变频电机绝缘系统鉴定试验研究分析

康 骏， 黄慧洁， 管兆杰， 周冬生

(1.上海电器科学研究所(集团)有限公司上海电器设备检测所，上海 200063;2.3M中国有限公司，上海 200336)

0 引言

采用安全、可靠的绝缘结构不仅是电机安全运行的基础，也决定电机能否具有足够长的运行寿命。随着电力电子技术的飞速发展，其与电机的结合应用越来越广泛，也越来越紧密，电机与变频器的配合使用就是一个典型。

对于变频电机，绝缘结构老化机理有别于传统工频供电下的旋转电机，如果不考虑变频器的影响，采用与工频供电电机相同的绝缘结构，可能导致变频电机的匝间、相间、对地绝缘快速失效，电机只有2～3年甚至几十个小时的运行寿命。近年，在变频电机应用领域，尤其是风力发电机、电梯配套电机中，这种现象越来越多。如不对电机绝缘材料和工艺进行改进，使其与所连的变频器相匹配，将会大大阻碍变频电机的发展。

1 变频器供电电机绝缘老化机理

给电机供电的变频器输出电源典型波形如图1所示。

图1 3级变频器馈电的电机终端的相至地面电压

由图1可得出，变频器供电电压波形与传统正弦波存在不同:第一个不同是带有Upk/pk′的高频瞬时脉冲电压(频率范围为1～20 kHz);第二个不同是在ns级的du/dt影响下，基频下电压峰峰值大于传统正弦波的峰峰值，使绝缘所承受的电应力大大增加。

如果绝缘所承受的电应力幅值大于其局部放电起始电压，电机绝缘则会承受持续的局部放电，而且电压波形中存在ns级的du/dt导致其放电电流会很大，电流产生发热造成达1 000℃的高温，使绝缘迅速老化失效(见图2)。

图2 局部放电导致线棒破坏

2 变频器供电电机绝缘鉴定方法

目前国内、外标准将变频器供电的电机绕组绝缘分为两类，其中Ⅰ型绕组绝缘在电机运行期间不承受局部放电，Ⅱ型绕组绝缘在电机运行期间经受局部放电。低压电机一般都设计为在运行过程中不发生局部放电，为Ⅰ型绕组绝缘;对于高压电机，由于额定电压较高，在运行过程中多会发生局部放电，为Ⅱ型绕组绝缘。电机绕组绝缘结构设计示例如图3所示。

2.1 Ⅰ型绝缘结构的鉴定方法

工频供电下的低压电机绝缘结构在实际工况中不存在局部放电，而在变频供电下，电机端电压波形发生本质变化，突变电压产生的峰峰电压和纳秒级的du/dt使低压散嵌绝缘结构发生局部放电，由于低压电机绝缘结构不存在耐电晕材料，如发生局部放电，则可使电机绝缘迅速失效，因此变频供电下的电机绝缘结构也必须要求在运行中不发生局部放电。

图3 电机绕组绝缘结构设计示例

图4 绝缘结构局部放电起始电压(PDIV)变化趋势图

由图4可看出，随着热老化时间的延长，电机绝缘结构的PDIV逐渐变小。绝缘结构热老化评定依据阿累尼乌斯原理，通过3个或3个以上的温度点加速老化试验，得出绝缘结构的老化方程，然后外推至绝缘结构的温度等级所对应的失效时间。图5为阿累尼乌斯曲线。其中:t为绝缘结构所对应的温度等级;T为绝对温度值;log τ为失效时间的对数。

对于Ⅰ型绝缘结构而言，热老化分周期后的诊断试验应为PDIV测试，以此判断绝缘结构热老化后是否失效，这有别于常规工频耐压诊断试验。合格的Ⅰ型绝缘结构必须在整个老化周期内，PDIV均高于实际工况的规定值。

