（电力系统及其自动化专业论文）基于连续高压方波脉冲绝缘老化试验系统.pdf

亘直壅墨查掌塑主堡塞生兰垡迨塞篁! ! 要 a b s t r a c t w i l ht h ed c v c l o p m e n to fh i 班s p e e dr a i l w a y t h ca cd r i v i i l gl o c o m o t i v e r e q u i r e sm o r ea d v a dp e r f o m 姐c e n ev a r i a b l c - 饥q u e n c yp u l l i n gm o t o r ，硒t h e k e yc o n l p o n e n to fm el o c o m o 西e ，h 髂g 陀a tr c l a t i o sw i mt h es t a b n i t ya i l d r e l i a b i l i t yo ft l l es y s t e m 耽et y p i c a lo u t p u ts i 弘a lo f 也ev a i i a b l e - 丘e q u e n c yd 由蚍 s y s f e mi st h es q u 盯e - 、a v e 、i i hs t e 印r i s i n ge d g e w h e n 也es i 弘a 1a c t so nt h e p u u i n gm o l o r 也ei s u l a t i o no ft l l ew i n d i n gw mb ca g e dm o r eq u i c l dy ho r d e rt o 豁s l l r et l l er c l i a b i h t y 姐ds a f b t y ，i t si m p c r a t i v et od e v e l o pt h ed i a g n o s t i ct e c h 丑o l o g y f o rt h e w i n d i n gi n s u l a l i o n 锄dt h ee v a l u a t i o nm e l o d so ft h er i d u a ll i f e t i m e h lo r d e rt os t t l d yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n 也es q 眦e w a v e 蛆dt h ew 协d i n g i n s u l a t i o no ft h ep u l l i n gm o t o r at e s t i n gs y s t e mo fi n s u l a t i o na g i l l gw 淞d e v e l o p e d ， w h i c hc 姐a n a l o gt h er e a lc o n d 坩o no ft h ep u l l i i l gm o t o r a c r d i gt ot h ev 0 1 t a g e w a v e f o m 姐dt h em l eo ft h ea c l e r a t e da g i n gt 鼯t at c s t i n gp a w e rw 硒d e s i g n e d 呻o s e dw i t hh 啦如q u 吼c yp u l s eg e n e r 咖r 肌dh i g h 缸q u e n c yp u l s et r 蟠f o m e l t h ed cp o w c ri s g o tb yu s i n gt h en e ws w i t c h i n gd e v i c e 壮dt l l e 也r e ep h a s e n o n c o n t m u e dr e c i i f i c a t i o nc i 训t t h t h ed cp o w e rp a s s e st h ec h o p p e rc 妯：i l i t 吼dt h ef i l h _ b r i d g ci n v e 墙i c i r c u i t t h cc 0 血u sv a r i a b l e 丘e q u e n c ys q u 缸e 、a v e i sg e n e r a t e da tl a s t 1 ba s s m ct h er e l i a b m t yo ft h eh i 庐- f r c q u c ) rp l l l p o w e r ，t h e o v e r - v o n a g ep r o 蚴i o n 姐dt h et r i p l eo v e h u m n tt e c h l o g yi sa i s o 懿p l o i t e d 越衙趾a l y z i n gt h e0 u t p u ts i 弘a lc h 盯a c c e ro ft h eh 蜒；h 骶q u e n c yp u l s et r a n s f o m e r ， an e wd e s i 弘s c h 鼬ew 鹤a d o p t e d i 龟ep