IEC TS 619342024 RLV 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电力电子领域的快速普及，具有短上升时间和高重复频率的电压脉冲已成为绝缘系统面临的新常态工作应力。传统基于工频正弦电压的局部放电（PartialDischarge,PD）测量方法，已无法准确反映此类脉冲电压条件下绝缘系统中局部放电的发生机理与损伤特性，亟需建立与之适配的标准化测试与评估方法。国际电工委员会（IEC）于2024年1月26日正式发布IECTS61934:2024RLV技术规范，系统规定了短上升时间和重复电压脉冲条件下电绝缘材料与系统局部放电的电气测量方法。本报告全面回顾了该标准的立项背景、技术内容与修订亮点，重点分析了标准在测试回路构建、PD信号采集与处理、脉冲噪声抑制、校准方法及测量不确定度控制等方面的核心技术要求，并对主要参与单位在标准制定过程中所发挥的技术支撑作用进行了介绍。报告认为，该标准的发布填补了脉冲电压条件下局部放电测量国际标准的空白，对变频电机绝缘系统、电力电子变压器、新能源汽车驱动系统等高端装备的绝缘可靠性评估具有重要的指导意义，也为未来该领域的进一步发展指明了方向。关键词：局部放电；脉冲电压；短上升时间；重复电压脉冲；绝缘系统；电气测量；IEC标准Keywords:PartialDischarge;ImpulseVoltage;ShortRiseTime;RepetitiveVoltageImpulses;InsulatingSystems;ElectricalMeasurement;IECStandard1引言1.1标准立项背景局部放电是电绝缘系统中局部区域发生电气击穿但尚未形成贯穿性导通通道的一种物理现象，长期以来被视为绝缘劣化的重要征兆和评估绝缘状态的关键指标。在传统的电力系统中，绝缘结构主要承受工频（50/60Hz）或直流电压的持续作用，基于正弦电压激励的局部放电测量方法已经形成了完整的国际标准体系，如IEC60270《高电压试验技术局部放电测量》等，在电力设备制造质量控制和运行状态监测中发挥了不可替代的作用。然而，过去二十年间，电力电子技术的飞速发展从根本上改变了绝缘系统所承受的电压应力形态。以碳化硅（SiC）金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和氮化镓（GN）高电子迁移率晶体管（HEMT）为代表的宽禁带半导体器件，具有开关速度快、开关频率高、耐压能力强等显著优势，正在变频驱动、开关电源、新能源汽车电驱系统、智能电网电力电子变压器等领域获得日益广泛的应用。这些器件的电压上升时间已从传统硅基绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的微秒量级缩短至纳秒量级，脉冲重复频率也由数百赫兹提升至数十乃至数百千赫兹。在这种极端快速的电压变化率（dv/dt可达数十千伏每微秒）和频繁的电压极性反转条件下，绝缘系统内部的气隙、界面或导体突出部位所承受的电场应力与工频条件下存在本质差异，局部放电的起始电压、放电幅值、放电重复率、放电形态及其对绝缘材料的损伤机理均发生了显著变化。大量研究表明，相同幅值的脉冲电压较工频正弦电压更容易引发局部放电，且其对绝缘材料的劣化速率更为严苛。1.2标准制定必要性在IECTS61934:2024RLV发布之前，国际上尚缺乏针对短上升时间和重复电压脉冲条件下局部放电测量的统一技术规范。工程实践中，各研究机构和制造企业往往依据各自内部方法或参考IEC60270的框架进行适应性改造后进行测量，导致以下突出问题：第一，测量结果可比性差。由于缺乏统一的测试回路、脉冲源特性和测量参数设置要求，不同实验室对同一绝缘系统样品在相同脉冲条件下的局部放电测量结果可能存在数量级差异。第二，测量方法适应性不足。脉冲电压条件下的局部放电信号具有持续时间短、频带极宽（可延伸至数吉赫兹）、与脉冲干扰在时域和频域上高度重叠等特点，传统窄带或宽带测量方法难以有效区分真实局部放电信号与系统固有干扰。第三，标准缺失制约技术发展。