重復(fù)脈沖極性及占空比對變頻電機(jī)絕緣局部放電起始電壓的影響研究

郭厚霖，王 鵬，羅英露，李偉業(yè)，李 想

(1.四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065；2.襄陽中車電機(jī)技術(shù)有限公司，湖北 襄陽 441047)

1 引言

近年來，隨著以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件在變頻技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，變頻電機(jī)調(diào)速性能以及節(jié)能優(yōu)勢得到更大提高[1,2]。然而，電力電子設(shè)備的開斷頻率和開斷速度也將顯著提升，變頻電機(jī)端部脈沖電壓上升時間縮短至納秒級[3]。因此，由電纜特征阻抗[4]與電機(jī)特征阻抗不匹配引起的繞組端部過電壓、電機(jī)的電容電感分布參數(shù)引起的繞組內(nèi)部電壓分布不均現(xiàn)象將更加嚴(yán)重[5]。當(dāng)真空浸漬不能完全消除電機(jī)匝間氣隙時，絕緣中場強(qiáng)集中區(qū)域局部放電(Partial Discharge, PD)將以較高概率出現(xiàn)，不斷腐蝕電機(jī)有機(jī)絕緣材料，最終導(dǎo)致電機(jī)絕緣失效[6]。

為避免變頻電機(jī)在服役期間，因局部放電而導(dǎo)致電機(jī)絕緣部位的快速失效，國際電工技術(shù)委員會(International Electrotechnical Commission，IEC)針對I型和II型變頻電機(jī)的絕緣測試，發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)IEC 60034-18-41[7]及IEC 60034-18-42[8]。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，I型變頻電機(jī)額定電壓一般在900 V以下，部分絕緣結(jié)構(gòu)無耐電暈?zāi)芰Γ仨氝M(jìn)行正弦和重復(fù)脈沖下局部放電起始電壓(Partial Discharge Inception Voltage，PDIV)測試；II型電機(jī)允許少量PD，需開展耐電暈壽命測試。其中，由于電機(jī)主絕緣和相間絕緣分別承受逆變器輸出的相地電壓和相間電壓，可采用正弦電壓測定其PDIV，然而對于電機(jī)匝間絕緣，為模擬脈寬調(diào)制電壓下繞組內(nèi)部電壓分布不均現(xiàn)象，應(yīng)采用與電機(jī)端部電壓具有相似上升時間的重復(fù)脈沖電壓，測定其PDIV[9,10]。此外，IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定雙絞線模型可模擬電機(jī)匝間絕緣最嚴(yán)峻的情況，PDIV定義為試樣首次發(fā)生放電時，其所承受的電壓峰峰值[7]。

目前，正弦和直流電壓下電機(jī)絕緣PD測試研究較為深入[11]，重復(fù)脈沖下PD檢測技術(shù)尚未成熟。研究表明，重復(fù)脈沖參數(shù)的改變對電機(jī)絕緣PD統(tǒng)計特性會產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而影響材料壽命[12,13]。其中，脈沖上升時間過短時，電機(jī)絕緣PDIV可能偏大[14]；脈沖在無過電壓與有過電壓時，頻率對PDIV影響不同[15,16]。然而，過電壓存在時，脈沖極性和占空比對電機(jī)絕緣PDIV影響規(guī)律，以及正弦與脈沖電壓下PDIV測試等效條件報告較少，為提高變頻電機(jī)PDIV測試的準(zhǔn)確性，確定電壓波形對雙絞線PDIV測試的影響，有必要展開研究。

本文固定脈沖電壓的上升時間和頻率分別為40 ns與50 Hz，搭建了具有0.01%～70%占空比的高壓脈沖電源，基于特高頻檢測法構(gòu)建了脈沖下PDIV測試平臺，基于直測法和PD-Base搭建了正弦下電機(jī)PDIV測試系統(tǒng)。同時，以雙絞線模型模擬變頻電機(jī)匝間絕緣，并在不同極性及占空比的脈沖電壓下，進(jìn)行大量PDIV測試。首先分析了不同脈沖極性及占空比對PDIV變化規(guī)律的影響，然后給出相應(yīng)的機(jī)理解釋，最后確定了脈沖與正弦電壓下雙絞線PDIV測試的等效條件。此研究有望為I型變頻電機(jī)絕緣測試提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)及理論基礎(chǔ)。