i i m 盯ys i d eo fm eh i 9 1 l 丘e q u e n c yp u l s e t r a _ s f 0 唧e ri si i l s t a u c d mp 缸a l l c l 蛆dt h es e c o n d a f yc o n m d i o ni i is e r i e s t h i s m e l h o dc 眦g c n e r a t e 岫；h 肌q u c yp u l s cw i t hh i g hr a t eo f v o n a g er i s e ，w i d eo u l p u t 丘朝u e c yb 吼d 孤ds m a l lw a v e f o l md i s t o r t i o n h lo r d e r l ov e r i f yt h cr e l i a b n i t yo ft h es y s t 咖，t h et e s to nl i f e t i i n ec u e0 ft l l e p 0 1 y i m i d e ，w h i c hi st h em a t e r i 8 lo fp u l l i n g 脚t o ru s e df o r 也e 粤d u d i n gi l l s u l a l i o n ， w a sr e a l i z e d ha d d i t i o n ，t h el i f e t i m em o d e l sw i t hv 甜y a m p l i t u d e0 fp u l s e ， 自e q u e n c y 缸d 如1 b i e mt 锄p e r a t i l r ew e 聆o b t a i n c d t h ef e s u l t sp r o v e dt l l eh i g h r e l i a b m t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo fl h es y s t e m ns a t i s 丘e d 也en e e do f 也ea g i gt e s to f p l l l l i n gm o t o ri n s u l a l i t h ep a 捌n e t e 培h a v e 豫i c h e d 也ei n t 嘲l a t i o n a ln o 姐o ft h e h o m o g e n e o u st 髓t i n gs y s t e m t h en f em o d e l sc r e a t ec o n d i t i 伽sf b rs t u d y i n gt h e f a j l u r em c c h a n i s mo ft h ei l l s u l a t i o no ft h cv a r i 曲l e - 缸q u e c y p u l l i gm o t o r w i n d i n g k e y w o r d s ：p u l l i i l gm o t o r ，p u l s et r 锄s f 0 衄e r a g i n 岛l i f e t i m e 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 交流机车及变频牵引电机绝缘技术现状 1 1 1 交流机车的发展 社会的进步与交通运输的发展是密切相关的。为了适应社会发展和人民生 活水平提高的需要，现代交通运输在运送旅客方面必须致力于快速这一指标的 改善与提高【l j 。日前，世界上运行时速在2 0 0 公里以上的高速铁路总营业里程 超过1 5 0 0 0 公里。这些线路仅占世界铁路总营业里程的1 5 ，却担负着各拥有 国较大部分的客运量。所以在世界范围内正在计划迸一步加快高速铁路黔建设 【2 “。伴随着我国经济的迅猛发展，受铁路运输瓶颈的制约将越来越严重。在世 界各国高速铁路相继投入运营的同时，我国也于上世纪末开始对高速铁路进行 实质性的可行性研究【4 l 。虽然自l 舛7 年至2 0 0 4 年，我国铁路共进行了五次大 面积提速，主要客运列车最高时遮已达1 6 0 公里，有的甚至高达2 0 0 公里，但 要缓解我国铁路运输一直处于十分紧张的状态和解决有些线路已经超负荷运行 的问题【5 l ，并为了实现国民经济的全面、协调、可持续发展，建设高速铁路、 大力推进铁路跨越式发展已迫在眉睫嘲2 0 0 4 年初，我国政府通过的中长期 铁路网规划中指出，到2 0 2 0 年，我国将建设“四纵四横”客运专线，总里程 超过1 2 万公里，新建的客运专线将与提遽线路一起构成未来的铁路快速客运 网【7 1 。随着高速铁路的发展，作为高速铁路关键部分之一的高速机车也将发生 迅猛的发展。 为了适应高速铁路的发展，高速机车的牵引电机必须大功率化和小型轻量 化，高速机车已从最初的直流电机牵引转变为交流电机牵引。交流变频异步牵 引电机是一种新型的交流调速电机，与传统的大型直流电动机相比具有一系列 优点，市场前景异常广阔，是当今电机发展方向性产品之一。 