加【1 8 - 1 9 。如果电缆长度不理想，导致电缆波阻抗与电机特征阻抗不匹配， 这种情况会更加严重。对变频电机而言，有时候匝间绝缘承受地电场强度为普 通电机的1 0 倍以上，如果在采用变频器供电后，对电机的匝间绝缘不进行加强 处理，匝间绝缘将会很快失效。k a u f h o l d 等观察到局部放电是从相互接触的电 磁线之间的气隙开始的，局部放电将导致绝缘材料的腐蚀和电磁线绝缘材料表 面空间电荷的积累。k a u f l a o l d 等对不同电磁线间距之间的击穿强度和空气层的 抛 狮 枷 拗 姗 啪 姗 m m 啪 之趔毒_话释出神嚣留 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 电场强度进行了计算，发现随着施加电压的升高，局部放电机率提高，当电压 降低至某个电压下，不发生局部放电。k a u f l l o l d 等认为，要使低压变频电机中 的电磁线绝缘材料不过早损坏，就必须消除绝缘材料的局部放电现象或设计耐 局部放电的绝缘材料，类似于高压电机中的云母绝缘绕组。为提高电磁线的热 性能和机械性能，电磁线经常会使用绝缘树脂进行浸渍处理，但k a l 】伍o l d 等在 研究中发现，经过浸渍处理的电磁线局部放电初始电压比不浸渍的提高6 0 ， 这是由于电磁线间的空隙被绝缘树脂部分填充。 b e e c k m a n 等l ：2 0 】对已破坏电机绝缘进行分析后发现，电晕引起电磁线外表 变得粗糙，从薄膜的外面开始由外向内部导线绝缘逐渐地劣化，直到发生电介 质破坏，这种现象符合局部放电破坏的情况。b e l l o m o 等【2 1 - 2 2 在研究方波电压 下聚酰亚胺的寿命时，发现变频电机中绝缘材料的寿命主要由局部放电所控制。 这些研究结果对局部放电理论提供了有力的支持。 1 2 3 国内外局部放电影响因素研究 根据对前面变频电机失效机理的研究，在高电场下，局部放电对脉冲电压 下的绝缘寿命起着决定性作用。过去交流电压下局部放电理论、测量方法、统 计特征参量以及够一q 一刀谱图表示方法已经比较成熟，研究热点已经转移到超 高频测量、绝缘老化的局部放电参量表征等方面【2 3 五7 】。局部放电是引起变频电 机绝缘老化的重要因素之一，研究高压方波脉冲下的放电特性对研究方波下的 绝缘老化有重要意义。 由于脉冲电压的波形特征和交流正弦电压明显不同，两个最主要的特征是 较高的脉冲重复频率和快速的电压上升时间，正弦交流电压通常使用5 0 h z 频 率，而且电压上升时间很长；而脉冲电压脉冲重复频率很高可达到2 0 k h z ，电 压上升时间可达n s 级，因此电压波形特征有着很大区别，从而导致局部放电机 理和影响因素也有着很大区别，许多研究者对脉冲电压下的局部放电机理和影 响因素进行了研究。 t l e b e y l 2 8 】认为经典的交流电压下的局部放电模型不适用于分析方波脉冲 下的局部放电现象；k i m t t r a k e n 2 9 采用电流传感器测量了方波脉冲下聚酰亚胺 薄膜的表面放电，认为聚酰亚胺薄膜累积的表面电荷对局部放电有影响： g u a s t a v i n o f 3 0 】对比了相同频率下的a c 电压、t 型电压、p w m 电压，发现p w m 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 电压下的局部放电平均放电量最大，但三种电压下的平均放电电流差异很小： n a o k ih a y a k a w a 3 1 x ：寸t gt6 0 h z 交流电压与单极性方波脉冲电压下的p d i v ， 单极性脉冲的p d i v 约为6 0 h z 交流电压的两倍；m p a e d e l 3 2 1 建立了一套高压方 波脉冲下局部放电测量系统，结果表明随着频率的增长p d w 和局部放电熄灭 电压( p d e v ，p a r t i a ld i s c h a r g ee x t i n c t i o nv o l t a g e ) 逐渐下降；文献 3 3 3 5 同样 也报导了脉冲电压下局部放电的特征和a c 正弦电压下的不同，其测量的影响 因素如脉冲电压上升时间、频率等也被研究。 