2 PDIV測試系統(tǒng)

2.1 試樣制作

為構(gòu)建變頻電機(jī)匝間絕緣的等效模型，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T4074.5—2008[17]，測試試樣由兩根直徑為1.25 mm、絕緣厚度為60 μm、絕緣等級為B級(耐熱130 ℃)的聚酯亞胺漆包線繞制而成。具體測量及制作過程如下：

首先，利用金相顯微鏡測量漆包線直徑和絕緣層厚度；然后，將漆包線一端的絕緣漆刮掉，絕緣層上涂抹導(dǎo)電材料，通過介電譜儀測量50 Hz條件下聚酯亞胺的電容Cp，利用式(1)求得絕緣層相對介電常數(shù)εr為3.45[18]；最后，將兩漆包線去除一端絕緣漆，夾角約成60°，如圖1所示，其中箭頭1指向絕緣接觸點(diǎn)。

圖1 聚酯亞胺漆包線絞線對試樣

(1)

式中，Dout和Din分別為漆包線直徑和裸導(dǎo)線直徑；ε0為真空介電常數(shù)；l為導(dǎo)電涂層的長度。

2.2 局部放電測試平臺

局部放電測試平臺如圖2所示。在雙絞線高壓端施加正弦及脈沖電壓。其中，正弦電壓由功率放大器產(chǎn)生；單極性脈沖電壓由正負(fù)直流穩(wěn)壓電源及逆變模塊產(chǎn)生；為保證雙極性脈沖電壓的上下幅值一致，對交流電源輸出的電壓進(jìn)行放大整流濾波及逆變處理。高壓探頭以1 000∶1的分壓比將試樣高壓端電壓通入示波器通道1中，可避免接入電纜分布參數(shù)的影響。為保證環(huán)境因素一致，繞制的雙絞線放入濕溫控箱，溫度和濕度分別設(shè)置為25 ℃和40%。同時，正弦電壓下通過直測法采集放電，耦合電容與檢測阻抗提取PD信號，PD-Base用于處理PD信號并獲得放電相位統(tǒng)計特性；脈沖電壓下通過特高頻(Ultra-High Frequency, UHF)天線采集PD，為避免噪聲干擾，信號經(jīng)高通濾波器及檢波器處理，再接入示波器通道2中，數(shù)字示波器采樣率設(shè)置為5 Gs/s。

圖2 局部放電測試平臺

雙絞線PDIV測試過程中，固定電壓上升率和上升時間等關(guān)鍵參數(shù)，在示波器上設(shè)置PD觸發(fā)閾值和單次觸發(fā)模式，以精準(zhǔn)得到首次PD發(fā)生時對應(yīng)的電壓波形。逐漸升高直流母線電壓的幅值，直到第一次PD出現(xiàn)，停止升壓，此時，電壓峰峰值記為PDIV。另外，為保證PDIV測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，在相同電壓參數(shù)及環(huán)境下，對兩根按標(biāo)準(zhǔn)繞制的雙絞線分別測試五次，以確定PDIV波動范圍。

2.3 局部放電信號采集

重復(fù)脈沖電壓下進(jìn)行雙絞線PDIV測試時，電力電子器件開斷會產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾，放電信號易被淹沒。當(dāng)脈沖電壓上升時間為200 ns，對天線采集的干擾和放電時域信號進(jìn)行短時傅里葉變換以分析其時頻特性，分布如圖3所示。電磁干擾能量集中在400 MHz以下，而放電信號在頻域上的能量分布可延伸至1.5 GHz。為避免檢測PDIV時，放電信號無法分辨及信噪比較差，有三步需進(jìn)行：①在傳統(tǒng)寬頻帶阿基米德螺旋天線的基礎(chǔ)上，添加微帶巴倫實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，并在天線輻射層上覆蓋高介電常數(shù)介質(zhì)層，實(shí)現(xiàn)放電信號頻段的高增益[19]。②在天線檢測輸出端加入500 MHz高通濾波器，以濾除低頻干擾。③使天線距離待測試樣約12 cm，并保證天線高度與濕溫控制箱內(nèi)試樣的高度一致，以實(shí)現(xiàn)電磁波的近場檢測[20]。