采用交流变频调速电机比直流调速电机具有一系列显著优点1 8 】： ( 1 ) 调速容易，而且节能； ( 2 ) 结构简单，体积小、惯量小、造价低，维修容易、耐用； ( 3 ) 可以扩大容量，实现高转速和高电压运行； ( 4 ) 可以实现软启动和快速制动； ( 5 ) 无火花、防爆，环境适应能力强。 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 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幅值、输出频率的调速技术【9 】。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，以其具有提高牵引、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等优越性广泛地应用于铁路 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 、r c 4 ，4 、4 6 0 、x 2 0 0 0 、 a b b 的1 4 5 型、三菱3 0 0 系列型、西门子的s 2 5 2 型及阿尔斯通的b b 3 6 0 0 0 型 等。日本在1 9 9 0 年研制成功e f 5 0 0 型交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。我国在1 9 9 6 年由株洲电力机车厂、株洲电力机车研究所 共同研制出a c 4 0 0 0 交流传动电力机车，标志我国电力机车技术进入交流传动 时代。在此基础上，通过自主开发和创新，结合国外先进技术，研制出新型交 流传动电力机车，例如高速客运用电力机车“熊猫号”和高速动车组动力车“蓝 剑号”、“先锋号”和“中华之星”等，标志着我国机车研制进入现代高科技领 域【1 1 1 。 1 1 2 变频电机绝缘破坏的研究现状 二十世纪九十年代以来，交流交频电机在推广应用过程中，出现了电机绝 缘过早失效的情况，在轨道交通领域的应用也将面临着同样的问题。目前，变 频电机绝缘过早失效机理的研究已成为国内外研究的热点问题之一，国际上针 对变频电机定子绕组绝缘过早失效的研究工作主要集中在以下几个方面： 第一，脉冲过电压对变频电机定子绕组绝缘过早失效影响的研究。由于逆 变器输出具有陡上升沿和下降沿的脉冲电压波。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反射， 产生尖峰过电压和高频振荡。d a v i db h y y p i o 认为，高电压导致的高电场作用 于绝缘系统加速了绝缘介质的破坏，并认为电缆长度是影响端电压幅值的主要 因素，而逆变器输出脉冲的上升沿时问为非主要因素1 1 2 j 。而a v o nj o u a 姐e 、 c h u d o n 、马洪飞等认为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【1 3 _ 1 引。h u s s e i n 、q s k i b i 璐k i 等对电机端电 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 【1 6 埘，如图1 1 所示，李立中等测得电机端电压如图1 2 所示【埘。b a n o l u c de j 、 e p d i c k 等研究了电缆长度与尖峰过电压幅值的关系，认为电缆长度达到或超 过某一临界长度时，电机端承受的过电压幅值近似为2 倍额定电压【1 ”驯。因此， 目前在产生脉冲过电压主要影响因素及在临界电缆长度的判据上还存在争议， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 5 0 0 0 石0 0 0 0 1 d2 d3 04 0 5 d t u 8 j 蝉 吐 懈 z 图卜1 电缆两端的实测波形图1 2 电机端实测电压波形 第二，匝间电压分布对变频电机定予绕组绝缘过早失效影响的研究。在工 频条件下，电机端子过电压均匀分布在绕组上，不足以对定子绝缘造成损害： 但p w m 脉冲电压具有极短的上升沿，使得定子绕组分布参数的作用不可忽略， 引起定子绕组匝间电压的不均匀分布。m k a m o l d 、g s u r e s h 、温风香等认为变 频器输出的陡脉冲在变频电机定子绕组上不均匀分布是造成绕组绝缘过早损坏 的主要因素之一1 2 l 冽。c p e 缸a r c a 通过数学模型建立定子绕组高频等效电路， 主要分析了定子绕组匝间绝缘厚度及绝缘介电常数、电缆长度、上升沿时间对 匝间电压分布特性的影响【列。p i e r mb i d 粕、b o l a m s 等对于变频电机定子绕组 匝间电压分布的仿真和测试表明，在短脉冲上升沿条件下，定子绕组电机端线 圈的前几匝中主要是第一匝承担了最高的电压幅值，其匝间绝缘受到尖峰过电 压的冲击，成为绕组的绝缘弱点【2 6 硎。而a n a r a n g 等研究表明电机定予输入 电源线端线圈末端绕组匝间绝缘承受的电压最大【2 9 】。在国内，变频牵引电机的 实际运行发现在第8 匝出现绝缘击穿。因此，定子绕组匝间电压分布特性对变 频电机绝缘过早失效的影响值得进一步研究。 第三，局部放电对变频电机定子绕组绝缘过早失效影响的研究。