图5 阿累尼乌斯曲线图

对于PDIV诊断试验，从图6、7可看出，绝缘结构所承受的电压波形有别于工频正弦电压，所以在高频重复脉冲电压下的PDIV与工频电压下的PDIV有显著差别。

图6 高频重复脉冲电压下PD信号

图7 正弦工频电压下PD信号

表1为某一电机绝缘结构模型线圈的测试数据，在不同的电压波形下，发生局部放电时的能量完全不同。按常理而言，电势能的大小取决于其峰峰幅值，但从表1得出的是完全不同的两个电压等级，造成这种情况的原因为ns级的du/dt，且为高频，电压的极性转换很快，能量在整个绝缘结构中的分布很不均匀，致使绝缘结构中某一部位的能量积累远大于其他部位，从而发生局部放电。

综上所述，对于Ⅰ型绝缘结构的鉴定，是以热老化试验与高频重复脉冲电压下PDIV诊断试验为主。

表1 不同电压波形下电机绝缘结构PDIV对比

2.2 Ⅱ型绝缘结构的鉴定方法

Ⅱ型绝缘结构在运行期间经受局部放电，所以老化主导因素为电老化。Ⅱ型绝缘结构一般为高压电机绝缘结构，为成型线圈，由于电机额定电压较高，已大于绝缘结构的PDIV，所以基本都以环氧云母作为对地绝缘，外包高低阻带作为防晕结构，起到耐电老化的作用。

对于高压电机而言，无论是变频供电还是工频供电，都会使绝缘结构发生局部放电，针对变频供电电机端的特殊波形，必须考虑的是电机端峰峰电压的幅值和高频脉冲电压对整个绝缘结构电老化过程的影响。

对于绝缘结构电老化寿命的鉴定，依据目前国内外标准，用L=k×U－n作为经验公式绘制出绝缘结构的电老化寿命曲线。其中:U为电压，n为电老化系数，k为常数，L为失效时间。

从公式可以看出，电压与寿命的关系取决于n值的大小。对于一般的环氧云母结构，其n值在8～12之间，这从理论上就可说明，绝缘结构所承受的电势能大小对绝缘结构寿命起着决定性的作用。从图6、7可以看出，高频脉冲电压幅值和基频电压幅值是不对等的，高频脉冲电压的幅值明显小于基频电压幅值，所以需确定高频脉冲电压在整个电老化过程中所起到的作用，可以依据电老化主导率的经验公式进行计算。

变频供电下高频脉冲波形对电老化主导率计算公式为

式中:n——电老化系数。

因此，对于Ⅱ型绝缘结构的鉴别，只需取3个不同的电压老化点，在最大工作温度下施加相应的工频电压至失效，由电压的对数和失效时间的对数绘制出电老化曲线(见图8)，推算出理论寿命或与基准曲线作比较，就可对高压变频电机绝缘结构进行一个客观的评定。

图8 电老化曲线图

综上所述，对于Ⅱ型绝缘结构的鉴别，只要计算出基频电压和高频脉冲电压对电机绝缘结构老化分别所占的主导率，就可施加相应的工频峰峰电压进行电老化评定，再以所得出的电老化曲线和老化主导率，推算出相应的寿命数据。

3 结 语

变频电机绝缘结构的鉴定，不仅需要贯彻相关标准，还需要从基本老化理论着手，实际工况参数作为基本依据，对电机绝缘结构实际老化过程进行研究分析，得出相应客观的方法，鉴定绝缘结构是否满足实际使用要求。如果结果不满足使用要求，应对绝缘结构进行改进，对于低压电机，应提升绝缘的局部放电起始电压;对于高压电机，应采取措施提升绝缘的耐电晕性能，使电机在设计寿命内能够承受住局部放电造成的损坏。

［1］GB/T 22720.1—2008，旋转电机电压型变频器驱动旋转电机用Ⅰ型电气绝缘结构的鉴别和型式试验［S］.2008.

［2］IEC 60034-18-42:2008.Qualification and acceptance tests for partial discharge resistant electrical insulation systems(type II)used in rotating electrical machines fed from voltage converters［S］.2008.

［3］袁建敏.变频电机绝缘结构在工频下局部放电测量的探讨［J］. 电机与控制应用，2009，36(10):55-56.