變頻漆包線耐電暈性能試驗方法實施的研究

作者/王湄，福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院

變頻漆包線耐電暈性能試驗方法實施的研究

作者/王湄，福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院

在變頻電機中，最容易出現(xiàn)故障的位置是其內(nèi)部繞組，由變頻漆包線組成的繞組經(jīng)常出現(xiàn)被擊穿的現(xiàn)象。目前國內(nèi)對變頻漆包線耐電暈性能的檢測還未形成統(tǒng)一的標準。本文主要通過研究波形、頻率、上升時間、脈沖電壓和溫度這五大變量對耐電暈漆包線擊穿時間的影響規(guī)律，完善對該項目的檢測過程注意事項，提高變頻漆包線測量的準確性。

耐電暈；波形；頻率；上升時間；脈沖電壓；溫度

引言

變頻電機過早損壞的主要原因是局部放電。而電機運行時伴隨電暈現(xiàn)象產(chǎn)生的介質(zhì)損耗發(fā)熱、空間電荷以及振動等多方面因素的疊加則進一步加速了絕緣材料的老化進程，使得變頻電機壽命大幅縮短。因此，變頻電機用漆包線的耐電暈?zāi)芰εc其使用壽命有著密不可分的關(guān)系。目前國內(nèi)涉及到耐電暈漆包線的標準沒有相對應(yīng)的試驗方法標準。本文主要通過研究波形、頻率、上升時間、脈沖電壓和溫度這五大變量對耐電暈漆包線擊穿時間的影響規(guī)律，完善對該項目的檢測過程注意事項，提高變頻漆包線測量的準確性。

此次研究我們所選用的實驗對象為200級耐電暈漆包銅圓線 QP-2/200 ；選擇的測量儀器是耐電暈測試儀WPT（常州威遠電工器材有限公司），依據(jù)GB/T4074.7-2009第5條中的規(guī)定將所選樣品制成扭絞線對，下面將進行各個因素進行分析。

1.脈沖電壓波形

標準規(guī)定脈沖電壓波形可為方波或三角波，極性可為雙極或為單極，但驗證試驗表明脈沖電壓波形對耐電暈試驗結(jié)果有著較大的影響，脈沖電壓波形的設(shè)定設(shè)計三個方面因素。

（1）波形。與三角波無上沖的特點不同，方波是由基波和無數(shù)奇次諧波疊加所構(gòu)成的，因此測試時使用方波能較好的模擬變頻電機線圈在運行過程中所受到的高次諧波。并且對變頻電機絕緣來說，方波比較符合實際。脈沖波形對稱是測試裝置的一項重要要求，即上升時間和下降時間要求差異不大，否則測出的壽命值與實際值不符，在實際應(yīng)用中變頻電機兩端施加的電壓即為方波脈沖電壓，因此在進行耐電暈測試時選擇方波脈沖更符合實際情況。

（2）極性。標準中規(guī)定電壓脈沖可為雙極性或單極性，優(yōu)先考慮雙極性。脈沖電壓極性是指對地極性，單極脈沖可為正極，也可為負極。雙極脈沖的極性可從正極到負極，也可從負極到正極。對變頻電機絕緣，以雙極脈沖較符合實際。故而優(yōu)先選擇形式為由一個正的或負的振幅表示其一種狀態(tài)，而由零電平表示其另一狀態(tài)的雙極性脈沖。

（3）對稱性。使用對稱的波形可以有效減少測試過程中的誤差，消除偶發(fā)性影響因子，使得到的測試結(jié)果更具有代表性和可重復性。

綜上所述，建議漆包線耐電暈試驗采用雙極性對稱型方波脈沖。

2.脈沖電壓頻率

選取同一生產(chǎn)企業(yè)同一型號不同規(guī)格的8組耐電暈漆包線，標稱直徑分別為0.600mm、0.800mm、1.000mm、1.200mm、1.400mm、1.600mm、1.800mm、2.000mm。在其他試驗參數(shù)相同的條件下，通過變更耐電暈試驗的脈沖電壓頻率，對試樣的起暈電壓進行記錄，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 不同規(guī)格耐電暈漆包線在不同試驗頻率下的起暈電壓

從表1中我們可以看出：（1）對于同一規(guī)格的線對來說，當脈沖電壓頻率升高時，其起暈電壓基本上呈現(xiàn)下降趨勢，這表明隨著脈沖電壓頻率的不斷提高，漆包線更容易在較低的脈沖電壓條件下發(fā)生電暈現(xiàn)象，因此升高脈沖電壓頻率會在一定的程度上對漆包線的絕緣起到催化老化的作用，絕緣的劣化也會隨之加速；（2）對于不同規(guī)格的線對，在脈沖電壓頻率相同的條件下，其起暈電壓隨著規(guī)格的增加基本上呈現(xiàn)上升趨勢，這說明試樣的絕緣厚度會影響其起暈電壓的高低，因此通過增加耐電暈漆包線的絕緣厚度可以提高其抗電暈沖擊的能力。

3.脈沖上升時間

選取五家廠家生產(chǎn)的同一型號規(guī)格的耐電暈漆包線A、B、C、D、E，每組各四個樣品，按照上文所描述的樣品預(yù)處理的方法將樣品制成扭絞的線對。在其他試驗參數(shù)相同的條件下，分別施加不同的脈沖上升時間。對試樣的被擊穿時間進行記錄。試驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同脈沖電壓上升時間下的耐電暈時間