r b o d e g a 3 6 】用单一的内部气隙模型对局部放电影响机理进行了研究，认为 当正弦电压的频率升高时，电荷驻留效应对局部放电产生比较大的影响，影响 程度取决于气隙尺寸和表面电导率。同时他也提出初始电子的发射对局部放电 行为也有影响，当频率高时，初始电子获得的概率增大，放电次数增多。 a c a v a l l i n i t 3 7 j 等对高频正弦电压下的电荷驻留效应对局部放电模式的影响机理 进行了研究。l n i e m e y e r 【3 8 】等人也对局部放电的机理和影响因素进行了深入 细致的研究。由于在高频率下，初始电子的发射概率对局部放电行为也有着较 大的影响，n f u j i m o t o r ，a c a v a l l i n i t 3 9 - 4 0 l 通过x 射线或紫外光激发初始电子， 对初始电子发射和局部放电行为的相互关系也进行了研究。 由于脉冲电压的波形和正弦电压的不同，过去的研究大多是针对正弦电压， 频率和电压上升时间对局部放电行为和机理的研究需要进一步研究。而且，由 于变频调速牵引电机往往采用多层复合绝缘结构，对于单一的绝缘膜和复合绝 缘的局部放电机理和影响因素的不同也需要进行深入细致的研究。 总之，高压方波脉冲下局部放电现象的研究刚刚起步，高压方波脉冲的电 压频率和脉冲电压上升时间对局部放电活动的影响还需迸一步的研究。 1 3 论文的主要研究内容 变频调速交流传动系统在高速牵引机车中广泛应用，使变频牵引电机长期 承受p w m 高压方波脉冲的作用。但p w m 高压方波脉冲下绝缘技术以及老化 机理的研究刚起步，严重制约了大功率变频牵引电机的发展。论文以变频牵引 电机绝缘为研究对象，首先建立绝缘的老化系统和局部放电测试系统，然后分 析在不同的外施脉冲条件下绝缘材料的老化情况，同时对不同的外施脉冲条件 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 下的局部放电行为和机理进行研究，本论文共分为四章，主要研究内容如下： 第一章指出了变频调速牵引系统的出现以及优越性，以及其绝缘所面临 的现状；综述了国内外变频调速牵引电机绝缘破坏的研究现状；提出了本文的 研究意义和内容。 第二章介绍了局部放电基础理论及特点。确定了研究对象，进行了试样 的设计及处理，并且制定了方波脉冲老化试验方法及局部放电测试方法。 第三章结合同种老化条件下两种薄膜及绞线对的表面形貌，对比研究了 纳米和非纳米聚酰亚胺薄膜的介电性能，并讨论了聚酰亚胺薄膜老化的微观机 理。 第四章测量高压方波脉冲下两种薄膜及绞线对试样的局部放电，根据不 同脉冲条件下的局部放电行为，分析了局部放电机理及不同脉冲条件对局部放 电的影响机理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章高压方波脉冲下局部放电的测量 局部放电是导致变频牵引电机绝缘系统在高电场下过早老化、失效的主要 原因之一，研究高压方波脉冲下局部放电的特征，有助于了解变频电机绝缘老 化机理。本章首先介绍了一种新的脉冲电压下局部放电测量系统，通过紫外光 照射试样，采用高频响应特性较好的n i z n 铁芯材料做传感器，由示波器采集 数据并传送到计算机，随后，采用小波包算法来分解传感器输出信号，提取放 电信号，最后根据工频电压下局部放电分析方法，通过专用的脉冲电压下局部 放电分析软件绘出脉冲电压下的各种放电谱图，以便更深入分析脉冲电压下的 局部放电行为和机理。 2 1 局部放电 2 1 1 局部放电的特点 局部放电( p a r t i a ld i s c h a r g e ，p d ) 是指导体间绝缘仅被部分桥接的电气放 电。这种放电可以在导体附近发生，也可以不在导体附近发生。局部放电一般 是由于绝缘内部或者绝缘表面局部电场特别集中引起的，通常在时间尺度上小 于l p s t 4 1 - 4 2 。 