高頻方波脈沖下變頻電機絞線對的局部放電特性分析

徐慧慧，吳廣寧，朱光亞，羅 楊，曹開江，張依強

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都610031)

1 引言

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，高速機車普遍采用變頻調(diào)速交流傳動系統(tǒng)，而變頻調(diào)速牽引電機是高速機車的核心技術(shù)之一，其安全、可靠性直接影響高速機車的性能。由于半導(dǎo)體開關(guān)器件技術(shù)的發(fā)展，使得PWM變頻調(diào)速技術(shù)在交流傳動領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用［1-2］。國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)變頻電機定子繞組絕緣承受的不再是傳統(tǒng)的正弦電壓而是連續(xù)的高壓方波脈沖;一方面，高壓方波脈沖具有極快的上升和下降時間，導(dǎo)致定子繞組中電壓分布極不均勻;另一方面，高壓方波脈沖的頻率很高，可達20kHz［3-4］。變頻牽引電機長期工作在高頻和陡峭的上升和下降沿的方波脈沖電壓下，導(dǎo)致其絕緣過早失效，而且通常發(fā)生在匝間絕緣。研究表明，局部放電是其早期失效的主要原因之一［5-6］。因而，對局部放電的檢測和評估也就成為檢測變頻牽引電機絕緣狀況的重要手段，有助于分析變頻牽引電機絕緣的破壞機理。

本文針對變頻電機絞線對進行試驗，用以研究其匝間絕緣的破壞機理。在雙極性高頻方波脈沖電壓下對試樣進行了局部放電測試，分析了頻率和上升時間對局部放電起始電壓(PDIV)、平均放電量(Qmean)及放電次數(shù)(PD Number)的影響，探討了脈沖電壓下絞線對的局部放電機理。

2 試驗裝置和試樣

2.1 試樣

試驗中采用外觀如圖1所示的絞線對試樣，其絕緣材料和工藝與變頻牽引電機采用的電磁線圈相同。絞線對由兩根并行的電磁線和外絕緣層組成，電磁線絕緣膜的厚度為0.21mm，其外絕緣層先用云母帶半疊包2次，然后再用玻璃絲帶平包一次。匝間絕緣試驗時，絞線對試樣的兩根電磁線作電極。試驗前，將試樣進行了烘干(100，2h)、屏蔽、防暈等預(yù)處理。

圖1 絞線對外觀Fig．1 Configuration of twisted pair

2.2 試驗裝置

圖2為局部放電測試系統(tǒng)示意圖，方波脈沖試驗電源PITS7000可產(chǎn)生峰峰值達7000V的雙極性方波脈沖電壓，頻率為1～20kHz可調(diào)，當試樣的電容小于100pC時，脈沖電壓的上升沿約為120ns。脈沖電壓的信號通過型號為TektronixP6015A，衰減系數(shù)為1000:1的高壓差分探頭進行采集并輸入到雙通道高速數(shù)字示波器的CH1通道;局部放電信號采用磁導(dǎo)率低的高頻NiZn材料電流傳感器進行耦合，并輸入到示波器的CH2通道，R為無感積分電阻;Cx為待測絞線對試樣，高速數(shù)字示波器經(jīng)PCI接口和GPIB連接線將測試到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C，并采用自編采集軟件采集并保存，測試時間為5min，得到多個周期的局部放電數(shù)據(jù)，之后對保存的數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計分析軟件進行統(tǒng)計分析。設(shè)定示波器的采樣頻率為500MHz。

圖2 局部放電測試系統(tǒng)電路示意圖Fig．2 Schematic diagram of PD test

方波脈沖電壓下提取的局放信號和工頻正弦電壓下的有所不同，其一，由于方波脈沖電源的上升沿(d v/d t)較陡，易引起電磁干擾;其二，方波脈沖電壓中含有很大的諧波分量，局部放電傳感器耦合的信號中包含大量的干擾成分;其三，PWM脈沖的頻率較高，產(chǎn)生的局部放電信號數(shù)量多且幅值大［7-8］。因此傳感器耦合的信號中含有大量干擾信號，為了得到局部放電信號，必須對其進行處理。本文采用小波包濾波的方法，如圖3為某次測試數(shù)據(jù)及其小波包處理結(jié)果，由圖可知采用該方法能夠較好地提取局放信號，且局部放電大多發(fā)生在方波脈沖的上升沿和下降沿處，很少發(fā)生在平頂區(qū)域。

圖3 濾波前后的局部放電信號Fig．3 PD signals before and after filter

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 絞線對的起始放電電壓

室溫條件下，分別測試絞線對試樣在不同頻率和不同上升時間下的局部放電起始放電電壓，結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明隨著脈沖電壓頻率的增大，絞線對的PDIV減小，而隨著脈沖電壓上升時間的增加，絞線對的PDIV明顯增大。

圖4 PDIV隨頻率和上升時間的變化Fig．4 Behavior of PDIV with variation of frequency and rise-time

