變頻器供電對(duì)電廠電機(jī)絕緣狀態(tài)的影響研究

韓劍波 劉 鎏 張建建 秦 越 李 朋

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610213）

0 引言

在電廠中，電機(jī)常作為泵類或風(fēng)機(jī)類設(shè)備的動(dòng)力源，其可靠工作是保障電廠正常運(yùn)行必不可缺的要素之一。隨著電力電子技術(shù)快速發(fā)展，采用變頻器給電機(jī)供電具有優(yōu)良的調(diào)速性能（調(diào)速范圍寬、效率高、精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速等）、可實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)（啟動(dòng)電流小、可減小啟動(dòng)過(guò)程中對(duì)其他電氣設(shè)備的干擾）等優(yōu)點(diǎn)，使得在越來(lái)越多的電廠中采用變頻器給電機(jī)供電。

目前，電廠中常規(guī)中、低壓電機(jī)設(shè)備多為工頻交流電機(jī)，其絕緣結(jié)構(gòu)一般按照常規(guī)交流電機(jī)設(shè)計(jì)，如果設(shè)計(jì)之初并未考慮其長(zhǎng)時(shí)間承受變頻電壓的能力，而直接采用變頻器供電，雖然可獲得良好的電氣性能，但也必定會(huì)給電機(jī)絕緣系統(tǒng)帶來(lái)不同于工頻電壓供電時(shí)的影響。利用變頻器啟動(dòng)或控制電廠電機(jī)設(shè)備雖然可獲得良好的電氣性能，但是變頻器供電給電機(jī)絕緣帶來(lái)的影響與工頻供電相比有著本質(zhì)區(qū)別。因此，針對(duì)變頻器供電時(shí)電機(jī)的絕緣劣化機(jī)理，分析變頻器供電對(duì)絕緣系統(tǒng)的具體影響，提高電機(jī)絕緣狀態(tài)判斷的準(zhǔn)確性，并提出針對(duì)性的絕緣系統(tǒng)保護(hù)措施，對(duì)保障變頻器供電時(shí)電機(jī)設(shè)備的運(yùn)行可靠性具有十分重要的意義。

1 變頻器器供電對(duì)電機(jī)絕緣的具體影響

目前，市面上變頻器大多采用脈寬調(diào)制技術(shù)，其輸出的PWM波形電壓對(duì)電機(jī)繞組絕緣的影響不同于正弦交流電壓，會(huì)制約電機(jī)的絕緣可靠性[1]。為了解變頻器供電時(shí)可能對(duì)電機(jī)絕緣性能帶來(lái)的具體影響，需考慮電廠電機(jī)設(shè)備的特殊工作環(huán)境，分析變頻器供電下電機(jī)的絕緣劣化機(jī)理，現(xiàn)主要從介電應(yīng)力、匝間絕緣、損耗及局部放電四個(gè)方面展開(kāi)分析。

1.1 介電應(yīng)力

變頻器通過(guò)電力電子開(kāi)關(guān)器件產(chǎn)生重復(fù)脈沖電壓波形，開(kāi)關(guān)器件的快速開(kāi)關(guān)動(dòng)作使得輸出的電壓在上升沿和下降沿變化率很高，會(huì)導(dǎo)致在電機(jī)繞組線圈產(chǎn)生極高的尖峰過(guò)電壓[2]。為了分析變頻器供電時(shí)電機(jī)主絕緣所承受的實(shí)際介電應(yīng)力，選擇額定電壓為380V的工頻交流電機(jī)，在試驗(yàn)前已驗(yàn)證電機(jī)絕緣性能良好，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)電機(jī)一相繞組首端上施加380 V重復(fù)脈沖電壓，分別測(cè)量沿繞組各個(gè)線圈的對(duì)地電壓分布，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 變頻器供電電機(jī)對(duì)地電壓分布

從圖1中可知，在重復(fù)脈沖電壓下電機(jī)線圈對(duì)地電壓峰值最大接近500V，高于電機(jī)繞組所施加脈沖電壓峰值約32%，明顯高于由相同電壓等級(jí)下的正弦工頻電壓供電時(shí)電機(jī)絕緣系統(tǒng)所承受的介電應(yīng)力。

此外，在電廠中若工藝設(shè)備和電氣設(shè)備布置于不同的廠房，不可避免會(huì)使變頻器和所驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的電纜過(guò)長(zhǎng)，致使電纜有很大的分布電感及電容，從而導(dǎo)致阻抗不匹配[3]，會(huì)在電機(jī)的接線端產(chǎn)生反射，導(dǎo)致電機(jī)端所承受的過(guò)電壓進(jìn)一步增大。供電電纜越長(zhǎng)，過(guò)電壓的峰值越高。

