变频器供电对电厂电机绝缘状态的影响研究

韩剑波 刘 鎏 张建建 秦 越 李 朋

（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都610213）

0 引言

在电厂中，电机常作为泵类或风机类设备的动力源，其可靠工作是保障电厂正常运行必不可缺的要素之一。随着电力电子技术快速发展，采用变频器给电机供电具有优良的调速性能（调速范围宽、效率高、精度高、动态响应迅速等）、可实现电机软启动（启动电流小、可减小启动过程中对其他电气设备的干扰）等优点，使得在越来越多的电厂中采用变频器给电机供电。

目前，电厂中常规中、低压电机设备多为工频交流电机，其绝缘结构一般按照常规交流电机设计，如果设计之初并未考虑其长时间承受变频电压的能力，而直接采用变频器供电，虽然可获得良好的电气性能，但也必定会给电机绝缘系统带来不同于工频电压供电时的影响。利用变频器启动或控制电厂电机设备虽然可获得良好的电气性能，但是变频器供电给电机绝缘带来的影响与工频供电相比有着本质区别。因此，针对变频器供电时电机的绝缘劣化机理，分析变频器供电对绝缘系统的具体影响，提高电机绝缘状态判断的准确性，并提出针对性的绝缘系统保护措施，对保障变频器供电时电机设备的运行可靠性具有十分重要的意义。

1 变频器器供电对电机绝缘的具体影响

目前，市面上变频器大多采用脉宽调制技术，其输出的PWM波形电压对电机绕组绝缘的影响不同于正弦交流电压，会制约电机的绝缘可靠性[1]。为了解变频器供电时可能对电机绝缘性能带来的具体影响，需考虑电厂电机设备的特殊工作环境，分析变频器供电下电机的绝缘劣化机理，现主要从介电应力、匝间绝缘、损耗及局部放电四个方面展开分析。

1.1 介电应力

变频器通过电力电子开关器件产生重复脉冲电压波形，开关器件的快速开关动作使得输出的电压在上升沿和下降沿变化率很高，会导致在电机绕组线圈产生极高的尖峰过电压[2]。为了分析变频器供电时电机主绝缘所承受的实际介电应力，选择额定电压为380V的工频交流电机，在试验前已验证电机绝缘性能良好，通过对试验电机一相绕组首端上施加380 V重复脉冲电压，分别测量沿绕组各个线圈的对地电压分布，测试结果如图1所示。

图1 变频器供电电机对地电压分布

从图1中可知，在重复脉冲电压下电机线圈对地电压峰值最大接近500V，高于电机绕组所施加脉冲电压峰值约32%，明显高于由相同电压等级下的正弦工频电压供电时电机绝缘系统所承受的介电应力。

此外，在电厂中若工艺设备和电气设备布置于不同的厂房，不可避免会使变频器和所驱动电机之间的电缆过长，致使电缆有很大的分布电感及电容，从而导致阻抗不匹配[3]，会在电机的接线端产生反射，导致电机端所承受的过电压进一步增大。供电电缆越长，过电压的峰值越高。

相对于工频供电，变频器供电时电机主绝缘会承受更高的介电应力，加上电机在运行过程中其绝缘系统耐受电压值也会随之下降，因此若电机主绝缘所承受电压超过其实际可耐受电压值，就会导致变频器供电时电机绕组绝缘系统发生过早损坏甚至击穿，影响电机设备的运行寿命。

1.2 匝间绝缘

选择额定电压为380 V的工频交流电机，试验前已验证电机绝缘性能良好，电机采用成型绕组结构，每个绕线圈内为8匝扁线绕制，通过对试验电机一相绕组首端上施加380 V脉冲电压，分别测量单个线圈内各匝的匝间电压分布，测试结果如图2所示。

图2 变频器供电电机匝间电压分布

从图2可以看出，采用变频器机供电时，电机绕组匝间绝缘上所承受的匝间电压呈明显不均匀分布。其中，首匝线圈的匝间电压152 V，为最高的匝间电压值，达到所施加电压值得40%，相较于工频电压供电时的匝间电压值，增加了约3.2倍。因此，变频器给电机供电时，会导致电机绕组线圈首匝或首匝附件线圈匝间绝缘承受更高的电压。

对于低压工频交流电机，其正常工作时，电机绕组匝间电压是均匀分布的，此时绕组线圈匝间电压分布与额定工作电压成正比，与绕组匝数成反比，一般在几伏至几十伏之间，绕组匝间绝缘承受非常小的工频电压，因此，交流正弦供电时对电机匝间绝缘的要求相对比较低。而当采用变频器供电时，匝间绝缘的冲击远远超过同电压等级的工频正弦电压，匝间绝缘故障也成为变频器供电时电机发生绝缘过早失效的主要原因之一。

若电机匝间绝缘设计之初并未考虑承受脉冲过电压，而当电机绕组匝间绝缘耐受值低于可能出现最大冲击过电压值，必然会导致电机绕组匝间发生局部绝缘击穿，若未及时检修或处理，匝间绝缘故障持续加深必定会影响电机的正常运行。

