匝间绝缘测试项目的释义与正确使用

1、正确使用电机检测中匝间绝缘测试项目1 概述 近年来，在国电机生产和检测中，匝间绝缘测试项目越来越受到广泛重视。在80年代 和90年代初，各厂家和试验室所用匝间绝缘测试仪均用目测波形差异测试法，且匝间绝缘项目测试仅 用于交流电机定子绕组的测试。随着计算机应用的提高和普与，匝间绝缘测试方法也从目测开展为用 计算机进展分析和判断。脉冲冲击电路从闸流管开展到高压可控硅电路，电路稳定'可亢，不需预热， 寿命长。在90年代中期以后，国匝间绝缘测试技术已开展到一个新水平。2 匝间绝缘检测机理匝间绝缘测试机理为用一个高压窄脉冲根据现有标准脉冲上升沿为 l2“s、05s两种加于被测绕组两端，此脉冲能量在

2、绕组与匹配电容之间产生一个并联自激振荡， 由于绕组直流电阻的存在，此谐振为一衰减波并较快趋近于零，分析被测绕组振荡波形与标准绕组振 荡波形之差异，即可判断被测绕组的优劣 > 判断其是否存在匝间短路或匝间绝缘不良问趣。传统的匝间绝缘判断方法是将标准绕组和被测绕组两振荡波加于双线示波器上，用肉眼观察两波 形的幅值和频率的差异，并根据经历判断被测绕组是否合格，这种方法的根本缺点是判斷主观随意性， 没有量化指标考核，这种方法也经常引起制造者与检脸人之间的分歧与才盾。随着计算机技术的开展与普与，匝间绝缘测试方法已大有改良，用一个高速A/D系统将绕组的脉 冲电压冲击的衰减自激振荡波模拟信号进展数字化

3、处理，然后由计算机对波形数据进展分析比较和计 算，并由计算机对冬参童的变化进展判斷。波形判斷的参量，目前国和国际上有很多形式，如利用被测绕组振荡波与X轴的面积和标准绕组 振荡波与X轴的面积之差的百分数法、两个波的频率差的百分数法、用两个波面积差的百分数法、电 晕放电法、电桥不平衡法等。目前国使用较普遍的是面积差百分数法和频率差百分数法。正确选择冬检测参数，才能保证检测准确性，现以目前国某公司的定子综合测试台中匝间绝缘项 目测试为例进一步阐述检测机理与方法。匝间绝缘测试电路如图1:图1匝间绝缘测试电路L和R为绕组的电威和直流电阻，C为测试台匹配电容，和险为取样分压电阻» Ri + R?

4、较大，达10MQ以上，对振荡回路不产生影响。当a-b端加一个高压脉冲信号，那么在回路产生衰减自激振荡， 其振荡频率：此处振荡回路Q值此处必为实数即1-CR1/L0那么起振条件为：当回路Q值很高（航很小或wLRt）1-1/Q=1那么典型的匝间冲击振荡波形如图2所示。图2匝间冲击振荡波形回路等效阻抗Zo=L/RlC= q'/Rl其中：Q特性阻抗。回珞消耗功率p 尸 U7Zo+pfc=RlCU7L+pfc=RlU7 p '+pfc式中：pre单位时间铁损。自激振荡每一周期能董损耗：A Wo=poT+pFeT=RLU2T/ P 2+pFeT式中：T一一个振荡周期时间。从上式可知Ri &

5、#39; L都会影响f和恥的变化。而L对f的影响较大，Ri对恥较大，亦即波形面 积影响较明显。某些场合铁损占主导作用，使振荡波很少甚至无法振荡。由标准绕组建立一个标准波形，而假设被测绕组存在匝间短路，被测绕组除由于圏数减少而引起L 和Ri变化外，更主要的由于短路圏的感应电势将产生一个大的感生电流，造成绕组能董损耗波形衰 减加快，其波形面积与标准绕组波形面积差AS加大那么AS/S加大。即测试仪上dS增加，从而判 别其匝间短路的存在。被测绕组短路匝数越多，能莹损耗越大，dS亦越大，越能判别其短路状态。一 般电机短路一匝，其dS到达8以上。假设被测绕组仅一匝间短路，造成的L和心变化很小，因此频率变化