变频电机、电力电子变压器等高端装备的绝缘设计和可靠性验证迫切需要一套公认的脉冲局部放电测量和评价方法，以支撑产品研发和质量控制。因此，制定专门针对短上升时间和重复电压脉冲条件下局部放电电气测量的国际标准，已成为绝缘技术领域迫在重要的标准化需求。1.3标准基本信息IECTS61934:2024RLV（RedlineVersion）由国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission,IEC）于2024年1月26日正式发布，标准状态为现行有效。该标准属于IEC第112技术委员会（TC112——电气绝缘材料和系统的评定与鉴定）归口管理。RLV版本以电子版加密PDF格式发行，同时呈现了第二版（现行有效版本）与前一版本（2006年第一版）之间的技术差异对照，便于使用者直观了解修订内容。标准全文为英语，售价2890元人民币。标准分类号为绝缘系统，适用于电绝缘材料和系统的脉冲局部放电电气测量。2标准技术内容概述2.1标准范围与适用对象IECTS61934:2024RLV规定了在短上升时间（通常为纳秒至微秒量级）和重复电压脉冲条件下，对电绝缘材料和系统进行局部放电电气测量的通用方法。标准适用于评估绝缘系统在脉冲电压应力作用下的局部放电起始特性、放电强度及其对绝缘性能的影响，被测对象涵盖但不限于：-变频电机定子绕组绝缘系统（包括散嵌绕组和成型绕组）-电力电子变压器的高频绕组绝缘-新能源汽车驱动电机绝缘系统-干式变压器、电抗器等脉冲电压相关设备-绝缘材料试样及其简化模拟结构标准所涉及的脉冲电压参数范围包括：上升时间从纳秒级到数微秒，脉冲重复频率从低重复率到高重复率（数十千赫兹及以上），脉冲波形可为单极性或双极性方波脉冲、指数衰减脉冲等电力电子变换器实际输出的典型波形。2.2测试回路与测量系统要求标准对脉冲条件下局部放电测量的测试回路提出了明确要求。典型的测量系统由脉冲电压源、被测绝缘系统、耦合装置、信号采集与处理单元以及显示记录设备等部分组成。其中，脉冲电压源应能在规定的电压幅值、上升时间、脉冲宽度和重复频率范围内稳定输出，且脉冲参数的可调节性和稳定性应满足测量精度要求。标准特别指出，脉冲源的输出阻抗特性应予以明确，以保证与被测对象的阻抗匹配。耦合装置的选型是确保测量系统灵敏度和抗干扰能力的关键环节。标准推荐采用高频电流互感器（HFCT）作为主要的信号耦合方式，其带宽应覆盖局部放电信号的频带范围。同时，标准也允许采用耦合电容和测量阻抗的替代方案，但要求对各种耦合方式的特点和适用条件进行详细说明。2.3PD信号采集与处理方法在脉冲电压条件下，局部放电信号与脉冲源产生的干扰信号在时域上高度重叠，如何有效分离和识别真实的局部放电信号是标准关注的核心技术问题之一。标准系统阐述了以下几方面的技术要求：时域窗口设置。鉴于局部放电通常在脉冲上升沿或电压极性反转瞬间集中发生，标准建议采用时间窗技术，在脉冲周期内设定特定的采集窗口，聚焦于局部放电最可能出现的时域区间，以降低数据采集量并提升信噪比。高频分量提取。局部放电信号具有极宽的频率分布，其高频分量（通常可达数百兆赫兹至数吉赫兹）在传输过程中的衰减特性与被测对象的高频响应密切相关。标准对测量系统的高频截止频率提出了明确要求，以确保能够有效捕获局部放电的快速瞬态特征。信号处理与判别准则。针对脉冲干扰、开关噪声等混杂信号的消除，标准引入了基于脉冲波形特征、频率谱特征和统计分布特征的多维判别方法。其中，相位分辨局部放电（PRPD）图谱在脉冲条件下被拓展为时间分辨局部放电（TRPD）图谱，以表征局部放电相对于脉冲相位（或时间位置）的分布规律。2.4校准与测量不确定度标准强调了脉冲局部放电测量系统校准的特殊性。由于脉冲条件下局部放电信号的传输特性与工频条件下存在差异，传统的基于正弦电压的校准方法可能不再适用。标准建议采用具有已知电荷量的校准脉冲注入法进行系统校准，并详细规定了校准脉冲的波形参数要求，包括上升时间、脉冲宽度和重复频率等。在测量不确定度评估方面，标准引入了国际通用的测量不确定度表示指南（GUM）框架，识别了影响测量结果的主要不确定度来源，包括：脉冲电压幅值测量误差、耦合装置传输特性偏差、信号采集系统的量化误差、校准脉冲电荷量的不确定度以及环境因素（温度、湿度）的影响等。