IEC TS 619342024 电绝缘材料和系统.短上升时间和重复电压脉冲下局部放电（PD）的电气测量标准立项发展报告

电绝缘材料和系统短上升时间和重复电压脉冲下局部放电（PD）的电气测量标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:ElectricalInsulatingMaterialsandSystems–ElectricalMeasurementofPartialDischarges(PD)underShortRiseTimeandRepetitiveVoltageImpulses摘要随着以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的宽禁带半导体功率器件在轨道交通、新能源汽车、智能电网及航空航天等领域的广泛部署，电力电子变流器的开关速度与开关频率显著提升。其输出脉冲电压具有极短的上升时间（纳秒至亚微秒级）和重复频率高、极性反转快等特征，对电机绕组、电缆附件及变频驱动系统的绝缘系统构成了前所未有的电热耦合应力。传统的工频或低频局部放电检测方法和技术规范已无法有效评估此类工况下绝缘系统的早期劣化状态。在此背景下，国际电工委员会（IEC）于2024年1月26日正式发布技术规范IECTS61934:2024《电绝缘材料和系统短上升时间和重复电压脉冲下局部放电（PD）的电气测量》。该文件系统规定了在重复脉冲电压条件下进行局部放电电气测量的通用要求、试验回路、校准方法、抗干扰策略及测量结果表征方式，填补了脉冲工况下局部放电标准化测量方法的国际空白。本报告对该标准的发展背景、核心技术框架、主要参与单位及未来标准化方向进行了系统梳理与分析，旨在为国内相关领域的技术研发、标准转化及工程应用提供参考。关键词：局部放电；重复电压脉冲；短上升时间；绝缘系统；宽禁带半导体；IEC标准；电气测量AbstractWiththeextensivedeploymentofwide-bandgapsemiconductorpowerdevicesrepresentedbysiliconcarbide(SiC)andgalliumnitride(GaN)inrailtransit,newenergyvehicles,smartgrids,andaerospaceapplications,theswitchingspeedandswitchingfrequencyofpowerelectronicconvertershaveincreaseddramatically.Theoutputpulsedvoltages,characterizedbyextremelyshortrisetimes(nanosecondtosub-microsecondlevels),highrepetitionrates,andrapidpolarityreversals,imposeunprecedentedelectro-thermalcoupledstressesontheinsulationsystemsofmotorwindings,cableaccessories,andvariable-frequencydrivesystems.Traditionalpower-frequencyorlow-frequencypartialdischargedetectionmethodsandtechnicalspecificationscannolongereffectivelyassesstheearlydegradationstateofinsulationsystemsundersuchoperatingconditions.Againstthisbackdrop,theInternationalElectrotechnicalCommission(IEC)officiallypublishedTechnicalSpecificationIECTS61934:2024onJanuary26,2024.Thisdocumentsystematicallyspecifiesgeneralrequirements,testcircuits,calibrationmethods,anti-interferencestrategies,andmeasurementresultcharacterizationapproachesforelectricalmeasurementofpartialdischargesunderrepetitivevoltageimpulses,fillingtheinternationalgapinstandardizedPDmeasurementmethodsunderimpulseconditions.Thisreportsystematicallyreviewsandanalyzesthedevelopmentbackground,coretechnicalframework,majorparticipatingorganizations,andfuturestandardizationdirectionsofthisstandard,aimingtoprovidereferencefordomestictechnicalresearch,standardtransformation,andengineeringapplicationsinrelatedfields.Keywords:PartialDischarge;RepetitiveVoltageImpulses;ShortRiseTime;InsulationSystems;Wide-BandgapSemiconductors;IECStandards;ElectricalMeasurement一、引言1.1立项背景与行业需求局部放电（PartialDischarge,PD）是电气绝缘系统中局部区域发生击穿但尚未形成贯通性放电通道的一种电气现象，长期以来被视为绝缘系统早期劣化的关键征兆与核心评价指标。在传统的工频高压设备中，IEC60270等标准已建立了成熟的局部放电测量方法体系。然而，近年来以碳化硅（SiC）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）为代表的宽禁带功率半导体器件技术迅猛发展，推动电力电子变流器向着高频化、高功率密度化和高电压化方向持续演进。在上述技术趋势下，变频电机、高压直流（HVDC）换流阀、牵引传动系统、并网逆变器等核心装备的绝缘结构直接承受脉冲宽度调制（PWM）电压的作用。此类电压脉冲具有以下几个显著特征：一是上升时间极短，通常在20~200ns范围内，远小于传统工频电压的周期特征；二是重复频率高，可达数kHz至数十kHz；三是极性与幅值快速交替变化，且存在陡峭的过冲与振铃现象。研究表明，在上述条件下，绝缘系统中气隙、沿面及内部缺陷处的局部放电起始电压（PDIV）显著降低，放电重复率与单次放电能量明显增加，绝缘材料的电老化速率可较工频条件下提升数倍至数十倍。然而，现有的IEC60270测量体系以工频或直流电压下的视在电荷测量为核心，其测量带宽、滤波特性和校准方式均无法适应纳秒级上升沿的脉冲电压条件。在脉冲电压作用下，测量回路中不可避免地存在由陡前沿脉冲引起的容性耦合干扰和电磁辐射噪声，其幅值往往远大于真实的局部放电信号，导致常规测量方法完全失效。因此，制定专门适用于短上升时间和重复电压脉冲工况的局部放电电气测量标准，已成为国际电工绝缘技术领域的迫切需求。1.2IECTS61934标准的制定历程IECTS61934的制定工作由国际电工委员会第112技术委员会（IECTC112——电气绝缘材料和系统的评估与评定）下设的第2工作组（WG2——绝缘系统的电气表征）负责推进。该技术规范的第一版于2006年发布（IEC/TS61934:2006），此后经历了2011年的第一版修订（IEC/TS61934:2011）以及2024年1月26日发布的最新版本IECTS61934:2024。新版本在充分吸收近十年来宽禁带器件应用经验、测量技术进步及国际间循环比对试验（RoundRobinTest）成果的基础上，对脉冲电压波形参数、测量回路阻抗匹配、校准程序及结果报告格式等内容进行了系统修订与扩充。1.3标准定位与适用范围IECTS61934:2024是一项国际电工委员会的技术规范（TechnicalSpecification,TS），其标准性质属于技术规范而非国际标准（IS），体现了该领域技术仍在快速发展之中、部分测量方法尚需进一步验证的特点。该标准适用于电气绝缘材料和绝缘系统在短上升时间（通常指上升时间不大于几百纳秒）和重复电压脉冲激励下的局部放电电气测量，涵盖了测量系统的架构设计、传感器选型、校准方法、抗干扰措施、试验程序及测量结果的统计表征等完整技术链条。二、标准核心技术内容分析2.1测量系统的总体架构IECTS61934:2024明确规定了一套适用于重复脉冲电压条件下局部放电测量的标准化系统架构。该架构由以下几个核心功能单元构成：脉冲电压源、被测绝缘样品或系统、耦合装置、局部放电传感器、信号采集与处理单元以及数据显示与存储单元。与IEC60270系统相比，脉冲工况下的PD测量系统面临两个核心技术挑战：第一，陡前沿脉冲电压在测量回路中产生强大的瞬态共模干扰，其幅值通常是真实PD脉冲信号的数十至数百倍；第二，PD脉冲本身具有极短的持续时间（通常为纳秒级），要求测量系统具备足够高的带宽和采样率。为此，标准对测量系统的频率响应特性做了专门规定，建议测量系统的上限截止频率不低于500MHz，对于上升时间低于50ns的测试工况，系统带宽应进一步扩展至1GHz以上。