6、不明显。同一品种电机，由于陡钢板牌号变更，或由于叠片松紧差异较大，或绕组浸漆前后，扎线与整形 前后 > 绕组在定子铁芯槽排列不一致都会引起L的不一致，从而使振荡波形的S和f产生差异。从这里我们知道在做产品匝间绝缘试脸时被测产品的状态和标准产品的状态一定要一致，防止引 起不必要的误差。3 正确选择各检测参数该定子综合测试台匝间绝缘测试项目中用户需选择四个参数，参数选择 的正确与否，对产品质童，对企业经济效益将会产生不小的影响。3.1 峰值电压测试台咔值电压田 在5003000V之间，由数字式电压表显示。卑值电压选择的依据为电机绕组由漆包线的漆膜绝缘性能， 电机浸漆绝缘性能和制造工艺、操作水

7、平决定。一般E级或B级绝缘的电机可选用10001500V 稍高 的不超过1800V咖空调电机 诜衣机电机或一般三相电机甲级或H级绝缘的电机可选用18002500V， 选用复合漆包线的电机也有选3000V卑值电压的，例如空调压缩机电机等。对于直流电机电枢的匝间 测试，目前没有统一的标准，按惯例低压直流电机电枢匝间测试可选脉冲峰值300500V *高压直流电 机可选10001800VO绕组总圏数多的，峰值电压可选高一些，总匝数少的，可选峰值电压低一些。峰值电压由峰值保 持电路和数显表指示实际值。因此只有在峰值脉冲发生那一瞬间才有显示，显示时间很短，操作者要 注意观察。指针表指示的为高压端交流电压值

8、，但已折算到脉冲峰值，在特定负载下与数显表指示一 致，可以作为调整峰值电压时参考用。3.2 阀值dS即被测电机绕组振荡波形与标准电机振荡波形面积差的百分数dS=AS/Sxl00%，其 阀值大小由被测绕组和标准绕组的电阻差异、电感虽差异和匝间短路等诸多因素决定。由前面公式知 道，谐振回路的等效阻抗Zo= p2/R（而p2=L/C，因此 讯和L的变化都影响损耗3的大小，使AS ' dS加大。由公式还可知，po与Ri,成正比而与L成反比，但这里dS取绝对值，与AS的正负无关。从公式还可知损耗还与峰值成正比，要求测试电源稳定，否那么电源波动对dS影响较大。从前面检测原理可知，影响dS的最大因素

9、还是匝间短路的发生，匝间短路使能量损耗迅速力口大， 波形衰减加快，dS增大。我们做过一次试验，用某电机绕组先在测试台上建立标准波形。然后用一样导线在相应槽违成短 路一圏，其dS二8%10%odS的大小视电机绕组总匝数和导线粗细不同而不同，大功率电机dS大，小电机dS小。而绕组电阻Ri,对dS的变化如下表：电阻变化5%10%16%25%28%33%85%170%dS(%)1.02.84.57.310.611.616.731.2这里要说明，以上试验数据只对特定电机有效，因此数損只能说明参数变化规律，并不能代表每种 电机参数变化的绝对值。3.3间值df被测绕组自激振荡频率与标准绕组自激振荡频率差df

10、=Af/foxlOO%，影响df的主要因素是L，当Q 值校小时&变化才会影响频率变化。影响L的因素有绕组总匝数、匝数分布-绕组的松紧、整形形状、铁芯材料变化、浸漆前后等等。 匝间短路数较小时，Af变化不明显，只有当短路匝数校多，影响到L变化，才会使增大。 当测试仪接上参数稳压电源电压稳定在1%以时，df重痕盖精度0. 5%，ds重履盖精度1%。一个标准绕组自激振荡波形逑立以后，被测绕组波形与标准波形比较，其dS和df影响因素大致三 类： 由于制遥工艺，材料等影响使df有1%2%的变化，dS有25%的变化，这一变化并非由匝间短 路引起应予分开。 测试仪受温度、电源变化等影响，出现的重复精