局部放电 是导致变频电机绝缘破坏的主要因素之一，精确的测量方法对于检测有效的局 部放电信号至关重要p 2 】。传统的工频条件下局部放电检测技术已经比较成 熟。而脉冲条件下，由于在电源输出脉冲电压信号的上升沿和下降沿处感应出 的脉冲可能影响局部放电的定量及校正【3 3 1 ，使得局部放电信号的检测和辨别非 常困难，传统的测量方法已经不再适用。l c c n t u 咖i 等采用平衡电路研究了电 机线圈在u s 级上升时间的p w m 脉冲方波作用下的局部放电信号，发现d v 肚 系数是影响局部放电在脉冲方波不同区域中出现的重要因烈州。m p a e d e 等用 检测阻抗法讨论频率与局部放电及绝缘失效时间之间的联系，提出高频脉冲条 e e e 盛 甚 搿 眦 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 件下的局部放电检测需要阻抗值小的电源系统和宽频的测量仪器】。m b a v e 研究表明局部放电主要发生在脉冲上升沿处，而上升沿后的振荡过程中局部放 电发生很少p 。而s r c a m p b e l l 实测及分析结果表明，局部放电主要发生在脉 冲的平顶处，在陡上升沿及下降沿很少发生局部放电f 3 7 1 。目前，国内外研究主 要围绕局部放电与绝缘老化程度的测量与分析，尚未见有关局部放电机理及其 表征参量的研究报道。 第四，空间电荷对变频电机定子绕组绝缘过早失效影响的研究。空间电荷 在聚合物老化过程中扮演重要角色，可以从微观角度分析绝缘材料老化和击穿 的真正原因。工频和直流条件下的研究已经有一定的研究基础，而脉冲条件下 则刚刚起步。c h u d o n 等人的研究结果表明，电磁线在p w m 电压下的老化时 间并不与空间电荷数量存在线性关系【鹅】。目前，研究和测量手段较单一，大多 采用t s c 方法或空间电荷分布测量方法，未将这些实验方法加以统一【3 1 】。国 际上开展了击穿过程中的空间电荷输运研究，但对于长时间老化过程中的空间 电荷输运研究较少。空间电荷输运对绝缘的微观作用机理还缺乏理论和实验数 据支持，大多仅是定性推测【柏蛳】。因此，空间电荷测量与分析方面，特别是在 脉冲条件下长时间老化过程中空间电荷输运的研究工作可以深入地研究。 综上所述，国内外的研究者主要通过对电机端部过电压、绕组的匝间电压 分布、局部放电以及空间电荷等几个方面的研究来分析变频电机绝缘破坏的影 响因素。 1 1 3 变频牵引电机绝缘破坏的研究意义 随着高速铁路和变频牵引机车的发展，大功率高速开关器件广泛应用于高 速机车的变频调速系统中。采用高开关频率器件的p 跏交频器后，变频电机出 现了绝缘过早失效的情况，许多交流交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，尤其是定子绕组匝间绝缘 的击掣4 2 j 。然而，牵引电机作为电力机车最关键的部件之一，机车的性能和可 靠性与它有最直接的关系，故牵引电机绝缘的失效将直接影响到铁路运营系统 的安全。 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。因而，针对变频 塑壹童夔盎堂! | ! i 页士研究生学位论文第5 页 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。 为了满足中国铁路提速、重载的迫切需求，高速机车在中国已经成为铁路 发展的首选。我国机车检修规程规定，行车达1 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 1 2 年，超过2 年后，应如何评价变频调速牵引电机绝缘的状态尚无确定的方 法。多年来牵引电机绝缘的功能评定都是在现场实际应用中进行的，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定结果。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，也加大了设计难度。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，研究变频牵引电机绝缘的老化机理，确定反映绝缘性能的特征参量， 为开发适宜于变频牵引电机运行环境的绝缘评定系统提供理论基础，对我国电 力机车牵引电机的设计、生产及运营维护有很大的理论和实际意义。 1 2 绝缘老化试验系统的发展 国内外研究者为了研究变频电机绝缘过早损坏的机理，采用与变频器输出 相似的绝缘老化试验系统对变频电机绝缘材料进行老化、失效试验，以期得到 与实际情况相近的试验结果。绝缘老化试验系统中，试验电源是最主要的组成 部分之一，试验电源的发展决定着绝缘老化试验系统的发展。尽管对变频电机 绝缘老化的研究很多，但国内外没有相应的标准来对照或规定试验条件及指标， 因而，对试验电源性能指标的要求至今还未达成统一的规范i 枷。到目前为止， 可以根据是否采用开关器件直接输出脉冲电压方式将试验电源分为两种：直接 输出式试验电源和变压式试验电源。 1 2 1 直接输出式试验电源 直接输出式试验电源是指利用电力电子变流技术，选择性能指标合适的开 关器件直接输出能够满足试验需要的脉冲电压的电源。