相對(duì)于工頻供電，變頻器供電時(shí)電機(jī)主絕緣會(huì)承受更高的介電應(yīng)力，加上電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中其絕緣系統(tǒng)耐受電壓值也會(huì)隨之下降，因此若電機(jī)主絕緣所承受電壓超過(guò)其實(shí)際可耐受電壓值，就會(huì)導(dǎo)致變頻器供電時(shí)電機(jī)繞組絕緣系統(tǒng)發(fā)生過(guò)早損壞甚至擊穿，影響電機(jī)設(shè)備的運(yùn)行壽命。

1.2 匝間絕緣

選擇額定電壓為380 V的工頻交流電機(jī)，試驗(yàn)前已驗(yàn)證電機(jī)絕緣性能良好，電機(jī)采用成型繞組結(jié)構(gòu)，每個(gè)繞線圈內(nèi)為8匝扁線繞制，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)電機(jī)一相繞組首端上施加380 V脈沖電壓，分別測(cè)量單個(gè)線圈內(nèi)各匝的匝間電壓分布，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 變頻器供電電機(jī)匝間電壓分布

從圖2可以看出，采用變頻器機(jī)供電時(shí)，電機(jī)繞組匝間絕緣上所承受的匝間電壓呈明顯不均勻分布。其中，首匝線圈的匝間電壓152 V，為最高的匝間電壓值，達(dá)到所施加電壓值得40%，相較于工頻電壓供電時(shí)的匝間電壓值，增加了約3.2倍。因此，變頻器給電機(jī)供電時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)繞組線圈首匝或首匝附件線圈匝間絕緣承受更高的電壓。

對(duì)于低壓工頻交流電機(jī)，其正常工作時(shí)，電機(jī)繞組匝間電壓是均勻分布的，此時(shí)繞組線圈匝間電壓分布與額定工作電壓成正比，與繞組匝數(shù)成反比，一般在幾伏至幾十伏之間，繞組匝間絕緣承受非常小的工頻電壓，因此，交流正弦供電時(shí)對(duì)電機(jī)匝間絕緣的要求相對(duì)比較低。而當(dāng)采用變頻器供電時(shí)，匝間絕緣的沖擊遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)同電壓等級(jí)的工頻正弦電壓，匝間絕緣故障也成為變頻器供電時(shí)電機(jī)發(fā)生絕緣過(guò)早失效的主要原因之一。

若電機(jī)匝間絕緣設(shè)計(jì)之初并未考慮承受脈沖過(guò)電壓，而當(dāng)電機(jī)繞組匝間絕緣耐受值低于可能出現(xiàn)最大沖擊過(guò)電壓值，必然會(huì)導(dǎo)致電機(jī)繞組匝間發(fā)生局部絕緣擊穿，若未及時(shí)檢修或處理，匝間絕緣故障持續(xù)加深必定會(huì)影響電機(jī)的正常運(yùn)行。

1.3 損耗

高頻重復(fù)脈沖電壓會(huì)在電機(jī)繞組終端產(chǎn)生高次諧波電壓，這些諧波會(huì)在電機(jī)中產(chǎn)生諧波電流，高次諧波電壓及電流會(huì)使電機(jī)繞組中產(chǎn)生的鐵損、銅損、介質(zhì)損耗以及機(jī)械損耗的增加，損耗主要轉(zhuǎn)變成熱能，損耗增加會(huì)導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行溫度的增加，會(huì)加劇電機(jī)絕緣系統(tǒng)的熱老化過(guò)程。

1.4 局部放電

變頻器輸出的重復(fù)脈沖電壓會(huì)產(chǎn)生波前時(shí)間極短且電壓極高的交變尖峰電壓，會(huì)使得因電容充放電現(xiàn)象而引起空間電荷積累，導(dǎo)致在絕緣材料中出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象。同時(shí)，重復(fù)脈沖電壓會(huì)使電機(jī)絕緣承受幅值更大、頻率更高的介電應(yīng)力，不可避免會(huì)加劇電機(jī)繞組絕緣系統(tǒng)的局部放電現(xiàn)象[4]。相較于工頻交流電壓，變頻器供電下的重復(fù)脈沖電壓更易引發(fā)絕緣材料中出現(xiàn)電樹(shù)枝和促進(jìn)電樹(shù)枝生長(zhǎng)，當(dāng)電機(jī)繞組所承受極高頻率脈沖電壓時(shí)，絕緣系統(tǒng)中更容易出現(xiàn)電樹(shù)枝，進(jìn)而形成絕緣局部擊穿通道，降低絕緣的耐受能力[5]。