目前在研究领域还没有公认的局部放电机理，一般认为局部放电是在电场 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，这种现象称之为局部放电【4 1 j 。 通常局部放电是在高电场强度下，在绝缘体内电气强度较低的部位发生的。 它表现为绝缘体内气体掺入物的击穿、小范围内气体或液体介质的局部击穿或 固体介质局部的沿面放电等。产生局部放电的条件取决于绝缘介质中的电场分 布和绝缘的电气物理性能。 局部放电一般不会引起绝缘的穿透性击穿，但是可以导致电介质特别是有 机电介质的局部损坏。若局部放电长期存在，则在一定条件下可能造成绝缘介 质电气强度的降低。因此局部放电对绝缘设备的破坏是一个缓慢的发展过程。 对于高压电气设备来说是一种隐患。局部放电的特性一般可与绝缘缺陷相互很 好的印证，即根据局部放电特性可以确定电气设备绝缘的局部损坏程度。在某 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 种情况下绝缘的性能可以按某种最能说明问题的特性来判断。而对于不同设备 的绝缘，这些特性可能各不相同。在多数情况下综合测量各种局部放电特性可 以较客观的评价产品的绝缘水平【4 3 1 。 2 1 2 局部放电的等效模型 绝缘中的局部放电概念，一般包含以电晕形式出现的绝缘表面或绝缘内部 的局部放电，滑闪放电或在不同电位电极间的绝缘中个别部位击穿造成部分短 路等内容。采用固体绝缘的电工产品，如塑料电缆、电机、胶纸套管以及浇注 变压器等，都难免在绝缘结构中含有气隙。产生气隙的原因很多，有的是在产 品制造中就残留在绝缘结构中；有的是在使用中有机材料进一步固化或裂解而 放出气体形成的；有的是在使用中承受机械应力如热胀冷缩、震动等造成的局 部开裂。这些气隙在电场作用下就会产生局部放电9 】。 绝缘中的局部放电发生在电气强度较低的部位( 例如，液体浸渍绝缘的夹层 或厚层电介质中的气泡) 。以下将电气强度较低、并发生局部放电的介质元件称 为“掺入物”。 研究局部放电时介质电容e 的等效电路可以用三个电容表示( 图2 - 1 ) ：e 一 发生局部放电的介质元件的电容( 即掺入物电容) ；c a 一与掺入物电容串联的介 质元件的电容；c 口一电介质( 不带掺入物) 其它部分的电容。此时 p f 、 e = c o + 辫 ( 2 1 ) d eq 图2 - 1 电介质中局部放电的等效电路 当掺入物上的电压达到击穿值饥。时即发生局部放电。玑。代表掺入物的 局部放电起始放电电压。 这样，如掺入物具有夹层的形状，并且与电场的电力线垂直时，则掺入物 中的场强e 与介质其它部分的场强的关系为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 臣岛= 岛e 。( 2 - 2 ) 式( 2 - 2 ) 中，巳一掺入物的介电常数；岛一电介质的介电常数。 当掺入物为气泡时，则在气泡中的场强将超过介质中的场强，其原因是 s a & ，所以最 易。 掺入物中的场强与平均场强之间的关系取决于介质厚度与掺入物厚度之 比。若引入以下符号：磊一与掺入物串联的电介质厚度；嗄一掺入物厚度；u 一 试件电极间的电压，则由图2 1 的等效电路可得下式： 最= 破( g + c )s 。d o + o e a 嗄 而且忍与平均场强= t e ( d , + 反) 之比为 e 上= 1 + 嗄e , a e 甲e e , a + d e d a ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 因此，比值巨与比值破吃有关。若破磊 1 ，则最= 岛s 。 对于球形或椭球形掺入物 巨易= 3 6 a ( 6 。+ 2 6 a )( 2 - 5 ) 气体掺入物的电气强度与金属电极间气体的电气强度无明显差别。若掺入 物中的电场是均匀的( 与电力线垂直的平面形掺入物，或球形掺入物) ，则击穿 电压与掺入物的尺寸( 厚度) 及掺入物中的气压( 遵循巴申定律) 有关。 