高壓異步電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行中絕緣損壞的分析和對(duì)策

高 軍

（浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 鎮(zhèn)海 315208）

近幾年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和裝置性?xún)r(jià)比的提高，變頻器已在火電廠交流電動(dòng)機(jī)中得到廣泛應(yīng)用，不僅實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，而且提高了控制品質(zhì)。對(duì)500 kW/6 kV以下的高壓異步電動(dòng)機(jī)，如果采用高壓變頻器，其改造成本相對(duì)較高，投資回報(bào)周期長(zhǎng)；而將此類(lèi)高壓電動(dòng)機(jī)改成690 V低壓電動(dòng)機(jī)，用低壓變頻器帶電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，則具有改造投資相對(duì)小、低壓變頻器的可靠性比高壓變頻器高等優(yōu)點(diǎn)。但在690 V變頻器應(yīng)用中，曾出現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)絕緣損壞的問(wèn)題，需要加以分析并采取相應(yīng)的對(duì)策。

1 高壓異步電動(dòng)機(jī)的變頻改造

2臺(tái)16NL-180立式凝結(jié)水泵（簡(jiǎn)稱(chēng)凝泵），原配用額定功率430 kW/6 kV的JSL-4型電動(dòng)機(jī)，在變頻改造中，凝泵采用低壓變頻的方式：6 kV電源經(jīng)出線開(kāi)關(guān)送至降壓變，降壓變將6000 V降為690 V，經(jīng)690 V低壓變頻器去啟動(dòng)690 V電機(jī)，其中變頻器選用不可控整流、二電平結(jié)構(gòu)電壓變頻器（輸出側(cè)未配置濾波器），電動(dòng)機(jī)采用Y400-4型普通立式三相異步電動(dòng)機(jī)（采用散嵌繞組）。凝泵變頻器系統(tǒng)接線簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 凝泵變頻器系統(tǒng)接線簡(jiǎn)圖

2 第一次電動(dòng)機(jī)絕緣損壞的分析及處理

2.1 存在問(wèn)題

在甲凝泵變頻器帶載調(diào)試中過(guò)流動(dòng)作跳閘，經(jīng)查變頻器、電纜無(wú)異常，電動(dòng)機(jī)定子繞組對(duì)地絕緣為12 MΩ，直流電阻互差6.9%，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)在電動(dòng)機(jī)定子繞組上，其中一相線圈匝間短路，拆開(kāi)故障線圈，發(fā)現(xiàn)故障相的第一槽線圈（在上層）發(fā)生匝間短路，此支路有4根斷股（12根并繞），同時(shí)還與下層線圈（異相）發(fā)生短路，使變頻器過(guò)流動(dòng)作跳閘。

2.2 原因分析

對(duì)變頻器在不同負(fù)荷工況下的輸出線電壓進(jìn)行了錄波。從測(cè)得的變頻器輸出電壓波形圖（見(jiàn)圖2）可見(jiàn)，因變頻器輸出側(cè)采用PWM的控制方式，輸出矩形波脈沖電壓，而且二電平PWM電壓源型變頻器輸出幅值最大為直流母線電壓，使變頻器輸出電壓有很高的電壓變化率du/dt，輸出波形質(zhì)量差。據(jù)有關(guān)研究，這種矩形脈沖電壓在電動(dòng)機(jī)繞組中產(chǎn)生的匝間電壓與正弦電壓有很大的差異。參考文獻(xiàn)[3]指出在電壓脈沖的上升時(shí)間很短（即du/dt很大）時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子繞組首匝要承擔(dān)約80%的脈沖電壓幅值，其匝間電壓超過(guò)平均匝間電壓的10倍以上，同時(shí)電動(dòng)機(jī)繞組各線圈電壓分布的不均勻程度大于在同一線圈各匝間的不均勻程度。因此，在凝泵電動(dòng)機(jī)“△”接線的繞組中，相首相尾的匝間以及相鄰相間的線圈就成為最危險(xiǎn)的受害部位，當(dāng)這些部位的瞬時(shí)電壓超過(guò)線圈絕緣的擊穿電壓時(shí)，線圈絕緣發(fā)生擊穿，這也與電動(dòng)機(jī)損壞點(diǎn)的情況相符。