2 電機(jī)絕緣狀態(tài)評(píng)估方法

變頻器供電時(shí)會(huì)給電機(jī)設(shè)備絕緣產(chǎn)生較大的影響，不同程度的絕緣劣化現(xiàn)象所體現(xiàn)出來(lái)的絕緣參量變化趨勢(shì)及程度并不唯一，不同絕緣參量所反映出的絕緣劣化狀態(tài)也并不相同。為準(zhǔn)確掌握變頻器供電時(shí)對(duì)電機(jī)絕緣的影響程度，可結(jié)合多個(gè)絕緣參量來(lái)綜合判斷變頻器供電時(shí)電機(jī)繞組絕緣系統(tǒng)的劣化程度，以提高對(duì)絕緣狀態(tài)評(píng)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)各絕緣參數(shù)的相對(duì)變化值，并經(jīng)過(guò)歸一化處理后，綜合評(píng)估變頻器供電時(shí)電機(jī)的絕緣狀態(tài)，評(píng)估方法如圖3所示。

圖3 電機(jī)絕緣狀態(tài)評(píng)估方法

對(duì)于絕緣參量的選擇應(yīng)既能反映絕緣系統(tǒng)的真實(shí)狀態(tài)，又不會(huì)因?yàn)閰?shù)檢測(cè)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生破壞性的影響，根據(jù)變頻器供電時(shí)對(duì)電機(jī)絕緣的具體影響及絕緣劣化機(jī)理，選擇的絕緣參量主要包括：絕緣電阻（吸收比及極化指數(shù)）、介質(zhì)損耗因數(shù)、局部放電起始電壓、脈沖電壓下響應(yīng)波形面積不重合率。

2.1 絕緣電阻

絕緣電阻用于表征絕緣體阻止電流通過(guò)的能力，通過(guò)絕緣電阻值可得到電機(jī)絕緣的吸收比（KI=R60s/R15s）和極化指數(shù)（PI=R10min/R1min）。當(dāng)電機(jī)絕緣系統(tǒng)出現(xiàn)電導(dǎo)性缺陷或老化現(xiàn)象、受潮或者表面泄露時(shí)，絕緣系統(tǒng)的電氣性能會(huì)出現(xiàn)下降，都將會(huì)使流過(guò)絕緣系統(tǒng)的泄露電流明顯增大，進(jìn)而體現(xiàn)在絕緣電阻、吸收比和極化指數(shù)值會(huì)明顯降低。因此，絕緣電阻（吸收比及極化指數(shù)）可作為反映變頻器供電時(shí)電機(jī)的絕緣劣化程度的參數(shù)之一。

2.2 介質(zhì)損耗因數(shù)

電機(jī)絕緣系統(tǒng)的受潮、臟污、分層和斷裂等會(huì)使得絕緣系統(tǒng)的介質(zhì)損耗增加，導(dǎo)致絕緣電氣性能下降，其介質(zhì)損耗因數(shù)（及其增量）會(huì)迅速增加。因此，介質(zhì)損耗因數(shù)（及其增量）可反映電機(jī)絕緣系統(tǒng)的劣化度，反映絕緣系統(tǒng)中的缺陷。因此，可通過(guò)介質(zhì)損耗因數(shù)作為反映電機(jī)絕緣整體性劣化程度的參量。

一般來(lái)說(shuō)，僅中壓及高壓電氣設(shè)備將介質(zhì)損耗因數(shù)作為評(píng)估其絕緣性能的必要參數(shù)，但隨著電廠低壓電氣設(shè)備功率等級(jí)越來(lái)越高，對(duì)于大功率低壓電氣設(shè)備介質(zhì)損耗因數(shù)也是一個(gè)非常重要的絕緣參數(shù)，可作為反映變頻電壓下電機(jī)的絕緣劣化度的參數(shù)之一。