由表2中可以看出，脈沖上升時間越短，脈沖上升沿越陡，脈沖電壓的諧波頻率越高，相當于電壓變化的加速度越大，對線樣的電壓沖擊力越大，對絕緣材料的危害就越大，耐電暈時間越短。特別是當脈沖上升時間為50ns時，五組試樣的耐電暈時間均較短，隨著脈沖電壓上升時間的延長，其耐電暈時間也延長，且變化較大。

目前國內(nèi)外在耐電暈的測試中，脈沖電壓上升時間一般采用100ns等級，因為常規(guī)耐電暈漆包線在100ns上升沿條件下測試，一般都能保證測試結(jié)果在10幾個小時以上，有較好的可取性。

還應(yīng)注意脈沖下降時間要與上升時間保持嚴格一致，以符合其對稱的要點。

4.脈沖電壓

經(jīng)過我們研究人員大量試驗后可以總結(jié)得出：真正造成耐電暈漆包線絕緣過早時小的原因除了雙極性方波的上升沿陡峭度、下降沿陡峭度外，還有“穩(wěn)態(tài)沖擊電壓”以及“尖峰電壓”。其中，穩(wěn)態(tài)沖擊電壓指：沖擊電壓的終值（見圖1中的Ua）；尖峰電壓是指超過穩(wěn)態(tài)沖擊電壓的峰值電壓值（見圖1中的Ub）。因此，在進行測試時應(yīng)關(guān)注“穩(wěn)態(tài)沖擊電壓”以及“尖峰電壓”二者對漆包線耐電暈測試結(jié)果的影響。

■4.1 穩(wěn)態(tài)沖擊電壓Ua

圖1 沖擊電壓波形參數(shù)

我們進行一下測試以研究穩(wěn)態(tài)沖擊電壓的輸出穩(wěn)定性：在耐電暈試驗儀負載條件下，使用示波器對任一輸出端進行測試。測試間隔為每次5min，連續(xù)測試20組。試驗測得的穩(wěn)態(tài)沖擊電壓和試驗時間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 不同試驗時間下的穩(wěn)態(tài)試驗電壓

從圖2中可以看到，隨著時間的推移，穩(wěn)態(tài)沖擊電壓基本無明顯的波動。這是因為“穩(wěn)態(tài)沖擊電壓”是由設(shè)備的直流電源進行控制的，其輸出的穩(wěn)定精度能控制在±1以內(nèi)，就不會產(chǎn)生大幅波動的現(xiàn)象。

■4.2 尖峰電壓Ub

由于目前國內(nèi)普遍使用的“漆包線耐電暈試驗儀”大部分都采用IGBT的H橋電路控制技術(shù)模擬變頻電機的控制變頻器，因此在實際電路中因分散電感的影響會形成“尖峰電壓”，且這一固有特性是很難消除的。

對于“尖峰電壓”，除了有設(shè)備本身固有的特性原因外，當測試電路中所加載的樣品不同時，所測得的“尖峰電壓”也是不同的。根據(jù)我們的試驗和一些相關(guān)文獻資料可知，在“穩(wěn)態(tài)沖擊電壓”相同的條件下，對于不同規(guī)格的試樣，尖峰電壓會隨著負載電容的變化而變化，隨著負載電容的增加其所對應(yīng)的尖峰電壓成下降趨勢。故而在進行漆包線耐電暈試驗時應(yīng)注意：測試一組相同規(guī)格試樣是，應(yīng)盡量控制各試樣的電容相等或者接近，以減少尖峰電壓對試驗結(jié)果的影響。

因此，在脈沖峰值電壓Up相同的情況下，對于不同規(guī)格的試樣，其所承受的“穩(wěn)態(tài)沖擊電壓”與“尖峰”電壓也是不同的。若只關(guān)注耐電暈試驗中的脈沖峰值電壓Up，會對測試結(jié)果的可對比性造成一定程度的影響。

5.溫度

標準中規(guī)定，在進行耐電暈試驗時的試驗腔內(nèi)需設(shè)定一定溫度的高溫，以模擬漆包線在高溫高壓下的工作環(huán)境。我們進行以下試驗來驗證溫度對耐電暈性能的影響。

準備同一生產(chǎn)廠家規(guī)格為1.000mm的五組試樣，每組試樣各五個樣品，制成扭絞線對，在其他條件相同（雙極性對稱型方波脈沖、50%占空比、20kHz、100ns、Up-p3000V），分別設(shè)定溫度為90℃、120℃、150℃、180℃、200℃，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同試驗溫度下的試樣平均壽命

從圖3我們可以明顯的看出，試樣的壽命隨著溫度的升高而減小，高溫下的壽命比常溫下短得多，溫度升高，起暈電壓降低，放電強度加大，放電產(chǎn)生的化學腐蝕和白色析出物因溫度升高而加劇。放電可在試樣內(nèi)部產(chǎn)生高溫，此熱量在試樣外部同樣是高溫時更不容易散發(fā)出去，造成試樣內(nèi)部的溫度進一步升高，導致放電進一步加劇，形成惡性循環(huán)，以致試樣最終被擊穿。

6.總結(jié)

本次研究針對國家標準未詳細規(guī)定的各個影響測試數(shù)據(jù)的因素：波形、頻率、上升時間、脈沖電壓、溫度做出分項的具體的分析，明確參數(shù)設(shè)定和控制的方法，細化試驗步驟，以提高試驗數(shù)據(jù)的準確性和一致性。

＊ [1]夏克，葉賢剛，孟祥富等.耐電暈測試中脈沖電壓上升時間的變化對變頻線老化壽命的影響[J].絕緣材料，2015，48（4）:66—68.

＊ [2]劉電霆，張聲嵐，錢三來等.變頻電機絕緣材料失效主要因素與壽命評估方法[J].絕緣材料，2011，44（5）:55—58.