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 目前，国际上p h e l p s d o d g e 、e s s 麟和国内的东方绝缘材料厂、铜陵精达特 种电磁线股份有限公司等电磁线生产商采用了直接输出式试验电源进行变频电 机绝缘材料脉冲条件下加速老化的研究。由于变频电机绝缘破坏的问题得到了 越来越多研究者的关注，绝缘老化试验电源的需求量增多，美国d e l 公司根据 需要研制了一套d t s - 1 6 0 0 试验系统，并将其产业化，专用于高频、高压、陡 脉冲下变频电机电磁线绝缘的加速破坏对比实验。d ，r s 1 6 0 0 试验系统主要由高 频高压脉冲发生器和恒温箱两大部分组成，由于该系统采用高速开断的高压开 关器件直接输出高频脉冲电压，所以在输出一定电压等级条件下，脉冲上升时 间较快。 然而，国际上没有相应的标准规定脉冲条件下的试验条件，所以在利用 d t s 一1 6 0 0 试验系统时，研究者根据研究对象和研究角度的不同制定了不同的试 验方案。s g i z y b a 啪k i 等采用的试验条件为；脉冲幅值1 2 0 0 1 6 0 0 v ，频率为 1 5 4 0 姐z ，温度为1 0 0 1 8 0 ，对绝缘失效的主要影响因素进行了研究1 4 4 椰l 。 w e my m 等制定出其公司电磁线产品在脉冲条件下的常规试验规范，即脉冲 幅值为1 0 0 0 v ，频率为6 0 h p 2 0 娃i z ，占空比为5 0 ，上升沿时间为2 5 璐， 温度为9 0 ，试验系统输出的双极性及正、负单极性波形如图1 3 所示【拍讲1 。 而m e t z l e r 采用的典型脉冲电压的幅值为士1 0 0 0 v ，频率为2 0 k h z ，占空比为 5 0 ，上升沿时间约为5 0 n s ，温度为9 0 1 5 0 嗍。b e e c l 眦采用幅值为 1 0 0 0 v ，频率为2 0 k h z ，占空比为5 0 ，但上升沿时间典型值为7 5 n s 【4 9 】。 1 2 2 变压式试验电源 变压式试验电源指利用电力电子变流技术，选择低压的开关器件输出高频 脉冲方波，然后通过宽频的脉冲变压器或放大器输出能够满足试验需要的脉冲 电压的电源。 目前，意大利、法国、加拿大、德国和中国等国家的很多变频电机绝缘失 效的研究者采用变压式试验电源，特剐是研究大功率变频电机绝缘失效的问题。 变压式试验电源一般都是根据自己的需要自行研制具有相应功能的试验电源， 由于受到目前的脉冲变压器制造技术的限制，要产生上升沿时间为几十纳秒的 方波电压是很困难的，但可以升高输出电压，使输出脉冲具有很高的电压上升 率，这也正是研究大功率变频电机绝缘失效所需要的。法国的研究者n f b u l o n 等采用的试验电源的性能指标为脉冲峰峰值1 0 l 【v ( 双极性) ，频率可达到 2 5 k h z ，占空比为5 0 ，电压上升率可以达到8 k 、似s ，进行失效试验f 5 0 】。意大 利研究者c e m t t i 等采用的典型脉冲电压幅值为1 1 一2 2 i ，频率为4 0 k i k ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 占空比为5 0 ，电压上升率为1l 【v 版s 刚：d f a b i a n i 等采用的试验条件为脉 冲峰峰值1 0 k v ( 双极性) ，频率为1 0 k k ，占空比为5 0 ，电压上升率为1k 、，缸s 【”】；f _ g u a s t a v i n o 等采用的试验条件为脉冲峰峰值为2 8 2 0 v ( 双极性) ，频率为 3 k h z ，占空比为5 0 ，电压上升率为o 5 9k v m s ，该试验电源的输出波形如 图1 4 所示【5 “，频率为3 k h z ，上升沿时间为5 叽s 。加拿大研究者h u d o n 采用 的典型脉冲电压的幅值为8 5 0 v ，频率为1 0 妊k 上升沿时间为o 瓯s 吲。德 国研究者k 肌f o d d 采用的典型脉冲电压幅值为1 4 l 【v ( 单极性或双极性) ，频 率为7 l 【h z ，上升沿时间为0 拟s 1 5 4 l 。国内的西安交通大学刘学忠和哈尔滨理工 大学雷清泉等也都采用变压式试验电源进行绝缘材料的研究工作。 阿门 ull 相r iii uu uu |事7 墨 l 。 、 量t l k 一 、 图1 3 介电试验系统输出波形 图卜4f ：g u 髂t a v 舶采用的试验电源波形 从以上综合来看，研究者一般采用的试验条件可以归结为：脉冲电压的幅 值为( 8 0 0 0 0 ) v ，频率为1 嗡虹i z ，占空比为5 0 ，上升沿时间约为 2 5 s 一5 叫s ( 或电压上升率为1 穗o k 、协s ) 。 1 3 本论文的主要工作 本论文综述了国内外变频电机绝缘失效的研究情况以及试验条件，根据变 频牵引电机的实甄；运行情况研制了一套脉冲条件下绝缘老化试验系统，并利用 该试验系统对交频牵引电机绕组对地绝缘材料聚酰亚胺薄膜进行寿命特性分 析。本论文共分五章，文中各章的研究内容为：第一章介绍了研究变频牵引电 机绝缘失效的研究背景和研究意义，并综述了国内外变频电机绝缘失效的研究 现状以及绝缘老化试验系统的发展，明确了本文的研究对象，提出本文的研究 内容。