2.3 局部放電起始電壓

電機(jī)絕緣系統(tǒng)的局部放電現(xiàn)象會(huì)引起絕緣材料表面和內(nèi)部產(chǎn)生局部性缺陷，在最初出現(xiàn)這種局部缺陷時(shí)絕緣系統(tǒng)大概率不會(huì)發(fā)生完全性的絕緣擊穿，發(fā)生局部放電時(shí)電機(jī)的絕緣性能仍然存在；但隨著絕緣材料中的局部放電現(xiàn)象持續(xù)加深，不可避免會(huì)造成絕緣材料進(jìn)一步被腐蝕、損壞，造成電機(jī)的絕緣強(qiáng)度下降，加劇絕緣系統(tǒng)的劣化過(guò)程，甚至引發(fā)整個(gè)絕緣發(fā)生貫穿性擊穿，嚴(yán)重影響電機(jī)的絕緣壽命及運(yùn)行可靠性。

當(dāng)電機(jī)在脈沖電應(yīng)力作用下發(fā)生了局部放電現(xiàn)象，而隨著電機(jī)絕緣材料的劣化程度加深，腐蝕的范圍擴(kuò)大、程度加深，局部放電現(xiàn)象將更容易發(fā)生，局部放電起始電壓會(huì)呈明顯下降的趨勢(shì)。所以，可通過(guò)局部放電起始電壓的大小及其變化趨勢(shì)反映電機(jī)的絕緣缺陷，表征電機(jī)絕緣系統(tǒng)的局部劣化狀態(tài)[6]。

2.4 脈沖電壓下響應(yīng)波形面積不重合率

采用變頻器給電機(jī)設(shè)備供電時(shí)，重復(fù)脈沖電壓的沖擊電應(yīng)力，導(dǎo)致匝間絕緣故障成為變頻電壓下電機(jī)絕緣過(guò)早失效的主要原因之一。當(dāng)電機(jī)繞組發(fā)生匝間絕緣故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致繞組線圈的電感、電容和電阻的發(fā)生變化（如匝間短路會(huì)導(dǎo)致繞組線圈形成短路匝），進(jìn)而體現(xiàn)在繞組線圈的阻抗特性會(huì)發(fā)生明顯變化。通過(guò)向電機(jī)繞組施加短時(shí)單脈沖電壓時(shí)（非破壞性），發(fā)生匝間絕緣故障的電機(jī)繞組，其阻抗特性變化，會(huì)使在脈沖電壓下的響應(yīng)波形頻率和衰減速率也隨之發(fā)生變化，導(dǎo)致響應(yīng)波形發(fā)生明顯改變，響應(yīng)波形不同于未發(fā)生絕緣故障的正常電機(jī)繞組。因此，可通過(guò)計(jì)算脈沖電壓下響應(yīng)波形的面積不重合率來(lái)評(píng)估變頻電壓下的電機(jī)匝間絕緣的劣化程度。

結(jié)合所選擇各絕緣參量所表征的電機(jī)絕緣系統(tǒng)劣化機(jī)理，并通過(guò)對(duì)比分析電機(jī)出廠、運(yùn)行過(guò)程中及失效后的絕緣參數(shù)變化趨勢(shì)，提出一種變頻器供電時(shí)電機(jī)絕緣狀態(tài)判斷閾值表，如表1所示。

通過(guò)圖3所示的絕緣狀態(tài)評(píng)估方法，將電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的絕緣參量值與各絕緣參量出廠值相比較，結(jié)合表1提出的量化評(píng)估閾值，以此通過(guò)多種絕緣參量綜合評(píng)估變頻器供電時(shí)電機(jī)的具體絕緣狀態(tài)，根據(jù)綜合評(píng)估結(jié)果判斷電機(jī)是否繼續(xù)投運(yùn)還是應(yīng)該返廠維修，及時(shí)進(jìn)行維修和更換存在較大隱患的電機(jī)，以盡可能在電機(jī)發(fā)生絕緣擊穿之前開(kāi)展維修，避免出現(xiàn)運(yùn)行事故。

表1 電機(jī)絕緣狀態(tài)判斷閾值

3 電機(jī)絕緣保護(hù)措施

變頻器供電時(shí)，電機(jī)繞組絕緣所承受的介電應(yīng)力主要取決于所承受脈沖電壓的幅值、du/dt、頻率以及連接電纜長(zhǎng)度、電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)等。因此，可以主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮，以降低變頻器供電時(shí)對(duì)電機(jī)絕緣的劣化影響。

3.1 降低變頻器輸出脈沖電壓的變化率

變頻器輸出脈沖電壓波形上升時(shí)間越短，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)匝間絕緣過(guò)電壓沖擊越大，匝間絕緣壽命越短。因此，通過(guò)增加變頻器輸出脈沖電壓的上升沿/下降沿時(shí)間，降低電壓變化率，可以極大地改善電機(jī)繞組的匝間電壓分布，降低匝間絕緣所承受的最大電壓。進(jìn)一步的，可通過(guò)加裝濾波器，將脈沖電壓轉(zhuǎn)變近似正弦的電壓，并降低電壓的高頻諧波，降低電機(jī)絕緣所承受的過(guò)電壓[7]，提高電機(jī)的絕緣壽命。