11、度误差dS为0.5%1%，df为0.5%1%。 匝间短路，电晕放电等，一匝短路，多匝短路或层间短路，将引起dS8%15%的变化或更大。如何将1两项因素对dS 'df的影响与第三项因素对dS 'df的影响分开，这是确定阀值大小的目 的0具体操作有以下几种方法：(a) 先将dS和df均设定为15%，测某种电机100200台，从计算机“显示数据库"调出测试数 据，观察dS和df a，按90%95%的电机的dS和df值 > 加大1%2%定阀值。(b) 成心造成绕组短路一匝或二匝，测量其dS和df值，然后比检测值低1%2%定阀值。(C)各工厂质量控制部门根据长期生产实践和

12、经历，定出一个适宜的阀值。总之，阀值设定没有一个统一的标准，根据电机类型和生产工艺来确定。机器绕线和眾线的定子， df可放于2%3%,dS可放于4%5%,而手工绕嘏的定子或材料不稳定的定子，df可放于3%4%，dS 可放于8%10%左右。3.4周期T的选定在测试台的阀值设定的匝间测试项目里，最后一项为哪一项T，T为被测绕组和标准组两波形比较的 周期数。可视总的振荡周期数来定，一般选取13即可，选少了不会影响测试精度。这里还需说明一点， 测试台为提高检测灵敏度，比较的波形是从第二个波开场的，也就是避开了原始脉冲波，从真正开场自 激振荡的波开场比较。实践证明，这一措施极提高了检测灵敏度，使本设备匝

13、间短路匝能较方便分辨 出来。在综合测试台使用中，绕组少绕一匝，能否通过匝间绝缘检测出来 > 答案是否认的。从前面公式可 知，绕组多或少一圏，对绕组的R和L变化很小，与绕组短路一匝的能量损失无法比较。对于电机绕组中有一组线圏反嵌了，能否用匝间绝缘测试方法来分辨。一般来说二极、四极、六极 电机假设一组线圏反嵌，其对整个绕组的影响较大，0值变小，dS可到达8%-10%左右，而八极、十极 电机一组绕组反嵌，其dS和df变化较小，大致在5%8%之间，假设电机工艺稳定，材料稳定，产品 参数一致性好，离散度小，那么dS在5%也可分辨，但手工嵌线八极电机在匝间绝缘测试时，dS的离散 度已到达8%10%，

14、那么反眾一组就无法用匝间绝缘测试来分辨了。这里要附带说明的是，电机绕组反缺的测试方法很多，如空载电流法、电容电压法、起动力矩法、 极性测试法等，这些方法已得到广泛应用。高频脉冲作用下电机定子绕组电压的非均匀分布1引言PWN逆变驱动下，加在电机绕组上的高频电压在绕组传播，使得电机绕组的分布参数不可忽略。由 于分布参数的存在，脉冲电压在电机绕组分布不均，从而引起局部绕组绝缘层局部过压击穿，这种现象 已经引起国外学者和专家的关注。文献5,6分別用仿真手段和多导线传输理论研究了 PWM脉冲电压在电 机绕组的分布情况，一致认为PUN脉冲电压上升时间过高是电机绕组绝缘击穿的主要原因，且大局部绝 缘击穿经常

15、发生在首匝。但这些文章并没有对高频输入下电机绕组分布参数的特性进展讨论。文献7,8 分别用一维扩散方程和非直接边界积分方程计算绕组的分布参数，文献9那么利用涡流分析得到分布参 数与电机输入电压频率的关系，但直接数值计算方法比校繁杂，而文献9也只是针对整嵌式绕组进展计 算，应用困有限。本文利用有限元分析软件ANSYS对定子槽电确场进展有限元分析，从而获取电机绕组 的分布参数。这种方法可以讨论高频输入对电机绕组分布参数的影响，尤其是可以反映脉冲输入的瞬态 作用，同时能充分考虑电机材料属性以与定子槽绕组布线对参数求解的影响，因此这种方法的计算结果 更加有效和准确。本文还通过建立电机绕组分布参数模型，

16、利用MATLAB仿真分析高频PWM脉冲波在电机 绕组的电压分布情况。仿真结果说明，当PWN逆变器驱动时，电机定子绕组电压分布状况不仅与绕组本 身的分布参数有关，而且与PWM脉冲电压上升时间以与传导电缆有关。2定子绕组分布参数模型对于快速上升的脉冲前沿，按照傅立叶分析，其上升时间含有大蚩高次谐波，为估计一个典型的PWM 波前沿在定子线圏间的电压分布，须用一个分布参数电路模型来描述定子绕组。电机绕组中的分布参数 包括：自威和电阻：同一槽下的匝间互感：匝-地间电容：匝-匝间电容Yifan Tang在文献5 中指出：利用边界元法分析各匝的电磁场分布得知：一匝的传导电流在直接邻近匝感应出一个反场涡流 (