圖3 采集信號時頻域分布

在正弦電壓下進(jìn)行絞線對的PDIV測試時，放電能量集中在400 MHz以下，上述特高頻天線不具優(yōu)勢，PD信號易被空間白噪聲干擾，因此采用直測法[21]。采用PD-Base，在軟件中設(shè)置觸發(fā)信號，可得到局部放電相位譜圖；根據(jù)沿面和內(nèi)部放電的相位統(tǒng)計特性，聯(lián)合時域和頻域分析方法，能識別放電過程中可能存在的窄帶和寬頻帶干擾。

2.4 實(shí)驗(yàn)電壓參數(shù)

采用重復(fù)脈沖電壓對雙絞線進(jìn)行PDIV測試時，需考慮絕緣PD激發(fā)的脈沖電壓參數(shù)選擇。本文研究脈沖極性及占空比對雙絞線PDIV測試影響，需控制變量。因試樣絕緣層的介電常數(shù)是在工頻下測得，頻率選取為50 Hz。

上升時間確定為40 ns，主要原因有兩點(diǎn)：

(1)較短的脈沖上升時間是發(fā)展趨勢，導(dǎo)致電機(jī)端部過電壓也容易存在。上升時間為40 ns時，雙絞線高壓端有過電壓產(chǎn)生。

(2)可保證在單極性不同占空比的脈沖電壓下，有效電壓持續(xù)時間累積相同，放電概率基本相同，以研究空間電荷和界面極化電荷對雙絞線PDIV測試的影響。

通過搭建不同的電源平臺，可產(chǎn)生單極性、雙極性的脈沖電壓和正弦電壓。雙絞線高壓端脈沖波形的占空比，與控制固態(tài)開關(guān)的信號相同。因此，調(diào)整低壓觸發(fā)信號可實(shí)現(xiàn)脈沖電壓占空比的變化，參數(shù)見表1。

表1 不同極性及占空比下的重復(fù)脈沖電壓參數(shù)

圖4為試樣高壓端的雙極性脈沖電壓波形。其中，占空比為50%、上升時間為40 ns、過電壓系數(shù)為1.166，滿足上述測試要求。

圖4 試樣高壓端脈沖電壓波形

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 脈沖電壓極性對PDIV測試的影響

根據(jù)表1的電壓參數(shù)，在頻率為50 Hz、占空比為50%、上升時間為40 ns下，對雙絞線施加正單極性、負(fù)單極性和雙極性的脈沖電壓，測得的PDIV值如圖5所示，圖6為試樣在各極性脈沖電壓下，PD首次發(fā)生時的電壓波形圖。全文中，占空比為50%的脈沖電壓簡稱為方波電壓。

圖6 不同脈沖極性下首次PD發(fā)生時相位圖

從圖5可看出，方波電壓雙極性下雙絞線PDIV約低于單極性下PDIV的12%，相差180 V，正單極性與負(fù)單極性下PDIV測試值差別不大。表明正單極性和負(fù)單極性重復(fù)脈沖電壓不會影響單極性下PDIV的測試，但是，雙極性與單極性脈沖電壓會對試樣的PDIV值有一定影響，原因可能是空間電荷和界面極化電荷的積累畸變了氣隙電場。

圖5 不同脈沖極性下PDIV值

3.2 單極性脈沖電壓占空比對PDIV測試的影響

根據(jù)表1電壓參數(shù)，在頻率為50 Hz、極性為單極性、上升時間為40 ns下，改變脈沖電壓持續(xù)時間，即占空比從0.01%～70%變化。圖7為雙絞線在不同占空比下PDIV的測試結(jié)果。圖8(a)和圖8(b)分別為試樣在正單極性脈沖電壓下，占空比為10%和70%時對應(yīng)的首次PD圖，發(fā)現(xiàn)PD相位位于上升沿。圖8(c)和圖8(d)分別為試樣在負(fù)單極性脈沖電壓下，占空比為0.1%和30%時對應(yīng)的首次PD圖，在下降沿處首先發(fā)生放電。

圖7 單極性不同占空比下的PDIV值

圖8 單極性不同占空比下首次PD發(fā)生時相位圖

分析圖7中的測試數(shù)據(jù)，認(rèn)為不同占空比下PDIV變化趨勢較慢，但呈現(xiàn)一定的趨勢。電壓持續(xù)時間越低，PDIV越小。雙絞線在70%的占空比下，PDIV值明顯高于占空比為0.01%時的PDIV，約為280 V，此PDIV測試的變化規(guī)律與文獻(xiàn)[22]結(jié)論一致，但其并未有詳細(xì)的機(jī)理分析。