1.3 损耗

高频重复脉冲电压会在电机绕组终端产生高次谐波电压，这些谐波会在电机中产生谐波电流，高次谐波电压及电流会使电机绕组中产生的铁损、铜损、介质损耗以及机械损耗的增加，损耗主要转变成热能，损耗增加会导致电机运行温度的增加，会加剧电机绝缘系统的热老化过程。

1.4 局部放电

变频器输出的重复脉冲电压会产生波前时间极短且电压极高的交变尖峰电压，会使得因电容充放电现象而引起空间电荷积累，导致在绝缘材料中出现局部放电现象。同时，重复脉冲电压会使电机绝缘承受幅值更大、频率更高的介电应力，不可避免会加剧电机绕组绝缘系统的局部放电现象[4]。相较于工频交流电压，变频器供电下的重复脉冲电压更易引发绝缘材料中出现电树枝和促进电树枝生长，当电机绕组所承受极高频率脉冲电压时，绝缘系统中更容易出现电树枝，进而形成绝缘局部击穿通道，降低绝缘的耐受能力[5]。

2 电机绝缘状态评估方法

变频器供电时会给电机设备绝缘产生较大的影响，不同程度的绝缘劣化现象所体现出来的绝缘参量变化趋势及程度并不唯一，不同绝缘参量所反映出的绝缘劣化状态也并不相同。为准确掌握变频器供电时对电机绝缘的影响程度，可结合多个绝缘参量来综合判断变频器供电时电机绕组绝缘系统的劣化程度，以提高对绝缘状态评定结果的准确性。通过各绝缘参数的相对变化值，并经过归一化处理后，综合评估变频器供电时电机的绝缘状态，评估方法如图3所示。

图3 电机绝缘状态评估方法

对于绝缘参量的选择应既能反映绝缘系统的真实状态，又不会因为参数检测对电机产生破坏性的影响，根据变频器供电时对电机绝缘的具体影响及绝缘劣化机理，选择的绝缘参量主要包括：绝缘电阻（吸收比及极化指数）、介质损耗因数、局部放电起始电压、脉冲电压下响应波形面积不重合率。

2.1 绝缘电阻

绝缘电阻用于表征绝缘体阻止电流通过的能力，通过绝缘电阻值可得到电机绝缘的吸收比（KI=R60s/R15s）和极化指数（PI=R10min/R1min）。当电机绝缘系统出现电导性缺陷或老化现象、受潮或者表面泄露时，绝缘系统的电气性能会出现下降，都将会使流过绝缘系统的泄露电流明显增大，进而体现在绝缘电阻、吸收比和极化指数值会明显降低。因此，绝缘电阻（吸收比及极化指数）可作为反映变频器供电时电机的绝缘劣化程度的参数之一。

2.2 介质损耗因数

电机绝缘系统的受潮、脏污、分层和断裂等会使得绝缘系统的介质损耗增加，导致绝缘电气性能下降，其介质损耗因数（及其增量）会迅速增加。因此，介质损耗因数（及其增量）可反映电机绝缘系统的劣化度，反映绝缘系统中的缺陷。因此，可通过介质损耗因数作为反映电机绝缘整体性劣化程度的参量。

一般来说，仅中压及高压电气设备将介质损耗因数作为评估其绝缘性能的必要参数，但随着电厂低压电气设备功率等级越来越高，对于大功率低压电气设备介质损耗因数也是一个非常重要的绝缘参数，可作为反映变频电压下电机的绝缘劣化度的参数之一。

2.3 局部放电起始电压

电机绝缘系统的局部放电现象会引起绝缘材料表面和内部产生局部性缺陷，在最初出现这种局部缺陷时绝缘系统大概率不会发生完全性的绝缘击穿，发生局部放电时电机的绝缘性能仍然存在；但随着绝缘材料中的局部放电现象持续加深，不可避免会造成绝缘材料进一步被腐蚀、损坏，造成电机的绝缘强度下降，加剧绝缘系统的劣化过程，甚至引发整个绝缘发生贯穿性击穿，严重影响电机的绝缘寿命及运行可靠性。

当电机在脉冲电应力作用下发生了局部放电现象，而随着电机绝缘材料的劣化程度加深，腐蚀的范围扩大、程度加深，局部放电现象将更容易发生，局部放电起始电压会呈明显下降的趋势。所以，可通过局部放电起始电压的大小及其变化趋势反映电机的绝缘缺陷，表征电机绝缘系统的局部劣化状态[6]。