另外，變頻器輸出的矩形波脈沖電壓頻率約為幾千赫茲到十幾千赫茲。這種高頻脈沖波在電纜中的傳播是一個(gè)波過(guò)程，在傳播過(guò)程中遇到介質(zhì)突變的界面時(shí)，由于特性阻抗不同，會(huì)發(fā)生波的反射。由于電纜一端與變頻器相連，另一端與電動(dòng)機(jī)相連，三者的特性阻抗不同，因此當(dāng)高頻脈沖電壓波到達(dá)電纜兩端時(shí)會(huì)有電壓反射發(fā)生。在電動(dòng)機(jī)端，當(dāng)高頻脈沖電壓波由變頻器輸出、通過(guò)電纜到達(dá)電動(dòng)機(jī)端時(shí)，會(huì)產(chǎn)生1個(gè)大小為ГUDC的反射電壓，其中UDC為變頻器輸出端電壓，Г為電動(dòng)機(jī)端電壓的反射系數(shù)，可由式（1）表示：

式中：Zx為電動(dòng)機(jī)特性阻抗；Zc為電纜特性阻抗。

由于Zx?Zc，Г≈1，因此反射電壓沿相反方向傳播，這時(shí)電動(dòng)機(jī)端電壓接近2UDC。當(dāng)反射電壓到達(dá)變頻器端部時(shí)再次反射，其反射系數(shù)為：

式中：Zs為變頻器特性阻抗。

通常變頻器可以近似看成是一個(gè)電壓源，即Zs≈0，Гs≈-1，因此這個(gè)再次反射的電壓波以-ГUDC向電動(dòng)機(jī)端傳播，到達(dá)電動(dòng)機(jī)端，使電動(dòng)機(jī)端電壓下降為UDC，這時(shí)在電動(dòng)機(jī)端仍會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反射，并使電機(jī)端電壓減小為零，至此完成了傳播過(guò)程的一次循環(huán)，以后這種多次反射將周期性重復(fù)。當(dāng)這些反射電壓波與原始脈沖電壓波疊加，就會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰。這種電壓尖峰即使采用了濾波器也無(wú)法徹底抑制。實(shí)際檢測(cè)增加濾波器后的變頻器輸出電壓和電動(dòng)機(jī)端電壓部分放大如圖3所示，從圖中可以看出電動(dòng)機(jī)端電壓峰值達(dá)到780 V，超過(guò)變頻器輸出電壓近40%，使電動(dòng)機(jī)定子繞組匝間電壓超過(guò)普通690 V電動(dòng)機(jī)繞組絕緣材料的起暈電壓，引起局部放電使絕緣材料擊穿。

圖2 安裝濾波器前變頻器輸出電壓波形圖及放大波形

2.3 采取的技術(shù)對(duì)策

針對(duì)上述分析，為防止電動(dòng)機(jī)絕緣的損壞，應(yīng)降低電壓的峰值和減小du/dt，減少諧波，提高電動(dòng)機(jī)繞組絕緣材料的起暈電壓。

（1）三電平PWM電壓源型變頻器與同類(lèi)的二電平變頻器相比，由于輸出相電壓電平數(shù)由2個(gè)增加到3個(gè)，線電壓電平數(shù)則由3個(gè)增加到5個(gè)，每個(gè)電平幅值降低到一半的直流母線電壓，在同等開(kāi)關(guān)頻率的前提下，可使輸出電壓的du/dt相應(yīng)減小，輸出波形質(zhì)量也有較大改善。因此，690 V電壓等級(jí)的變頻器宜采用三電平變頻器。在本次變頻改造中，因現(xiàn)實(shí)條件限制無(wú)法將二電平變頻器改為三電平變頻器。

（2）在變頻器輸出端設(shè)置濾波器，利用輸出濾波器抑制變頻器輸出電壓的高頻分量，從而降低電動(dòng)機(jī)側(cè)的電壓峰值和減小du/dt，據(jù)此要求廠家增裝了輸出濾波器。在采取了這一措施后，再次檢測(cè)變頻器-濾波器的輸出電壓（見(jiàn)圖4）。比較圖3和圖4，可見(jiàn)輸出濾波器降低了至電動(dòng)機(jī)側(cè)的電壓峰值，并減小了du/dt。

（3）盡管采用濾波技術(shù)能降低電動(dòng)機(jī)側(cè)的電壓峰值和減小du/dt，但在圖4中可見(jiàn)電壓尖峰仍部分存在，電動(dòng)機(jī)難免要承受重復(fù)性高頻電壓脈沖沖擊，加速絕緣老化，縮短電動(dòng)機(jī)的使用壽命。脈沖頻率越高幅值越大，則電動(dòng)機(jī)絕緣壽命越短。因此在二電平變頻器增裝輸出濾波器的基礎(chǔ)上，必須提高電動(dòng)機(jī)繞組的的絕緣水平。為了提高電動(dòng)機(jī)繞組絕緣材料的擊穿電壓，將現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)的散嵌繞組改用變頻電動(dòng)機(jī)專(zhuān)用電磁線，可耐受峰值電壓≥2 kV/0.3 μs。同時(shí)為了進(jìn)一步提高繞組絕緣的耐放電能力，采用真空壓力浸漬工藝，消除絕緣空隙。