第二章介绍绝缘老化试验系统方案的选择，包括试验系统总体方案的实 现方法、系统的设计原则和设计方案以及系统的各个组成部分和实现的性能指 标等。第三章主要介绍绝缘老化试验系统中重要组成之一高频脉冲电源的研制， 包括主电路、控制电路、保护电路和辅助电路的原理实现及参数设计。第四章 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 介绍高频脉冲变压器的研制，包括该高频脉冲变压嚣的设计原则、设计方案及 具体的参数设计等，提出一种可以减小由高频变压器引起的脉冲振荡及过电压 的设计方法，并与传统方法设计的高频变压器进行对比分析。第五章主要利用 该试验系统进行变频牵引电机绝缘系统中对地绝缘材料的失效试验，用来验证 装置的适用性和可靠性以及对变频牵引电机绝缘系统中对地绝缘材料进行初步 的寿命特性分析。 论文工作得到了以下项目的资助： ( 1 ) p w m 变频调速牵引电机绝缘破坏机理及其对策研究( 与株州电力 机车厂合作项目) ( 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 项目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( 霍英东教育基金项目 n o 9 1 0 6 0 ) 要塞壅堕查堂堡圭堡窒皇堂焦监塞蔓! 要 第2 章绝缘老化试验系统方案的选择 具各一套良好的绝缘老化试验系统是研究绝缘材料绝缘特性的前提条件， 其性能的好坏将直接影响试验结果的准确性。由于国际上对脉冲条件下的绝缘 老化试验条件没有规定统一的标准，本文将根据变频牵引电机的实际运行情况 和绝缘材料的加速老化试验原则设计绝缘老化试验系统。根据什么原因确定系 统的组成、选择何种工作方式、输出何种电压波形以及选择什么范围的系统参 数，本章将一一给出介绍。 2 1 绝缘老化试验系统总体方案的实现方法 2 1 1p w m 变频调速牵引电机的系统构成 在实际运营的交流传动机车中，除了法国部分机车采用同步电机传动，其 主变流器采用相控整流器加电流型逆变器以外，其他各型机车都采用三相异步 电机传动。在三相交流异步电机传动中。除日本有些车采用相控整流器外，其 它车都采用四象限脉冲整流器。由于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主变流器的主流。 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l “。 采用电压型变流器供电的异步牵引电动机系统，主要由主变流器、连接电 缆和异步牵引电机构成，如图2 一l 所示。来自接触网的单相交流电在牵 i 变压 器中变换成所需大小的合适电压，经整流器整流后得到c k 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，使电压保持不变。逆变器向牵引电机提供频率 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，得到 电压波形e 。变流器输出e 是具有极快上升沿和下降沿的p w m 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，电压波形如图中 矿所示。从图中可以看出，变频牵引电机定子绕组将承受着较高频率、较高上 升率的正负脉冲电压波。 在电机的实际运行中，绕组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 0 ，极限温度可能达到2 0 0 ，因此， 子电机运转损耗发热使运行温度达到1 3 0 ，极限温度可能达到2 0 0 ，因此， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 绝缘同样承受了热应力的作用。 牵j 主变流器 c p 眦 ， 焚瞧错 书县：b ；b 略喃略 - 。一石； f 略啼略 髟 审巾审书 置vv 。 v _ 图2 1p 删变频调速牵引电机各环节实测电压波形 2 1 2 绝缘老化试验系统的设计原则和依据 绝缘老化试验系统是为了完成人工加速老化试验，是指在实验室条件下模 拟实际环境的主要工作条件，并强化单一老化因子以缩短试验周期，对绝缘进 行寿命测试所普遍采用的试验系统【5 叼。为了能够将实验室的试验结果应用到实 际运行条件下绝缘材料的寿命评估，具体设计老化试验系统时必须考虑以下几 个方面： ( 1 ) 试验系统应具有适当的老化因子，使其能够有效反映绝缘系统在运行过 程中所经受的各种应力的作用。对于变频牵引电机绕组绝缘而言，在实际运行 过程中同时经受电、热和机械应力的联合作用，最主要的是电和热应力的作用， 因此，本文设计该试验系统时选择的老化因子包括电和热应力两个因子。 ( 2 ) 试验系统参数应具有较宽的调节范围，可改变老化因子加速系数。为了 使老化试验能有效地反映变频牵引电机正常运行时绝缘的劣化过程，既不能选 择过高的加速系数使绝缘的失效机理改变，又不能持续过长的老化时间和耗费 过多的人力物力。 ( 3 ) 试验系统能够进行适当的应力组合。不仅可以实现电、热应力双因子联 合老化，还可以满足电、热应力等单因子老化的试验要求。 ( 4 ) 试验系统能够适用于不同规格、尺寸的试样。