另外，試樣在占空比不同的正單極性與負(fù)單極性脈沖電壓下，PDIV值相等且表現(xiàn)相同變化規(guī)律，即隨著占空比的變大，PDIV越大。

3.3 雙極性脈沖電壓占空比對PDIV測試的影響

當(dāng)脈沖電壓的頻率為50 Hz、極性為雙極性、上升時間為40 ns、正電壓的持續(xù)時間在2～14 000 μs范圍內(nèi)發(fā)生變化時，圖9的結(jié)果表明PDIV變化較小。但是，隨著占空比的變大，PDIV總體呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，尤其在占空比為50%時，PDIV最大，圖9中最大值與最小值相差約100 V。圖10為占空比在30%及70%時，PD首次出現(xiàn)對應(yīng)的波形圖，可看出在此兩種占空比下，PDIV值相差不大，但放電位置分別位于上升沿與下降沿。上述現(xiàn)象可從極性翻轉(zhuǎn)時，電荷分布對氣隙電場畸變的角度進(jìn)行分析。

圖9 雙極性不同占空比下的PDIV值

圖10 雙極性不同占空比下首次PD發(fā)生時相位圖

3.4 正弦與脈沖電壓下PDIV測試等效條件

為得到脈沖與正弦電壓測試的等效條件，需先在相同環(huán)境下采用頻率為50 Hz的正弦電壓測試雙絞線PDIV，共得到十組數(shù)據(jù)，區(qū)間值為1.31～1.36 kV。再與脈沖在不同極性及占空比下測得的PDIV對比分析，如圖11所示。根據(jù)圖11中相交區(qū)域，確定當(dāng)環(huán)境因素相同、脈沖頻率為50 Hz、過電壓系數(shù)為1.166左右、單極性脈沖占空比為10%以下、雙極性脈沖占空比為30%～70%時，正弦與脈沖電壓下雙絞線的PDIV測試基本能等效。

圖11 正弦與脈沖電壓下平均PDIV值

4 分析討論

為分析脈沖極性及占空比對雙絞線PDIV測試影響，需清楚電荷分布對氣隙電場的畸變作用。針對雙絞線的結(jié)構(gòu)：在PDIV測試過程中，未出現(xiàn)由PD導(dǎo)致的表面電荷；電子式極化可忽略；偶極子式極化存在于絕緣層中，極化時間短，對氣隙電場影響??；因夾層極化存在界面自由電荷的轉(zhuǎn)移，極化時間長，對氣隙電場影響可能性最大。同時，文獻(xiàn)[23]也認(rèn)為在雙絞線中，電極會注入載流子在絕緣層形成空間電荷[24]；外加電場作用下，不連續(xù)界面的自由電荷沿電場方向發(fā)生定向移動，被氣固界面陷阱所捕獲會形成界面極化電荷[25,26]。因此，推測雙絞線中空間電荷及界面極化電荷均對PDIV測試有影響。

首先，研究空間電荷與界面極化電荷的極性。研究表明：采用電聲脈沖法、熱刺激電流法、光電子學(xué)測量方法檢測固體電介質(zhì)空間電荷的積累特性時，絕緣層中的空間電荷極性將與其靠近的電極保持一致[27-29]。外加電場下，電極與介質(zhì)間勢壘的降低使載流子容易發(fā)射，導(dǎo)帶中電子由電極通過場助熱發(fā)射注入到介質(zhì)導(dǎo)帶中[30,31]。其中，注入載流子密度由Schottky效應(yīng)確定[32]，通過式(2)得到注入電流密度J[24]：

(2)

式中，A為理查森常數(shù)；ψ為注入勢壘；k為玻爾茲曼常數(shù)；e為元電荷；T為絕對溫度；E為電場強(qiáng)度?？煽闯?，載流子發(fā)射電流密度隨電場強(qiáng)度增大而增大。

根據(jù)不連續(xù)界面的麥克斯韋方程，界面極化電荷σ可由式(3)決定[33]：

(3)