3.2 降低電纜長(zhǎng)度

可通過(guò)調(diào)整變頻器供電時(shí)變頻器與電機(jī)的設(shè)備布置方案，盡量減小電機(jī)和變頻器之間的電纜長(zhǎng)度，以減小電纜的分布電感和分布電容，降低了阻抗不匹配，以降低電機(jī)絕緣所承受的過(guò)電壓。

3.3 增強(qiáng)對(duì)電機(jī)的散熱能力

采用變頻器供電的電機(jī)設(shè)備盡可能采用水冷等高效率冷卻方式，可以在很大程度上減小變頻器供電時(shí)對(duì)電機(jī)溫升的影響，減緩變頻器供電時(shí)高頻電壓導(dǎo)致電機(jī)絕緣損耗的增大，減緩電機(jī)絕緣系統(tǒng)的熱老化過(guò)程。

3.4 采用成型或半成型繞組絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中、小功率低壓交流電機(jī)繞組多采用散嵌繞組結(jié)構(gòu)，其匝間絕緣主要來(lái)自于電磁線自身的絕緣（如漆包線漆膜、玻璃絲包線外包玻璃絲或者薄膜繞包線外包薄膜），其匝間絕緣耐受電壓一般都較低，變頻器供電時(shí)過(guò)高的沖擊電壓使得電機(jī)匝間絕緣極易發(fā)生破壞。而如果在設(shè)計(jì)之初考慮變頻器供電對(duì)電機(jī)設(shè)備絕緣系統(tǒng)的具體影響，采用成型繞組或半成型繞組絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選用具有高性能抗電暈的電磁線，以大幅度提升電機(jī)匝間絕緣和主絕緣耐受電壓，保證由變頻器供電時(shí)，其絕緣耐受電壓遠(yuǎn)高于電機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程可能出現(xiàn)的最大過(guò)電壓值，可極大地降低電機(jī)發(fā)生過(guò)早絕緣損壞的概率。

3.5 采用真空壓力浸漬工藝

由于電機(jī)絕緣系統(tǒng)存在氣隙或局部缺陷，加之變頻器供電時(shí)過(guò)高的沖擊電壓，電機(jī)絕緣系統(tǒng)頻繁發(fā)生的局部放電現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致電機(jī)絕緣系統(tǒng)的過(guò)早劣化。針對(duì)此類電機(jī)的絕緣系統(tǒng)，可采用真空壓力浸漬工藝，通過(guò)絕緣浸漬處理把絕緣內(nèi)的揮發(fā)物和氣體全部抽出來(lái)，然后通過(guò)絕緣漆或膠把氣隙堵滿，使其黏結(jié)成一個(gè)不含空氣氣隙的緊密整體，降低電機(jī)發(fā)生局部放電的概率，延長(zhǎng)脈沖電壓下電機(jī)的絕緣壽命[8]。

4 總結(jié)與展望

變頻器給電機(jī)設(shè)備供電時(shí)，其輸出的重復(fù)脈沖電壓對(duì)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的影響不同于工頻正弦交流電壓，不可避免會(huì)制約電機(jī)的絕緣系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。本文通過(guò)試驗(yàn)，并結(jié)合電廠電機(jī)設(shè)備的特殊工作環(huán)境及電機(jī)絕緣劣化機(jī)理，深入分析了變頻器供電時(shí)對(duì)電廠電機(jī)設(shè)備絕緣系統(tǒng)的具體影響。提出一種變頻器供電時(shí)電機(jī)絕緣狀態(tài)評(píng)估方法，通過(guò)多種絕緣參量的綜合評(píng)估，可提高變頻器供電時(shí)對(duì)電機(jī)絕緣狀態(tài)判斷的準(zhǔn)確性。在了解電機(jī)的真實(shí)絕緣狀態(tài)基礎(chǔ)上，判斷電機(jī)的下一步工作狀態(tài)，以避免電機(jī)絕緣發(fā)生過(guò)早失效。同時(shí)，提出了多種變頻器供電時(shí)減低電機(jī)絕緣劣化程度的改進(jìn)措施，以保障電廠電機(jī)的運(yùn)行可靠性。