3.2 頻率對局部放電的影響

圖5為室溫，方波電壓上升時間為2μs，幅值3.5kV時，不同頻率下絞線對的局部放電參數(shù)，由圖可知無論是平均放電量還是放電次數(shù)都隨著方波脈沖電壓頻率的增大而增大。在放電過程中，放電脈沖的大小和次數(shù)與空間電荷的存儲效應(yīng)有關(guān)，而氣隙內(nèi)的電荷并非靜止，會沿著氣隙的表面運動或擴散，導(dǎo)致氣隙電荷電場隨時間變化。文獻［9］用單一的內(nèi)部氣隙模型給出了兩次放電間隔期間氣隙表面電荷Q的變化公式:其中，t為第一次放電發(fā)生的時刻;Δt為兩次放電間隔時間;t+為第一次放電結(jié)束的時刻;τ為時間常數(shù)，在方波脈沖電壓的上升和下降時間不變的情況下增大頻率時，正負放電間隔氣隙表面電荷的變化僅由脈沖電壓的頻率決定，頻率增大時，周期縮短，脈寬變窄，表面空間電荷的擴散時間Δt減小，電荷的衰減作用減弱，使電荷駐留效應(yīng)增強，反向電場增加，放電幅值增大。而頻率的變化只改變了方波脈沖的寬度，對其上升/下降沿并沒有影響，因此局部放電在此處的發(fā)生幾率也不會改變;但脈寬變窄，平頂區(qū)域部分出現(xiàn)放電的幾率就會降低，從而一個脈沖周期內(nèi)的放電次數(shù)減少;但在一定的單位時間內(nèi)，脈沖頻率增加，則脈沖周期縮短，單位時間內(nèi)的放電脈沖就會增加，因此單位時間內(nèi)的放電次數(shù)隨著頻率的增加而增長，且增長速率越來越平緩。

圖5 頻率對局部放電和的影響Fig．5 Effect of frequency on PD

3.3 上升時間對局部放電影響

室溫下，方波電壓幅值為3.7kV，頻率2kHz時，上升時間對局部放電的影響如圖6所示，平均放電量和放電次數(shù)均隨著上升時間的縮短而迅速增加。由于脈沖電壓上升時間的縮短，導(dǎo)致在相同電壓幅值下的電壓變化率d v/d t增大，因此在外加電壓反向時，空間電荷駐留效應(yīng)明顯，增加了電場疊加作用，形成較強的反向電場疊加;上升時間越短，反向電壓越高，局部放電量就會越大。放電次數(shù)的增加是由于在一次放電結(jié)束后，氣隙電場立即降為殘余電場，電壓變化率d v/d t較大時，使氣隙電場迅速達到起始放電電場，而殘余電場在這段時間內(nèi)擴散很少，較容易獲得初始電子，就會連續(xù)出現(xiàn)放電，致使放電次數(shù)增多。

圖6 上升時間對局部放電的影響Fig．6 Effect of rise-time on PD

4 絞線對的局部放電機理

絞線對試樣在方波脈沖電壓下的局部放電主要以內(nèi)部放電為主，由于正弦電壓通常使用50Hz頻率，且電壓的上升時間很長，電壓變化率較小，極性反轉(zhuǎn)較慢，在電壓極性變換時氣隙表面電荷有足夠的時間改變極性。而方波脈沖電壓的頻率可達20kHz，上升時間較短可達μs級，脈沖較陡，在電壓極性反轉(zhuǎn)時氣隙表面空間電荷的分布特性及對氣隙場強的影響不同于正弦電壓下的，從而工頻下的局部放電機理不在適用于脈沖電壓下的。

為了便于分析一個脈沖電壓周期內(nèi)的局部放電過程，將絕緣內(nèi)部氣隙電場分布描述成圖7，其中Ei為氣隙電場，Eq為氣隙內(nèi)表面空間電荷形成的電場，E0為外施電場的幅值，如圖7(a)所示，當有初始電子存在且氣隙電場Ei=(E0－Eq)大于局部放電的起始場強時，氣隙內(nèi)將有局部放電產(chǎn)生。放電發(fā)生后，如圖7(b)所示，氣隙電場立即下降到殘余電場Eres，內(nèi)部殘余電荷增多，導(dǎo)致Eq增強，致使內(nèi)外電場趨于平衡，放電熄滅。當方波脈沖電壓極性反轉(zhuǎn)時，氣隙中的空間電荷來不及移動或擴散，則Eq不變，E0反向，氣隙電場加強，如圖7(c)所示，此時氣隙電場為－(E0+Eq)，當氣隙電場達到局部放電起始電場后，發(fā)生局部放電，電場再次降至Eres，內(nèi)部電荷在反向電場作用下運動完成，如圖7(d)所示，此后開始下一次局部放電過程。

圖7 不同時刻氣隙電場的分布Fig．7 Electric field distribution at different time

脈沖電壓下的氣隙電場變化可以用圖8表示［10］，在脈沖電壓的上升和下降沿處出現(xiàn)了氣隙電場的最大值，這是由于氣隙表面的空間電荷在脈沖極性快速變化時來不及運動造成的;而氣隙表面空間電荷形成的電場Eq在每次放電以后就會消減氣隙的合場強，在每次脈沖電壓極性變化時，始終與外施電場的方向保持一致，加強氣隙電場，使其承受更大的脈沖電壓沖擊。

圖8 脈沖電壓下氣隙電場變化Fig．8 Electric field changes of air-gap under pulse voltage

5 結(jié)論

本文根據(jù)高頻方波脈沖電壓的特性建立了一套局部放電測試系統(tǒng)，并通過小波濾波技術(shù)對提取的局部放電信號進行處理。對不同頻率和上升時間下的局部放電特性進行了測試和分析，探討了方波脈沖下絞線對的局部放電機理，結(jié)果表明起始放電電壓隨著頻率的增加而減小，而隨著上升時間的增加而增大;高頻導(dǎo)致單個周期的放電次數(shù)減少，單位時間的放電次數(shù)及平均放電量的增加;陡上升沿增強了空間電荷的駐留效應(yīng)及反向電場的疊加，使平均放電量和放電次數(shù)增大。

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