将物体发生局部放电的电压简称为局部放电电压虬p ，由图2 - 1 中的等效 电路可推导出p 与玑a 之间的关系： ，：玑a 下c o + c ( 2 - 6 ) o a 掺入物击穿过程的持续时间( 局部放电持续时间) 多数是很短的为( 3 1 0 ) x 1 0 母秒。仅在强烈的临界局部放电( 本身是多分枝的滑闪放电) 或厚层( 厚度1 厘米及以上) 液体介质击穿时，局部放电持续时间才可能大一些( 达1 0 4 1 0 石 秒) 。 在电压u = s i n c o t 作用下，c 上电压为： 门l 玑= 巩s 血耐百- - 西0 ( 2 - 7 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 电容上分到的电压，气隙放电电压虬田，熄灭电压( 剩余电压) q ，局部 放电的电流变化曲线见图2 2 。 ( i ) 图2 - 2 局部放电时电压电流变化曲线 2 1 3 放电试样及试验 本文研究对象为两种试样，一种是纳米和非纳米聚酰亚胺薄膜，另外一种 为定子绕组绝缘用绞线对。 聚酰亚胺薄膜最重要的优点是其厚度比一般绝缘材料小得多，容易加工， 可以在通用设备上进行操作。在电缆或绕组的导线上进行绕包，使用烘箱或热 处理机械在3 5 0 - 4 0 0 加热绝缘，就可以得到性能优异的整体绝缘和防护层。 聚酰亚胺薄膜具有耐高温、低温、耐辐射和优良的介电性能【5 0 】，对变频电机的 轻型化和小型化十分有利，是变频电机匝间绝缘的基础绝缘材料。而耐电晕的 纳米聚酰亚胺薄膜的出现开辟了电介质新的应用领域，与非纳米薄膜比较，纳 米膜的电、热、机械性能有了很大的改善。美国杜邦公司研制的耐电晕纳米聚 酰亚胺薄膜( f c r ) ，其耐电晕水平接近云母纸水平【5 。 纳米聚酰亚胺膜选用杜邦公司生产的k a p t o nc r1 0 0 型，厚度2 5j u m ， 面积为2 5 c m 2 的正方形，非纳米聚酰亚胺膜采用国产普通聚酰亚胺膜，其厚度 和截面积与纳米膜一致，试样的双面涂沫直径2 5 m m 银浆，l o o 温度下短路 处理1 0 小时以消除薄膜中的水分和残余电荷以及热历程影响。 变频牵引电机定子绕组绝缘用绞线对，样本平均电容量约为3 7 4 p f ，其外 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 观如图2 - 3 ( a ) 所示，由株洲电力机车厂提供，其绝缘材料和工艺与实际牵引 电机相同。绞线对由两根并行电磁线和外绝缘层组成，其中2 根电磁线的外绝缘 层首先用云母带半叠包2 次，然后再用玻璃丝带平包一次。电磁线是纳米聚酰亚 胺薄膜2 3 叠包绝缘，厚度为0 2 1 m m ，两根电磁线并行长度为9 0 m m ，两端夹角 为4 5 度，折弯部分长度为8 8 m m ，其中裸铜线部分长3 0 m m 。 绝缘试验时，绞线对试样两根电磁线分别作为电极1 和电极2 ；其电极设置 和电磁线绝缘结构横截面分别如图2 - 3 ( b ) 所示。为了使实验数据不受试样参 数离散性的影响，对试样进行了预处理，包括烘干、屏蔽、防晕等措施使试样 达到试验的预期要求。 ( b ) 绝缘电极结构 图2 - 3 绞线对绝缘结构 试验过程主要分为四个部分： 1 试样处理聚酰亚胺膜厚度为2 5 u i n ，尺寸5 0 5 0 r a m 。在各项测试前，试 样都用无水乙醇进行表面清洗，并在1 0 0 c 下烘干，取出试样，在双面涂沫直 径2 5 m m 银浆，1 0 0 c 温度下短路处理1 0 小时以消除薄膜中的水分和残余电荷 以及热历程影响。实验前绞线对在1 0 04 c 下烘干l o 小时。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 试样老化相同频率和上升时间电压下对试样进行不同时间的老化；相同 电压上升沿时间和老化时间对试样进行不同电压频率下的老化：相同电压频率 和老化时间对试样进行不同电压上升时间下的老化。 