2.2脉冲电压波形的标准化定义标准对试验用重复脉冲电压的关键波形参数给出了明确的定义和推荐范围，这包括：脉冲上升时间（t_r）、脉冲持续时间（t_d）、脉冲重复频率（PRF）、占空比以及极性特性（单极性或双极性）。标准特别指出，当脉冲上升时间变化时，被测对象内部的电压分布将随之发生改变，PDIV和放电特性也会出现显著差异，因此试验报告中必须完整记录实际施加的脉冲波形参数。此外，标准引入了脉冲上升时间与PDIV关系的评价方法，推荐在特定上升时间范围内（如50ns、100ns、200ns、500ns等若干个标准化测试点）分别测定PDIV，以全面反映绝缘系统在快速前沿脉冲下的局部放电起始特性。这一方法在实际工程中被称为“PDIV-上升时间谱”，可为变频电机绝缘设计和选型提供直接参考。2.3测量与校准方法在脉冲电压条件下的局部放电测量中，如何从强烈的干扰背景中提取真实的局部放电信号是核心技术难题。为此，IECTS61934:2024系统阐述了以下测量方法：（1）时域窗口法：利用脉冲电压激励后的特定时间窗口内进行PD信号检测，通过精确的时间同步将采样窗口设定在瞬态干扰消退之后，从而避开电压脉冲前沿产生的开关干扰；（2）差分测量法：采用双通道对称测量结构，将干扰信号作为共模分量加以抑制，而将真实的PD信号作为差模分量予以保留；（3）超宽带检测法：利用PD脉冲的高频分量特征，采用高频电流互感器（HFCT）或宽带电磁耦合传感器进行信号拾取，配合数字滤波和模式识别算法实现干扰抑制和信号增强。标准对测量系统的校准方法也做了专门规定。由于脉冲激发条件下PD信号的能量分布与工频条件存在根本差异，标准规定采用已知电荷量的纳秒级校准脉冲注入方式，对测量链路进行端到端校准。校准脉冲的上升时间应不大于被测试验脉冲上升时间的1/3，以确保校准状态与实测状态的一致性。2.4局部放电的表征参数与统计指标区别于IEC60270中主要以视在电荷量q（单位pC）作为PD强度指标的简化做法，IECTS61934:2024推荐采用多个互补性参数来全面表征脉冲电压下的局部放电特征，主要包括：-局部放电起始电压（PDIV）与局部放电熄灭电压（PDEV）；-局部放电重复率（单位时间内的放电脉冲次数）；-单个放电脉冲的表观电荷量及其统计分布；-放电脉冲的相位分布（相对于脉冲周期的相位）与幅值分布图谱（PRPD图谱）；-放电能量的累积值与累积速率。标准强调，在重复脉冲电压作用下，局部放电现象呈现明显的统计波动性，单一的固定阈值判定已无法准确反映绝缘状态的劣化趋势。因此推荐采用统计特征量（如Weibull分布参数）对放电数据的离散性和趋势性进行分析，为绝缘状态评估和寿命预测提供更具统计学意义的数据支撑。三、标准的技术进步与创新点3.1适应宽禁带器件技术发展的更新IECTS61934:2024在上一版的基础上，充分吸收了近年来SiC和GaN器件大规模工程应用所带来的新认知和新需求。新版标准明确讨论了上升时间低至20ns的超快前沿脉冲条件下的测量可行性与限制因素，增加了对测量系统在高重复频率（>10kHz）工况下的数据处理能力和存储深度的要求。3.2纳秒级PD测量系统性能验证方法的确立新版标准新增了测量系统性能验证的规范性附录，规定了采用基准脉冲发生器对测量系统进行动态性能测试的具体程序，包括系统带宽验证、幅值线性度验证和时域响应特性验证等。这为不同实验室之间的PD测量结果比对和互认提供了技术基础。3.3抗干扰策略的系统化完善考虑到实际工业环境中电磁噪声的复杂性，新版标准增加了基于多传感器协同探测的数字信号处理抗干扰方法的推荐性框架，涵盖了频域滤波、小波变换去噪、独立成分分析（ICA）以及机器学习辅助的放电脉冲识别等先进信号处理技术的应用指南。四、主要制定单位介绍——IECTC112及其国内对口单位IECTS61934:2024由IECTC112（电气绝缘材料和系统的评估与评定技术委员会）负责制定。IECTC112成立于2001年，其工作范围涵盖电气绝缘材料和绝缘系统的电气、热、机械及环境老化特性评估方法的研究与标准化制定。该技术委员会目前设有多个工作组（WG）和项目组（PT），分别负责不同方向的标准化工作。其中负责本标准的WG2（绝缘系统电气表征工作组）汇集了来自全球主要电气设备制造商、绝缘材料供应商、独立检测机构及高校研究所的资深专家。在中国，IECTC112的国内技术对口工作由全国电气绝缘材料与绝缘系统评定标准化技术委员会（SAC/TC301）承担，该委员会秘书处设在中国机械工业联合会。来自西安交通大学、清华大学、哈尔滨理工大学、上海交通大学等高校，以及中国电力科学研究院、上海电器科学研究院、桂林电器科学研究院等研究机构的专家学者持续深度参与IECTC112的各项标准化工作。这些国内单位在重复方波脉冲下绝缘材料的局部放电特性研究方面已积累了丰富的科研成果，为中国在该国际标准制定中发挥积极作用提供了有力的技术支撑。