2.4 脉冲电压下响应波形面积不重合率

采用变频器给电机设备供电时，重复脉冲电压的冲击电应力，导致匝间绝缘故障成为变频电压下电机绝缘过早失效的主要原因之一。当电机绕组发生匝间绝缘故障时，会导致绕组线圈的电感、电容和电阻的发生变化（如匝间短路会导致绕组线圈形成短路匝），进而体现在绕组线圈的阻抗特性会发生明显变化。通过向电机绕组施加短时单脉冲电压时（非破坏性），发生匝间绝缘故障的电机绕组，其阻抗特性变化，会使在脉冲电压下的响应波形频率和衰减速率也随之发生变化，导致响应波形发生明显改变，响应波形不同于未发生绝缘故障的正常电机绕组。因此，可通过计算脉冲电压下响应波形的面积不重合率来评估变频电压下的电机匝间绝缘的劣化程度。

结合所选择各绝缘参量所表征的电机绝缘系统劣化机理，并通过对比分析电机出厂、运行过程中及失效后的绝缘参数变化趋势，提出一种变频器供电时电机绝缘状态判断阈值表，如表1所示。

通过图3所示的绝缘状态评估方法，将电机运行过程中的绝缘参量值与各绝缘参量出厂值相比较，结合表1提出的量化评估阈值，以此通过多种绝缘参量综合评估变频器供电时电机的具体绝缘状态，根据综合评估结果判断电机是否继续投运还是应该返厂维修，及时进行维修和更换存在较大隐患的电机，以尽可能在电机发生绝缘击穿之前开展维修，避免出现运行事故。

表1 电机绝缘状态判断阈值

3 电机绝缘保护措施

变频器供电时，电机绕组绝缘所承受的介电应力主要取决于所承受脉冲电压的幅值、du/dt、频率以及连接电缆长度、电机绕组结构等。因此，可以主要从以下几个方面进行考虑，以降低变频器供电时对电机绝缘的劣化影响。

3.1 降低变频器输出脉冲电压的变化率

变频器输出脉冲电压波形上升时间越短，会导致电机匝间绝缘过电压冲击越大，匝间绝缘寿命越短。因此，通过增加变频器输出脉冲电压的上升沿/下降沿时间，降低电压变化率，可以极大地改善电机绕组的匝间电压分布，降低匝间绝缘所承受的最大电压。进一步的，可通过加装滤波器，将脉冲电压转变近似正弦的电压，并降低电压的高频谐波，降低电机绝缘所承受的过电压[7]，提高电机的绝缘寿命。

3.2 降低电缆长度

可通过调整变频器供电时变频器与电机的设备布置方案，尽量减小电机和变频器之间的电缆长度，以减小电缆的分布电感和分布电容，降低了阻抗不匹配，以降低电机绝缘所承受的过电压。

3.3 增强对电机的散热能力

采用变频器供电的电机设备尽可能采用水冷等高效率冷却方式，可以在很大程度上减小变频器供电时对电机温升的影响，减缓变频器供电时高频电压导致电机绝缘损耗的增大，减缓电机绝缘系统的热老化过程。

3.4 采用成型或半成型绕组绝缘结构设计

中、小功率低压交流电机绕组多采用散嵌绕组结构，其匝间绝缘主要来自于电磁线自身的绝缘（如漆包线漆膜、玻璃丝包线外包玻璃丝或者薄膜绕包线外包薄膜），其匝间绝缘耐受电压一般都较低，变频器供电时过高的冲击电压使得电机匝间绝缘极易发生破坏。而如果在设计之初考虑变频器供电对电机设备绝缘系统的具体影响，采用成型绕组或半成型绕组绝缘结构设计，选用具有高性能抗电晕的电磁线，以大幅度提升电机匝间绝缘和主绝缘耐受电压，保证由变频器供电时，其绝缘耐受电压远高于电机正常运行过程可能出现的最大过电压值，可极大地降低电机发生过早绝缘损坏的概率。

3.5 采用真空压力浸渍工艺

由于电机绝缘系统存在气隙或局部缺陷，加之变频器供电时过高的冲击电压，电机绝缘系统频繁发生的局部放电现象会导致电机绝缘系统的过早劣化。针对此类电机的绝缘系统，可采用真空压力浸渍工艺，通过绝缘浸渍处理把绝缘内的挥发物和气体全部抽出来，然后通过绝缘漆或胶把气隙堵满，使其黏结成一个不含空气气隙的紧密整体，降低电机发生局部放电的概率，延长脉冲电压下电机的绝缘寿命[8]。

4 总结与展望

变频器给电机设备供电时，其输出的重复脉冲电压对电机绝缘系统的影响不同于工频正弦交流电压，不可避免会制约电机的绝缘系统运行可靠性。本文通过试验，并结合电厂电机设备的特殊工作环境及电机绝缘劣化机理，深入分析了变频器供电时对电厂电机设备绝缘系统的具体影响。提出一种变频器供电时电机绝缘状态评估方法，通过多种绝缘参量的综合评估，可提高变频器供电时对电机绝缘状态判断的准确性。在了解电机的真实绝缘状态基础上，判断电机的下一步工作状态，以避免电机绝缘发生过早失效。同时，提出了多种变频器供电时减低电机绝缘劣化程度的改进措施，以保障电厂电机的运行可靠性。