17、field-opposingeddy-current ，在定子铁心外表感应一个相对小的反场涡流。在邻近匝外表的涡流 屏蔽了大局部徹力线，而铁槽外表的涡流 > 只在100MHZ以上时才有效屏蔽磁力线，而在低于1HHZ时允 许更多磁力线通过。因此互感只存在于直接相邻的两匝之间，即最多只有两个互感效益对某匝起作用。 但实际上在一个槽，某一匝周国可能有好几匝，所以某一匝受到的互感作用可能不止两个。虽然如此， 为使模型简化，本文按冬匝顺序考虑临近匝间的互感作用。线端绕组分布参数电路模型可用图1表示。3绕组分布参数计算"1-2Mg叫f叫氏考虑到目前很多感应电机都是散眾式绕组型，本文以散嵌式

18、绕组为研究对象。由于散嵌式绕组在槽 的位置具有不确定性，给计算绕组分布参数带来困难。使用有限元法. Finite Element Method - FEM 对电机槽绕组进展电做场分析，可计算散做绕组在不同输入电压上升沿时的电机绕组参数，因此能过对 分布参数做出准确估算。对于某特定的一相而言，槽绕组相对位置确定，这种假设可简化分析过程且可 行。本文以JO2-32-4型号电机为对象，研究高频脉冲作用下电机定子槽的电磁场，通过有限元分析得到 槽各匝分布参数。电机参数为：3. OKW，1430转/分，380伏，6. 5安，50HZ，E级绝缘；定/转子槽数= 36/26，每槽线数=62，并联支路数=2，

19、绕组单层穿插；线规：单根直径= 08inm。有限元分析工具采用ANSYS软件，依照ANSYS的三个局部逐步进展分析和处理，最后得到各分布参 数值。由于电阻值与鼓励与频率无关，所以无需通过ANSYS进展计算。求解电感与求解电容不完全一样， 前者采用瞬态分析而后者只需采用计态分析即可。首先进展电感值的计算。建立电机单槽模型，设定5 种材料分别为气隙、铁芯、导体、转子和绝缘包括匝间绝缘，槽绝缘。然后定义材料属性，划分网 格，加载。本文首先将第一匝设定为鼓励源，瞬间电压设定为470v/500ns。加载完毕执行以下语句进展 求解：Main Menu: Solution >-Solve-Currcn

20、t LS.ANSYS有两个后处理器，即通用后处理器POST1和时间一历程后处理器POST26，前者只能观看 整个模型在某一时刻的结果，后者可观看模型在不同时间段或子步历程上的结果，常用于处理瞬态或动 力分析结果。本文利用POST1得到求解后的磁力线分布，结果如图2所示。利用POST26解得各匝的自感， 表1给出了局部匝的电感计算值。为减少求解时间，求解过程未设置子过程。表1局部匝自感计算参数TurnIndue. (H)TurnIndue. (H)10.4758E-4210. 5302E-420.4698E-4220. 5303E-430.4698E-4230. 5303E-440.4758E-

21、4240. 5302E-4420.5581E-4460. 5581E-4430.5585E-4610. 5641E-4440.5586E-4620. 5641E-4450.5585E-4从磁力线分布看到，槽底的徹力线密度最大，从槽底往上包困乞匝的磁力线减少，因此冬匝电威值 从槽底往上依次减少。从图中磁力线分布还可看出，通过第四层的磁力线根本呈水平状，而第四层以上 的徹力线向下突出，第四层以下的徹力线向上突出，而第四层以上靠近槽壁的各匝电感要大，第四层以 下恰好相反，包困的磁力线越多，导体自感也就越大。MfSYS Sr 5 NOV 14 2 001 15i20i34NODAL SOLUTIuH STEF “SXJB =1TIME-.01A2 RSYS-DSKX -.00 "OB t117E-05 -350E-03 ,564E-03 _ OO LO51.001395 OO1519 .00L936:,OOZ219 :,ao 2-53 ,OO292 JOO3154 .4 OO 3621 .00 36