针对本文的研究背景，该 试验系统能适用于变频调速牵引电机绕组的绝缘特性测试，包括薄膜、电磁线、 绞线对等试样。 k ；睦ub 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 2 1 3 总体方案的实现方法 由于国际上对脉冲条件下绝缘材料的老化试验没有规定统一的试验标准， 故研究者对试验系统的研制也不尽相同。基于上述交频牵引电机系统的介绍， 可知变频牵引电机的绕组绝缘不仅承受电应力的作用，而且承受了热应力的作 用。因此，根据试验系统的设计原则，本文设计套电热联合作用的绝缘老化 试验系统。 就电应力作用的设计而言，造成变频牵引电机绝缘破坏的主要起因是变频 器，正是由于它与传统正弦交流电压波形上的不同，从而对电机绝缘产生一系 列不利影响。为了有效模拟变频牵引电机所承受的牵引变流器输出的正负相间 的连续矩形脉冲电压波，根据第一章中1 2 节的综述分析，本文采用变压式试 验电源方式研制一台双极性、频率连续可调的、电压上升率较高的高频高压脉 冲电源。其主要由高频脉冲电源和高频脉冲变压器两大部分组成。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的畸变尽量小的目的。 就热应力作用的设计而言，为了有效模拟变频牵引电机的实际运行环境， 本绝缘老化试验系统选用的老化恒温箱必须能达到实际运行环境的极限温度， 并且为了研究绝缘材料随环境温度变化的寿命模型，该恒温箱必须具备比使用 温度更高的温度范围。由于绝缘材料受环境温度的影响比较大，因此，还要求 热老化试验系统产生的温度上下波动偏差值尽量小。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。 2 。2 绝缘老化试验系统参数的选择 根据上述绝缘老化试验系统的设计原则和设计方案，为了研究变频牵引电 机绝缘材料的破坏过程，必须使试验系统的参数能够达到与实际应用相符的试 验条件。另外，为了缩短试验研究的时间，或在进行失效试验时需强化个别因 子，甚至模拟最苛刻的条件( 如最大电压幅值，或最高重复频率，最高温度等) ， 试验系统的参数也要达到各种极限条件的要求，因此，选择好试验系统的参数 是非常重要的。下面就几个主要系统参数的选择进行说明。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 2 1 电压参数的选择 在变频牵引驱动系统中，牵引变流器中间回路的直流电压可达2 8 0 0 v ，也 就是变频牵引电机端部要承受峰峰值电压为5 6 0 0 v 左右。为了研究绝缘材料的 寿命特性及老化特性等绝缘特性，需进行加速老化试验达到缩短试验时间的目 的。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 计该绝缘老化试验系统电压参数的范围为o 。1 m 【v 。 2 2 2 频率参数的选择 随着大功率开关器件技术的发展，更高开关频率的牵引大功率变流器的出 现已成必然趋势。目前，现行机车牵引大功率变流器的开关频率大多在 5 0 0 h 和2 k 【蛆】。为了满足实际工作条件下对频率的要求，并为了研究脉冲频率 对绝缘材料寿命特性的影响，本文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 以o k k 。该系统的工作频率范围也与国际上研究者采用的频率范围 相一致。 2 2 3 上升率参数的选择 变频牵引电机的输入是具有较高电压上升率的脉冲电压，电压上升率 ( 如肺) 一般可达7 莨v 嶂，远大于工频正弦电压波形的0 1 5 v 岭，正是由于该 条件与工频条件下不一样，才导致绝缘失效等一系列问题的出现。为了模拟该 试验条件，本文设计该绝缘老化试验系统上升率参数最高可达6 k v 岬，这就要 求其输出波形尽量不失真。 2 2 4 温度参数的选择 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 ，故为了模拟实际运行环境 要求该试验系统的环境温度至少能到达2 0 0 。而对于聚酰亚胺材料来说，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，本文设计该绝缘老化试验 系统温度参数的范围为室温至3 0 0 。 2 3 绝缘老化试验系统的组成 根据上述绝缘老化试验系统的设计原则和参数的选择，本文设计了一套基 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 于连续脉冲方波的电热联合作用的绝缘老化试验系统。利用该绝缘老化试验系 统对变频牵引电机定子绕组用绝缘材料进行老化试验。试验系统的组成原理如 图2 2 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。 图2 2 连续脉冲方波绝缘老化试验系统 隔离变压器采用三相多等级输出的方式，输入电压3 8 0 v ，输出电压有 3 8 0 v 、4 2 0 v 和4 5 0 v 。主要是为了避免电网的输入电压过低对绝缘老化系统输 出的影响，当电两输入电压过低时，可选择较高电压等级的输出。隔离变压器 还可滤除电源端谐波及浪涌干扰等影响因素，并且可以提高绝缘老化试验系统 操作时的安全性。 