标准要求各实验室在报告测量结果时应同时给出扩展不确定度及其包含因子。3标准修订要点分析IECTS61934:2024RLV是2006年第一版（IECTS61934:2006）以来的首次系统修订。与原版本相比，本次修订主要体现了以下技术进展和需求变化：3.1适应宽禁带器件发展的测量需求扩展2006年版标准主要面向以硅基IGBT为代表的功率器件应用场景，而本次修订充分考虑了SiC、GaN等宽禁带器件带来的更短上升时间（可低至数纳秒）和更高重复频率（可达数百千赫兹）的极端条件。标准扩展了脉冲参数的覆盖范围，增加了对超快上升沿脉冲的测量适配建议。3.2测量方法与数据处理技术的现代化新版标准引入了数字信号处理领域的最新成果，包括基于小波变换的时频域联合分析、基于模式识别的局部放电信号自动分类等先进方法。同时，标准对测量系统的数字化程度和数据接口提出了更明确的要求，以适应智能化、自动化测量的发展趋势。3.3与相关标准的协调统一本次修订加强了与IEC60270（局部放电测量基础标准）、IEC60034-18-41（变频电机绝缘系统评估）和IEC60034-18-42（变频电机成型绕组绝缘系统评估）等标准的协调与衔接，明确了在脉冲条件下局部放电测量的术语定义、测量程序和结果表达方式，避免标准之间的技术冲突和重复规定。3.4增加试验结果表达和应用指南新版标准扩充了测量结果表达的内容，增加了TRPD图谱、统计特征参数（如最大放电量、平均放电量、放电重复率等）的统一表达格式要求，并补充了脉冲局部放电测量在绝缘系统质量评估和寿命预测中的典型应用案例。4主要参与单位介绍国际电工委员会第112技术委员会（IEC/TC112）负责归口管理本标准的制定与维护工作。IEC/TC112成立于2002年，其工作范围涵盖电气绝缘材料和绝缘系统的评定方法、耐久性评估、状态诊断与技术规范制定。TC112的秘书处长期由法国标准化协会（AFNOR）承担，共有来自全球二十余个国家的标准化技术专家参与各工作组的技术活动。在本标准的修订过程中，瑞士ABB集团下属的全球绝缘研究团队发挥了核心的技术引领作用。ABB作为全球领先的电力和自动化技术集团，在变频电机、电力电子变压器和中高压电力设备领域拥有超过四十年的绝缘系统研发经验。来自ABB公司瑞士研究中心（Baden-Dättwil）和芬兰赫尔辛基工厂的绝缘技术专家深度参与了标准技术框架的构建、测量回路方案的论证以及脉冲局部放电信号识别算法的验证工作。ABB研究团队在脉冲电压绝缘应力评估方面拥有深厚的技术积累。早在本世纪初，ABB的研究人员就率先开展了变频电机绝缘在快速脉冲电压下的局部放电行为系统性研究，建立了基于高频电流互感器和超宽带数字示波器的脉冲局部放电测量平台，积累了大量的实验数据和工程经验。在本标准修订过程中，ABB团队贡献了其在超快脉冲条件下局部放电信号耦合与提取的核心技术方案，以及测试回路寄生参数控制的工程经验，相关技术方案被采纳为标准中的推荐做法。此外，德国西门子公司、日本东芝公司以及意大利TechImp公司（局部放电检测仪器专业制造商）的专家也积极参与了标准中测量系统性能验证和校准方法的技术讨论，为标准的实用性和可操作性提供了重要的工程支撑。中国方面，西安交通大学、重庆大学等高校以及哈尔滨电气集团、上海电气集团等企业也通过派员参与IEC/TC112相关工作组会议的方式，跟踪和参与了标准的制定过程，反映了中国在高电压绝缘技术领域日益增强的国际影响力。5标准应用价值与展望5.1在变频电机绝缘评估中的应用变频电机是脉冲电压局部放电测量最典型也最迫切的应用领域。由脉宽调制（PWM）变频器输出的电压脉冲经长电缆传输至电机端子处时，由于阻抗不匹配会产生电压反射，导致电机端子上出现幅值高达直流母线电压两倍甚至更高的过电压尖峰，且上升时间极短。这种严酷的电压应力对电机匝间绝缘构成了严峻挑战，局部放电成为导致变频电机绝缘过早失效的首要因素。依据IECTS61934:2024RLV所规定的测量方法，电机制造企业可在型式试验阶段准确定量评估其绝缘系统在脉冲电压下的局部放电起始电压（PDIV）和局部放电熄灭电压（PDEV），据此优化绝缘结构设计和电磁线选型，从而显著提升产品的运行可靠性。