式中，γ1和γ2分別為氣隙以及絕緣層的電導(dǎo)率；ε1和ε2分別為雙絞線氣隙及絕緣層的介電常數(shù)；V為外加電壓的一半；d和l0分別為單漆包線絕緣層和一半氣隙的厚度。結(jié)構(gòu)如圖12(a)所示。若電場線由固體穿入氣體介質(zhì)，則此氣固界面靠近的電極為正電極，V>0。由于γ1>γ2，式(3)的絕緣層ε2約為3.45，ε2>ε1，則電荷σ為負(fù)，σ極性與靠近的電極極性相反，即與圖12(a)結(jié)構(gòu)中電極注入的空間電荷極性相反。

圖12 雙絞線中的電場分布

其次，分析空間電荷和界面極化電荷對雙絞線PDIV測試影響。為更好地直觀分析，忽略脈沖電壓下漆包線中電荷的分布。圖12(a)所示為雙絞線的半邊結(jié)構(gòu)，虛線為對稱軸線。E2為絕緣層內(nèi)部電場強(qiáng)度。此時漆包線間氣隙的場強(qiáng)E1可由式(4)確定：

(4)

圖12(b)為考慮空間電荷及氣固界面電荷的分布對氣隙間電場畸變的影響圖，使V>0。其中，E′3為未受空間電荷影響時的絕緣層內(nèi)部電場強(qiáng)度，厚度為l1；E′2為空間電荷作用時聚脂亞胺內(nèi)部電場強(qiáng)度，厚度為l2；ξ為空間電荷厚度，與l1、l2共同組成d，但其值遠(yuǎn)小于d，可忽略不計。根據(jù)麥克斯韋方程組，兩種電荷對氣隙畸變后的電場E′1可由式(5)計算[23,34]：

(5)

式中，ρ為絕緣層中單位體積的電荷量。根據(jù)上述條件，ρ極性為正，σ極性為負(fù)。當(dāng)ρ和σ等于0時，E′1可由式(4)計算，說明式(5)具有準(zhǔn)確性。

分析式(5)，電極注入的載流子會稍微增強(qiáng)氣隙的電場，降低PDIV值；然而，氣固交界面的電荷會削弱氣隙的電場，升高PDIV值。不同脈沖極性及占空比下雙絞線的PDIV測試結(jié)果將不免受上述空間電荷和界面極化電荷的影響。

最后，分析空間電荷和界面極化電荷積累量。試樣施加脈沖電壓時，根據(jù)式(6)和式(7)，電場強(qiáng)度及電壓持續(xù)時間的不同將導(dǎo)致電極注入電荷數(shù)量的變化。

(6)

(7)

式中，Q為電荷量；I為電流值；dS為與電流密度J相垂直的面積元。同理，當(dāng)外加電壓逐漸升高至試樣空氣間隙的起始電壓時，氣體間的場強(qiáng)將不斷變大。由于界面極化維持時間可能為幾小時，隨單極性電壓持續(xù)時間的變長，界面電荷量也會逐漸增加[35]。

4.1 極性對PDIV測試影響分析

基于定性機(jī)理分析中的式(7)，單極性下氣固界面電荷會隨著脈沖次數(shù)的變多逐漸增多，絕緣層也會一直被注入同極性載流子，電荷對氣隙電場畸變的作用逐漸增大，兩種電荷積累量的差距也會增加。雙極性脈沖電壓下，因極性一直處于反轉(zhuǎn)，雙絞線中的空間電荷及界面極化電荷無法積累，對氣隙電場畸變的作用較小[36]。

圖5中，在脈沖電壓參數(shù)及外界條件相同時，單極性下雙絞線PDIV測試值稍高于雙極性下PDIV值，此現(xiàn)象可從電荷積累量的差距進(jìn)行分析。根據(jù)式(5)，推測氣固界面極化電荷對氣隙場強(qiáng)的作用大于絕緣層中空間電荷。原因是低電場下，載流子的注入需要溫度加持[37]，單極性脈沖電壓下，隨著脈沖次數(shù)的變多，界面極化電荷積累量逐漸大于空間電荷積累量，更能抑制PD的發(fā)生。因此，相比雙極性方波電壓下PDIV的測試，單極性下PDIV結(jié)果會偏高；但由于外加電壓較低，電荷的積累并不多，僅會稍微影響PDIV的測試結(jié)果，50%占空比雙極性脈沖電壓下試樣PDIV約低于單極性下PDIV的12%，相差180 V。