3 扫描电子显微镜利用扫描电子显微镜( s e m ，型号j s m 5 9 0 0 l v ) 对老化 后的试样进行表面形貌和截面形貌分析，加速电压2 0 k v ，放大倍数为1 0 0 0 和 2 0 0 0 0 ，比例尺线段为l p m 。 4 局部放电测试对老化后试样按计划进行局部放电测试，信号提取，统计 分析。 试样为聚酰亚胺薄膜时，须将试样放在电极上，实验采用的测试电极系统 如图2 _ 4 。由于该测试系统是在k v 级的高压环境下进行，所以对电极的大小、 形状、导电性、表面抛光度等都有严格的要求。电极系统要保证试样所处电场 均匀，不发生局部放电、沿面闪络等，参照a s t m 2 2 7 5 标准进行电极的设计。 该电极为二电极系统，包括上下电极和电极绝缘支撑三部分。上电极为圆柱形 棒状电极，下电极为圆形平板电极，绝缘部分为云母板。电极系统与测量装置 是分离的。 图2 - 4 测试电极 2 2 绝缘老化实验系统 老化试验，即人工加速寿命试验，是在实验室模拟现场的主要工作条件， 并强化老化因子以缩短试验周期，对绝缘进行寿命评定所普遍采用的方法。 人工加速老化试验，可以选择提高电源频率和提高外加电场强度幅值这两 种方式。在脉冲方波电压下没有试验标准，根据试样的寿命曲线以及电机的设 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 计原理，以及脉冲下局部放电，再有脉冲电压的对应关系确定电场强度。选择 加速老化试验的应力因子水平，是设计老化试验最关键的步骤。设计原则应当 满足既不改变老化机理，又不过分延长加速老化试验的时间。 2 2 1 老化系统原理 由于电压型变流器供电的异步牵引电动机系统对电网的反作用小，适用于 较大功率的机车，所以四象限脉冲整流器和电压型逆变器构成的变流装置是交 流机车的主流设备。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。牵引变流器中间回路的直流电压可达2 8 0 0 v ，即变频牵引电机端 部要承受峰峰值电压为5 6 0 0 v 左右。根据试验系统设计原则，为了得到范围较 宽的老化因子加速系数，本文设计绝缘老化试验系统电压参数的范围为 o 1 0 k v 。牵引变流器的开关频率大多在5 0 0 h z - 2 k h z 。为了满足实际工作条件下 对频率的要求，设计的绝缘老化试验系统频率参数的选择范围为 5 0 0 h z 2 0 k h z l 5 2 1 。 在变频牵引电机的实际运行中，由于电机运转损耗发热使绝缘材料所处的 运行环境温度达到1 3 0 ，极限温度可能达到2 0 0 。对于聚酰亚胺材料，其耐 热极限温度高达3 0 0 ；为了研究由该材料制成的试样随环境温度影响的寿命 特性，需对试验系统的环境温度进行延伸。因此，本文设计的绝缘老化试验系 统温度参数的范围为室温至3 0 0 。 受开关器件电压等级限制，采用变压式试验电源方式，系统主要由高频脉 冲电源和高频脉冲变压器两部分组成。高频脉冲电源采用新型快速开关器件， 输出具有电压和频率均连续可调、上升沿为纳秒级的脉冲方波。高频脉冲变压 器则采用一种新的结构形式减小变压器的分布参数和变比达到保证输出波形畸 变尽量小的目的。 根据上述绝缘老化试验系统的设计原则和参数的选择，设计了一套基于方 波脉冲绝缘老化试验系统。利用该绝缘老化试验系统对变频牵引电机用绝缘材 料进行老化试验。试验系统的组成原理如图2 5 所示。该试验系统主要由隔离 变压器、高频脉冲电源、高频脉冲变压器、老化恒温箱以及试验电极组成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 图2 - 5 用于高压方波脉冲的绝缘老化试验系统 高频脉冲电源采用三相不控整流器将工频输入电压整流成直流电压，采用 i g b t 为主功率器件构成斩波器件和单相逆变桥。采用模拟电路完成p w m 信号 产生和驱动电路。同时，对电源的输入输出及功率电路进行实时监控及故障处 理。高频脉冲电源的结构如图2 6 所示，高频脉冲电源主要由主电路、控制电 路、保护电路和辅助电路四大部分组成。主电路由整流电路、斩波电路和逆变 电路三部分组成；控制电