5.2在电力电子变压器和新能源装备中的应用电力电子变压器（PET）作为智能电网和轨道交通牵引系统的关键设备，其高频变压器部分的绝缘结构承受着数十千赫兹重复频率的方波电压应力，传统绝缘设计方法面临严峻挑战。IECTS61934:2024RLV为PET绝缘系统的研发验证提供了标准化的测量手段，有助于建立绝缘材料选型和结构设计的定量评估体系。在新能源汽车领域，驱动电机和车载充电机（OBC）中的绝缘组件同样工作在高频脉冲电压环境中，该标准的应用对于保障新能源汽车电气系统的长期安全可靠运行同样具有重要意义。5.3未来发展趋势随着电力电子技术的持续进步，绝缘系统所承受的脉冲电压条件将更加苛刻，局部放电测量的技术需求也将不断演化。展望未来，本标准的进一步发展可能呈现以下趋势：测量频带的进一步拓展。随着宽禁带器件开关速度的不断提升，局部放电信号的频谱将进一步向更高频段延伸，需要开发带宽达数吉赫兹以上的测量系统和相应的校准方法。智能化与在线监测的融合。基于人工智能的局部放电模式识别和趋势预测方法将逐步融入标准体系，实现从实验室离线测量到现场在线监测的技术贯通。多物理场耦合评估。局部放电的引发和发展与电场、热场、机械应力等因素密切相关，未来标准可能向多物理场耦合条件下绝缘性能评估的方向拓展，建立更为全面的绝缘可靠性评价体系。国际化合作的深化。随着中国在电力电子装备制造领域国际地位的提升，中国企业和研究机构在IEC/TC112中的参与度和话语权有望进一步增强，为标准的持续完善贡献更多的中国智慧和中国方案。6结论IECTS61934:2024RLV的发布是电气绝缘与电力电子交叉领域标准化工作的一项重要成果。该标准系统规定了短上升时间和重复电压脉冲条件下电绝缘材料和系统局部放电的电气测量方法，有效填补了该技术领域的国际标准空白。标准的实施为变频电机、电力电子变压器、新能源汽车驱动系统等广泛应用脉冲电压技术的高端装备的绝缘设计和质量评估提供了统一的技术依据，有助于提高不同实验室间测量结果的可比性，促进绝缘技术的进步和产品质量的提升。随着宽禁带半导体技术的持续演进和应用领域的不断拓展，脉冲局部放电测量技术将面临更高的频带要求、更复杂的干扰环境和更智能化的数据处理需求，IECTC112及其合作伙伴将在现有标准基础上持续开展修订和完善工作，以更好地服务于全球电气装备制造业的技术创新和产业升级。参考文献[1]IECTS61934:2024RLV,Electricalinsulatingmaterialsandsystems-Electricalmeasurementofpartialdischarges(PD)undershortrisetimeandrepetitivevoltageimpulses,InternationalElectrotechnicalCommission,2024.[2]IEC60270:2000+A1:2015,High-voltagetesttechniques-Partialdischargemeasurements,InternationalElectrotechnicalCommission.[3]IEC60034-18-41:2014,Rotatingelectricalmachines-Part18-41:Partialdischargeresistantelectricalinsulationsystems(TypeI)usedinrotatingelectricalmachinesfedfromvoltageconverters-Qualificationandtypetests,InternationalElectrotechnicalCommission.[4]IEC60034-18-42:2017,Rotatingelectricalmachines-Part18-42:Partialdischargeresistantelectricalinsulationsystems(TypeII)usedinrotatingelectricalmachinesfed