另外，根據(jù)圖5和圖7，雙絞線承受占空比相等的正單極性與負(fù)單極性脈沖電壓時，PDIV測試值基本相等。原因是雙絞線為對稱結(jié)構(gòu)，電極材料及形狀相同，絕緣層材料及厚度一致。因此，正負(fù)單極性脈沖下注入空間電荷密度及深度的差異，對此試樣中電荷積累總量影響不大，進(jìn)而空間電荷與氣固界面電荷對氣隙電場畸變效果無較大差別。

可用圖13表示占空比為50%單極性與雙極性脈沖電壓下，雙絞線中空間電荷及界面極化電荷的積累過程。

圖13 單極性與雙極性脈沖電壓下雙絞線氣隙合成場強(qiáng)

4.2 單極性下占空比對PDIV測試影響分析

每次測試雙絞線的PDIV時，應(yīng)保證脈沖電壓上升速率一致。隨著單極性脈沖電壓占空比的增大，高壓持續(xù)時間越長，金屬電極將發(fā)射更多載流子進(jìn)入絕緣層中，增加氣隙場強(qiáng)，界面極化電荷也會增多，削弱氣隙場強(qiáng)。

從圖7可得，占空比的增大，試樣PDIV值逐漸增高，具有單調(diào)性?；谑?5)，認(rèn)為單極性脈沖電壓下PDIV測試時，隨著高壓持續(xù)時間的增加，界面極化電荷積累量與空間電荷積累量的差距也會逐漸變大。從而，相比電極注入載流子，夾層極化對氣隙電場影響更大，導(dǎo)致PDIV的增大。但由于氣隙放電發(fā)生前流注并未形成，未出現(xiàn)由PD導(dǎo)致的表面電荷積累，PDIV測試值也相差并不大，圖7中試樣PDIV最大值約高于PDIV最小值的21%，相差280 V。

因此，單極性下脈沖占空比對雙絞線PDIV的影響，與上述極性對PDIV測試影響的機(jī)理分析一致。此推測也對文獻(xiàn)[22]中出現(xiàn)同等現(xiàn)象的原因進(jìn)行了較為合理的機(jī)理分析。

4.3 雙極性下占空比對PDIV測試影響分析

雙極性脈沖電壓在極性翻轉(zhuǎn)時，瞬間場強(qiáng)最高，PD發(fā)生概率較大。如圖13(b)所示，當(dāng)脈沖極性發(fā)生變化時，界面極化電荷和空間電荷來不及耗散。此時，氣固界面的電荷將提升氣隙的合成場強(qiáng)；空間電荷抑制氣隙場強(qiáng)，與單極性脈沖電壓下電荷對氣隙場強(qiáng)的作用相反。

根據(jù)圖9中PDIV測試結(jié)果，隨著正電壓持續(xù)時間的增加，PDIV值變化很小，但呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。原因在于電壓極性的不斷翻轉(zhuǎn)，空間電荷與界面極化電荷無法在雙絞線中積累，對氣隙合成場強(qiáng)作用并不大。其中，最大值高于最小值的8%，僅相差100 V。

正電壓與負(fù)電壓持續(xù)時間成相反關(guān)系。當(dāng)占空比為50%，由于雙絞線的對稱性，正電壓持續(xù)時間內(nèi)界面極化電荷和空間電荷積累量將與負(fù)電壓持續(xù)時間內(nèi)相同；在占空比為50%之前，負(fù)電壓持續(xù)時間內(nèi)電荷積累量占據(jù)主導(dǎo)作用；在占空比為50%之后，正電壓持續(xù)時間內(nèi)電荷積累更多。

基于式(5)和式(7)，隨著占空比的增大，即正電壓持續(xù)時間逐漸增加，負(fù)電壓持續(xù)時間相應(yīng)減小。占空比在50%之前，空間電荷和界面極化電荷積累的數(shù)量會減小，極性翻轉(zhuǎn)時，氣固界面電荷對氣隙合成場強(qiáng)促進(jìn)作用降低，導(dǎo)致PDIV測試結(jié)果稍微變大。然而，占空比在50%之后，正電壓持續(xù)時間起主導(dǎo)作用，電荷積累數(shù)量會相應(yīng)增加，極性翻轉(zhuǎn)時，界面極化電荷增強(qiáng)氣隙的合成場強(qiáng)，導(dǎo)致PD更易發(fā)生，PDIV值稍微下降。