以西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室为例，该团队自21世纪初即开始了变频电机绝缘在重复脉冲电压下局部放电特性的系统研究，建立了具有国际先进水平的纳秒级脉冲PD测量实验平台，在PDIV的上升时间依赖性、脉冲电压下绝缘材料的电老化寿命模型及PD信号的特征提取与模式识别等方面取得了具有国际影响力的研究成果，多名教授长期担任IECTC112专家组成员，深度参与了IECTS61934历次版本的起草与修订工作。五、标准应用前景与行业影响5.1在新能源装备领域中的应用价值随着新能源汽车、光伏逆变器、风力发电变流器和轨道交通牵引系统等领域的持续高速发展，功率半导体器件的电压等级和开关速度不断刷新纪录。800V乃至1200V级SiC器件已实现规模化装车应用，其极短的电压上升时间对驱动电机的匝间绝缘和相间绝缘构成了比传统硅基IGBT更为严酷的电应力。IECTS61934:2024所确立的标准化测量方法，为上述应用场景下的绝缘系统选型、质量控制和可靠性验证提供了统一的技术标尺。5.2促进低压变频电机绝缘系统的质量提升低压变频电机是工业自动化和建筑节能领域用量最大的驱动设备。变频器输出PWM脉冲电压与电机绕组阻抗不匹配时产生的电压反射和叠加效应，可导致电机端子处出现幅值高达直流母线电压近2倍的过冲电压。采用IECTS61934:2024规定的标准化方法对变频电机绝缘系统进行脉冲PD检测，可有效甄别绝缘制造工艺缺陷、评估绝缘材料的耐脉冲性能，从而推动电机绝缘质量的整体提升。5.3对相关标准体系的牵引和补充IECTS61934:2024与IEC60034-18-41（变频电机绝缘系统耐久性评估）、IEC60034-27-5（变频电机局部放电离线/在线检测）等标准形成了良好的互补关系。前者的测量方法为后者所规定的绝缘系统评估程序提供了关键的试验测量基础。同时，IECTS61934也为国内相应标准化文件的制修订提供了重要的参考依据。六、结论与展望IECTS61934:2024的发布是国际电气绝缘标准化领域一项具有里程碑意义的技术成果。该技术规范以系统性、前瞻性和工程适用性为原则，构建了短上升时间和重复电压脉冲条件下局部放电电气测量的完整技术框架，填补了该领域国际标准化文件的空白。其发布不仅回应了宽禁带功率半导体技术快速发展对绝缘评估方法提出的迫切需求，也为变频电机、电力电子变压器、固态断路器及高性能牵引系统等高端装备的绝缘设计与质量控制提供了科学依据。当前，脉冲电压下局部放电测量技术仍在持续演进之中，仍有若干关键问题有待深入研究，包括：重复脉冲下PD初始电子提供机制与放电统计特性的物理模型完善、更高频段（GHz以上）PD信号的传感与采集技术、基于人工智能的PD信号实时识别与绝缘状态评估方法，以及脉冲PD测量结果与绝缘剩余寿命之间的定量关联模型等。可以预见，随着上述研究领域的不断突破，IECTC112将适时启动该技术规范的下一轮修订工作，推动其从技术规范（TS）向正式国际标准（IS）的升级转化。对中国而言，应积极跟踪IECTS61934:2024的技术动态，加快推进该文件的国内转化工作，结合国内在宽禁带器件应用和变频驱动技术领域的产业优势，制定符合我国国情并具有国际先进水平的配套标准或技术指南。同时，国内相关研究机构和制造企业应持续加深在脉冲PD测量技术领域的基础研究和工程应用验证，在国际标准化舞台上贡献更多的中国智慧和中国方案，提升我国在电气绝缘技术领域的国际影响力和话语权。参考文献[1]IECTS61934:2024,Electricalinsulatingmaterialsandsystems-Electricalmeasurementofpartialdischarges(PD)undershortrisetimeandrepetitivevoltageimpulses[S].Geneva:IEC,2024.[2]IEC60270:2000+AMD1:2015,High-voltagetesttechniques-Partialdischargemeasurements[S].Geneva:IEC,2015.[3]IEC60034-18-41:2014,Rotatingelectricalmachines-Part18-41:Partialdischargeresistantinsulationsystems(TypeI)usedinrotatingelectricalmachinesfedfromvoltageconverters-Qualificationandqualitycontroltests[S].Geneva:IEC,2014.[4]IEC60034-27-5:2023,Rotatingelectricalmachines-Part27-5:Off-lineandon-linepartialdisch