摘要：本文主要研究脉冲频率及环境温度对变频电机绝缘耐电晕寿命的影响，在低频50Hz和高频10kHz、上升时间和下降时间固定为25ns的双极性对称重复脉冲电压及不同环境温度下，对变频电机匝间绝缘进行耐电晕寿命实验，研究不同重复脉冲电压频率下环境温度对变频电机耐电晕性能的影响规律，以供参考。
关键词：变频电机；局部放电；电老化；热老化；重复脉冲
1实验系统
变频电机绝缘局部放电耐电晕测试系统如图1所示，该系统主要由高压方波电源、超高频天线、示波器、高压探头、工控机、温度控制箱和试样等组成。其中高压重复脉冲电源工作参数为幅值0～8kV连续可调、频率1～10kHz连续可调、占空比1%～99%连续可调和最陡上升/下降时间为25ns的重复脉冲电压。超高频天线采集的放电信号经滤波后输入示波器通道1，脉冲电压信号经过高压探头（分压比为1000∶1）接入示波器通道2作为相位同步信号。示波器通过数据总线与工控机接口，利用IEEE488.2通讯协议向计算机实时发送局部放电和重复脉冲电压数据，将实验数据存入数据库以进行后期统计和对比分析。
图1局部放电耐电晕测试系统
此外，为保证外部电压达到PDIV时只有单个接触点产生沿面放电并缩短耐电晕实验时间，测试试样采用非耐电晕聚氨酯漆包线，单根漆包线长度、外直径和绝缘厚度分别为10cm、1.50mm和35µm。将一根长约40cm的漆包线扭绞成12.5cm的绞线对，使两漆包线夹角约为60°，并去除一端绝缘漆，如图2所示。绞线对绕制时应避免损伤绝缘漆而导致实验时短路。
图2聚氨酯漆包线绞线对试样
为防止试样表面污垢影响实验结果，在实验前需用无水酒精清洗试样表面，并提前将试样置于100℃温度箱中干燥12h，以清除漆包线表面水分。测试时，将试样置于温度连续精确可调的温度控制箱内，超高频天线置于温度控制箱外，与箱内试样距离保持15cm。
2实验结果
通过图1所示的耐电晕测试系统，双极性重复脉冲电压占空比和上升时间分别为50%和25ns，预实验得到此类试样的PDIV在2000V左右，因此将寿命实验用脉冲电压峰值设定为2500V和3000V，频率为50Hz和10kHz，在60、90、105、120、135、155℃6个温度下测试漆包线试样的耐电晕性能，每个温度条件下分别选取5个试样。根据变频电机测试标准，需要在重复脉冲电压下对电机绝缘试样或绝缘系统进行寿命测试。而在寿命测试中，局部放电存在时的电热联合老化是加速电机绝缘失效的主要原因。因此，为获得电-热联合老化对变频电机匝间绝缘耐电晕性能的影响规律，在表1列出的所有测试条件下，分别对5个试样在不同温度下进行耐电晕性能测试。为消除其他因素对测试结果的影响，对表1中测试条件随机顺序组合后进行测试，每次测试1个试样，直到最终完成5个试样的寿命测试，因为低频下寿命实验时间较长，故统计寿命时间随温度变化趋势时，只记录高频下不同温度梯度的实验数据，最终所得耐电晕结果箱线图如图3所示。由图3可知，试样的耐电晕寿命随温度增加呈非线性递减趋势，在60～105℃时寿命相差明显。
图3不同温度下的耐电晕性能
3结果分析
由局部放电主导的电老化是变频电机绝缘劣化的主要因素之一，同时温度的变化又会对局部放电各项特性产生显著影响，因此绝缘的耐电晕性能会受到温度的影响。温度主导的热老化会增强绝缘内部自由电子对材料高分子链的撞击作用，导致电子入陷和脱陷过程频繁，加速绝缘内部高分子链断裂，增大绝缘内部陷阱密度和陷阱深度，从而缩短绝缘寿命。因此，当频率升高或者环境温度升高时，电机绕组绝缘寿命的降低是由电老化和热老化共同造成的。为观察不同外施脉冲电压频率下本研究中试样表面相对于环境温度的温升情况，利用高精度红外相机捕捉试样表面的温度分布情况，并以红外图谱的形式保存，结果如图4～5所示，红外图谱中心十字测量点聚焦于试样表面，该点测量的温度在左上角显示，图谱右边为当前测量范围内的各个物体表面温度梯度。
由图4和图5可知，当实验温箱设定的环境温度为30℃，外施脉冲电压频率为50Hz时，试样表面温度与环境温度基本一致，测试结果为29.1℃；相同环境温度下，当外施脉冲频率为10kHz时，试样表面温度达到72.8℃，相较于环境温度提高了40℃左右。当实验温箱设定的环境温度为60℃，外施脉冲电压频率为50Hz时，试样表面温度与环境温度基本一致，测试结果为64.7℃；相同环境温度下，外施脉冲频率为10kHz时，试样表面温度达到88.7℃，相较于环境温度提高了近30℃。综上分析可知，在相同环境温度下进行绝缘材料的耐电晕实验时，提高脉冲频率，除了单位时间内放电次数增加而使电老化作用加强外，频率升高还使试样表面存在明显的温升效应，所以热老化作用相对于低频时同样加强。
图5环境温度为60℃时不同电压频率下试样表面温度
低温时，局部放电主导下的电老化是导致绝缘损失的主要原因，而高频高温时，电热联合老化可能是绝缘失效的主要原因，因此在分析高频高温下的绝缘老化时，必须考虑温度升高对绝缘材料内部自由电子的影响。一方面，温度升高时，注入绝缘内部的自由电子吸收的能量增加，自由电子在绝缘材料内部的迁移速率增加，因此对材料高分子链的撞击作用增强，促使高分子链降解，生成更多的小分子及自由基，从而增大绝缘的陷阱密度。另一方面，温度升高时，绝缘内部陷阱对自由电子的捕获能力增强，即增加了自由电子的入陷概率，增大了陷阱密度。电子在入陷的同时释放出能量，而被陷阱捕获的电子在吸收了足够的能量之后又将脱离陷阱束缚，重新成为自由电子，可能再一次与高分子链发生撞击，使其成为自由基，进而引起自由基链式反应，导致聚合物高分子链断裂。所以，自由电子频繁地入陷与脱陷，反复吸收和释放能量，加速绝缘高分子链断裂，进一步增大了绝缘的陷阱密度和深度，缩短绝缘寿命。可见，随着温度升高，自由电子对绝缘结构的破坏过程越明显，促使绝缘的耐电晕性能在热老化作用下呈非线性降低。
结束语:
在上升时间为25ns、占空比为50%的重复双极性脉冲电压下，通过变频电机匝间绝缘单点放电模型的大量实验，研究了环境温度对变频电机绝缘耐电晕性能的影响规律。根据不同频率下试样表面温升情况及耐电晕测试过程中的放电能量统计，低频常温下局部放电主导的电老化是变频电机绝缘失效的主要原因，而高温高频下绝缘破坏是电热联合老化作用的结果。
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论文作者:牛玉龙,郭大鹏,李斌寅,冯硕宁,廉超
论文发表刊物:《电力设备》2018年第25期
论文发表时间:2019/2/25
标签：试样论文; 电晕论文; 脉冲论文; 电机论文; 电压论文; 温度论文; 环境温度论文; 《电力设备》2018年第25期论文;