另外，進(jìn)行的十次實(shí)驗(yàn)中，在占空比為30%和70%下，首次PD基本分別位于上升沿與下降沿，原因與上述一致，相比空間電荷，界面極化電荷對氣隙合成場強(qiáng)作用更強(qiáng)。30%占空比下，負(fù)電壓持續(xù)時間較長，下一次極性翻轉(zhuǎn)時，界面極化電荷促進(jìn)氣隙場強(qiáng)更大，使放電發(fā)生在上升沿。同理，70%占空比下，PD發(fā)生在下降沿。而且，30%和70%占空比下，PDIV值基本相同。

綜上，雙極性下脈沖占空比對雙絞線PDIV的測試影響，與上述研究得出的機(jī)理分析一致。即在雙絞線的PDIV測試過程中，當(dāng)測試時間及電壓波形一致時，推測界面極化電荷積累量大于絕緣層中空間電荷積累量。

4.4 正弦與脈沖電壓下PDIV測試等效條件分析

正弦電壓下雙絞線的PDIV測試中，由于電壓波形為雙極性，界面極化電荷和空間電荷積累較少，且上升時間為5 000 μs，極性翻轉(zhuǎn)時，電荷量已衰減至極低。因此，每半周期內(nèi)雙絞線中電荷需重新積累，導(dǎo)致正弦電壓下PD發(fā)生時，界面極化電荷數(shù)量較少，抑制氣隙場強(qiáng)較弱。

當(dāng)采用較低占空比的單極性脈沖電壓測試雙絞線PDIV時，電荷積累量也較低，與正弦電壓下電荷積累量可能相似。再根據(jù)圖11，推測單極性脈沖電壓占空比為10%以下時，正弦與脈沖電壓下PDIV測試可基本等效。

當(dāng)采用雙極性脈沖電壓測試雙絞線PDIV時，與正弦電壓下試樣中電荷相比，電荷積累量同樣較少。但脈沖極性的快速翻轉(zhuǎn)，使電荷對氣隙場強(qiáng)作用與正弦下不同。若脈沖占空比為50%，電荷積累量最少，對氣隙電場增強(qiáng)作用最低，所以更貼近正弦電壓下PDIV值，此現(xiàn)象與文獻(xiàn)[23]具有一致性。再根據(jù)圖11，認(rèn)為雙極性脈沖占空比為30%～70%時，與正弦電壓下PDIV測試具有一定等效性。

5 結(jié)論

在具有占空比與極性可調(diào)的重復(fù)脈沖電壓下，通過大量實(shí)驗(yàn)研究了脈沖極性及占空比對變頻電機(jī)絕緣PDIV的影響，并根據(jù)空間電荷及界面極化電荷的積累給出較為詳細(xì)的機(jī)理解釋，然后對比分析了正弦與脈沖電壓下PDIV測試的等效條件，得出如下結(jié)論：

(1)測試雙絞線的PDIV過程中，當(dāng)外界條件及電壓波形一致時，若電壓持續(xù)時間相同，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，推測氣固界面極化電荷對氣隙合成場強(qiáng)的作用大于絕緣層中的空間電荷。

(2)過電壓存在時，當(dāng)脈沖占空比及頻率一致，則正單極性與負(fù)單極性脈沖下PDIV相同，單極性下PDIV高于雙極性下PDIV。

(3)過電壓存在時，脈沖占空比對PDIV測試有一定影響。不同極性下，占空比的改變會影響PDIV變化趨勢：單極性下，隨占空比的升高，PDIV逐漸變大；雙極性下，隨正電壓持續(xù)時間的變長，PDIV呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且占空比為50%時，雙絞線PDIV測試值最大。

(4)當(dāng)脈沖頻率為50 Hz、過電壓系數(shù)為1.166左右、單極性脈沖電壓占空比為10%以下、雙極性脈沖占空比為30%～70%時，認(rèn)為正弦與脈沖電壓下聚酯亞胺雙絞線PDIV測試基本等效。