圖3 電動(dòng)機(jī)端電壓波形放大圖

圖4 安裝濾波器后濾波器輸出電壓放大波形圖

3 第二次電動(dòng)機(jī)絕緣損壞的分析及處理

3.1 存在問(wèn)題

在整套系統(tǒng)正式投運(yùn)1080 h后，乙凝泵變頻器過(guò)流保護(hù)動(dòng)作跳閘，電動(dòng)機(jī)定子繞組對(duì)地絕緣為20 MΩ，直流電阻互差7.2%，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)仍在電動(dòng)機(jī)定子繞組上，其中一相線圈匝間短路，并造成故障槽內(nèi)異相的上、下層線圈相間絕緣擊穿，使變頻器過(guò)流動(dòng)作跳閘。

3.2 原因分析

首先，這一次電動(dòng)機(jī)絕緣損壞情況與第一次相似，問(wèn)題仍在電動(dòng)機(jī)定子繞組相首相尾的匝間絕緣上。此前在電動(dòng)機(jī)上已采取了加強(qiáng)繞組絕緣的措施。分析認(rèn)為，防電暈電磁線雖然加厚了絕緣層，但漆層（即絕緣層）的小孔難以杜絕，并且加厚的漆層在線圈繞制中易變脆，甚至產(chǎn)生裂紋。當(dāng)浸漬漆未能完全填充這些小孔和裂紋，就很可能在電磁線絕緣交界處產(chǎn)生氣泡或氣隙。因?yàn)闅怏w的介電常數(shù)很小，在交流電場(chǎng)中電場(chǎng)強(qiáng)度與介電常數(shù)成反比，所以在氣泡中的電場(chǎng)強(qiáng)度要比周?chē)橘|(zhì)高得多，而氣體擊穿場(chǎng)強(qiáng)一般比液體或固體低得多，因而很容易在氣泡或氣隙中首先局部放電，這種局部放電在高頻脈沖電壓沖擊下，絕緣介質(zhì)損耗迅速增大，將使繞組絕緣迅速老化，直至擊穿或燒毀。

其次，電動(dòng)機(jī)采用散嵌繞組形式，線圈導(dǎo)線并繞根數(shù)多（12根），匝數(shù)少（7匝），匝間電壓高，在槽內(nèi)的首匝與末匝完全有可能緊靠在一起，此時(shí)首尾兩匝間承受的電壓就是該線圈上的電壓。若該線圈是第一個(gè)線圈（即相首），則首尾兩匝間承受的電壓就更高，極易發(fā)生匝間短路，再加上電機(jī)線圈嵌線過(guò)程易損傷電磁線漆層等不利因素，更降低了此類(lèi)電動(dòng)機(jī)的可靠性。

3.3 采取的改進(jìn)對(duì)策

針對(duì)散嵌繞組存在問(wèn)題，需要進(jìn)一步提高電動(dòng)機(jī)繞組耐高頻脈沖電壓能力。由于成型繞組一般用扁線繞制，經(jīng)漲型、整型、壓型、包絕緣等工序，扁線的截面積比散嵌繞組漆包線的截面積大得多，因而線圈的并繞根數(shù)也少得多，成型繞組扁線排列比散嵌繞組的漆包線整齊，相首相尾線圈加強(qiáng)匝間絕緣易做到，同時(shí)槽內(nèi)上下層線圈和繞組端部的線圈之間以及相間的絕緣也將大大提高；更關(guān)鍵的是云母絕緣材料使成型繞組的耐電暈性能較散嵌繞組的漆包線有了明顯的提高。因此，成型繞組是提高變頻電機(jī)耐高頻脈沖電壓能力的繞組型式之一。為此，將電動(dòng)機(jī)改為采用成型繞組的YLTP400-4型變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)。經(jīng)一段時(shí)間的運(yùn)行，沒(méi)有再發(fā)生電動(dòng)機(jī)定子絕緣損壞故障，取得了即安全又節(jié)能的良好效果。

4 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)高壓異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行690 V低壓變頻節(jié)能調(diào)速技術(shù)改造中，由于采用二電平PWM電壓源型變頻器，其較大的電壓變化率du/dt及質(zhì)量差的輸出電壓波形，多次造成電動(dòng)機(jī)絕緣損壞。要充分認(rèn)識(shí)到變頻器高頻脈沖電壓的危害，無(wú)論是二電平變頻器還是三電平變頻器都必須配置輸出濾波器，同時(shí)在采用二電平變頻器的條件下，必須采用成型繞組的絕緣加強(qiáng)型變頻專(zhuān)用電動(dòng)機(jī)，以保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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