高频脉冲电源是绝缘老化试验系统中电老化的主要设备。本文研制的高频 脉冲电源可提供电压和频率均连续可调、上升沿较陡的脉冲方波。输出方波电 压的峰峰值为o 一1 0 0 0 v 、频率为5 0 0 i i z 瑚k k 、上升沿为几十纳秒。并且在绝 缘材料失效时，能自动切断输出电压，发出报警指示，并记录失效时闻。 高频脉i 申变压器主要用于提升绝缘老化试验系统的输出电压。本文则采用 一种新的设计方法研制了一台高频脉冲变压器，其具有较宽的输出频率，可传 递上述高频脉冲电源输出的5 0 0 也以咖z 的脉冲方波，并且波形失真较小、电 压上升率较高。 老化恒温箱是绝缘材料热老化试验用的圭要设备。本文采用的鼓风干燥箱， 温度变化范围室温3 0 0 。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，绝缘材料的暴露温度达到定程度时，每升高1 0 ，热寿命降 低一半【5 6 】。因此，本次老化试验中恒温箱的温度波动范围很小，为2 3 ， 并且具有与外界交换气体的功能。 试验电极也是绝缘老化试验系统的重要组成部分之一，其性能的好坏直接 影响试验结果的准确性和离敏性。由于脉冲条件下绝缘材料的老化试验没有规 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 定统一的试验标准，国际上暂时一般采用工频条件下的试验标准，薄膜试验根 据国际电工委员会c 3 4 3 标准制作上电极为圆柱形、下电极为圆板电极的试 验电极；电磁线试验则根据国际电工委员会c 印8 5 1 5 标准制作以钢珠为地极 的试验电极。 高频脉冲变压器的输出导线需穿入老化恒温箱加至电极两端，由于温度较 高，输出导线需采用裸线，因此，为了保证导线与老化恒温箱之间的绝缘，绝 缘套管采用陶瓷套管，耐受电压为5 0 l 【v 。 2 4 绝缘老化试验系统性能与指标 根据上述对绝缘老化试验系统组成的描述，说明该试验系统已经具备输出 方波脉冲电压幅值高、频率范围宽、电压上升率高等特点，并且能够达到电热 联合老化的目的。其具体的性能指标如下： ( 1 ) 额定功率：o 8 k w ( 2 ) 输入电压；三相交流3 踟 ( 3 ) 输出电压；双极性方波脉冲电压 ( 方波幅值：峰峰值0 一l o k v ( 5 0 0 0 v ) ，连续可调并进行实时的显示 ( 5 ) 方波频率：5 0 0 一2 咄z 连续可调，并进行实时的显示 ( 6 ) 电压上升率：可达6 k v 斗s 系统温度；室温3 0 0 连续可调 ( 8 ) 保护功能：具有过电压保护和三级过电流保护等功能，并自动切断电 源，发出报警指示 ( 9 ) 计时功能；试样击穿时，自动停止计时 综上所述。与第一章中介绍的试验系统相比，本文设计的绝缘老化试验系 统的性能指标已经达到国际产品的指标，并根据应用背景的需要，改进了某些 系统参数，使其满足进行变频牵引电机绕组绝缘老化试验研究的要求。 亘宣窒鋈盔学硕士研究生学位论文第15 页 第3 章高频脉冲电源的技术方案及实现 作为绝缘老化试验系统最重要的组成部分之一，高频脉冲电源是本文研究 的重点。得到上升沿时间较小的输出脉冲方波成为高频脉冲电源研制的关键。 本章介绍了高频脉冲电源的总体设计恩路以及主电路和控制电路中各个组成单 元的工作原理和参数设计，并对电路进行分析，从面改变电路参数尽量城小上 升沿时间。 3 1 高频脉冲电源的总体设计 3 1 ，1 试验系统对高频脉冲电源的要求 鉴于第二章中对变频牵引电机绝缘老化试验系统实现方案及参数选择的分 析，可总结出变频牵引电机绝缘老化试验系统对高频脉冲电源的总体要求为： 电压及频率连续可调并方便读数、具有多重保护技术并故障报警、兵有自动记 录试验时间的功能、稳定性好和安全性高。其具体的性能指标要求为： 设计功率：l k w 输入电压；三相交流3 8 0 v 输出电压：双极性脉冲方波电压啦l k v 连续可调 输出频率：5 0 0 m 棚k h z 连续可调 占空比：5 0 上升沿时间 5 衄s 3 1 2 高频脉冲电源的系统构成 本文研究的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楣逆变桥，采用摸拟电路技 术完成p w m 信号产生和驱动电路的实现，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。高频脉冲电源的系统结构如图3 1 所示。 从图3 1 中可见，该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。主电路主要由整流屯路、斩波电路和遂变电路三部分 组成。控制电路主要包括p w m 控制信号产生电路、驱动信号产生电路和电压 p i 反馈调节控制电路等部分。保护电路主要由三级过电流保护电路和过电压保 护电路等部分组成。辅助电路主要包括辅助电源电路和计时电路等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 图3 1 高频脉冲电源的系统结构图 3 2 高频脉冲电源的主电路 3 2 1 高频脉冲电源主电路的工作原理 如图3 2 所示，工频三相3 8 0 v 输入隔离变压器t ，隔离保护输出