张作钦，孙传铭

(南车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心，山东 青岛 266111)

1 引言

近年来，随着电力电子技术的快速发展，变频调速技术因具有起动性能好、调速范围大及效率高等优点而被广泛应用于铁路电力牵引领域［1－3］。变频牵引电机是铁路电力机车的关键设备，其可靠性直接影响机车的安全运行［4－6］。铁路电力机车变频调速广泛采用脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)驱动技术。由于变流器、牵引电机及连接电缆三者之间的阻抗不匹配，导致牵引电机端产生高频方波脉冲过电压，促使牵引电机定子绕组匝间绝缘过电压的产生，严重威胁牵引电机的安全运行［3－6］。由于电力电子开关频率可高达20kHz［5，6］，方波脉冲电压的高频率势必对牵引电机绝缘的正常工作造成重要影响。研究方波脉冲电压频率对牵引电机定子绕组匝间绝缘特性的影响具有重要的工程实际意义。

本文研究了方波脉冲电压频率对牵引电机绞线对电热联合老化寿命的影响，测试了绞线对经过不同频率的方波脉冲电压老化相同时间后的tanδ，分析了方波脉冲电压频率对绞线对电热联合老化寿命影响的机理。

2 试验方法

2.1 试样

模拟牵引电机定子绕组匝间绝缘的绞线对示意图如图1所示。试样总体呈X形，由两根电磁线与对地绝缘组成，其中电磁线采用聚酰亚胺薄膜2/3叠包绝缘，绝缘厚度为0.21mm;对地绝缘首先采用云母带半叠包2次，再用玻璃丝带平包1次。最后将绞线对试样置于真空压力下浸200级无溶剂浸渍漆，完成绞线对试样的制备。绞线对试样中，两根电磁线的并行长度为90mm，弯曲部分的长度为80mm，其中的裸铜线长度为30mm，弯曲部分的夹角为45°。在进行匝间绝缘试验时，以绞线对的两根电磁线作为试验电极。

图1 牵引电机绞线对试样

为了消除试样参数的离散性对试验数据的影响，试验前，先对试样进行了干燥(温度为100℃，干燥时间为5h)、屏蔽及防电晕等预处理。

2.2 测试系统

测试系统的原理框图如图2所示［7］。图2中，高频方波脉冲电源PITS 7000输出的双极性高压方波参数为:幅值 0～7kV，频率 500Hz～20kHz，占空比为50%，脉冲上升时间约为1.2μs。试验时将绞线对置于温度可调的烘箱内，采用Tektronix TDS 3032B双通道示波器同时记录方波脉冲电压信号及局部放电信号，局部放电信号采用高频NiZn铁氧体铁芯传感器耦合，R为积分电阻;方波脉冲高压经衰减系数为1/1000的高压差分探头传输到示波器;之后基于IEEE 488.2协议，利用通用接口总线数据传输卡，将示波器采集的方波脉冲电压信号及局部放电信号数据实时传输到计算机保存;最后利用时域阀值、极性差别及相位窗脉冲提取技术对局部放电信号进行干扰抑制及局部放电量统计。

图2 测试系统原理框图

试验时，方波脉冲电源的输出电压设置为峰峰值3kV，烘箱温度设置为160℃，分别测试绞线对在频率为1kHz、5kHz、8kHz、10kHz以及 15kHz条件下的绝缘特性。

3 试验结果

3.1 方波脉冲电压频率对绞线对寿命的影响

测试绞线对在不同频率方波脉冲电压下的电热联合老化寿命，每个频率点测试8个试样，试验结果采用一元二维Weibull分布统计分析，以失效概率63.2%对应的失效时间作为绞线对在相应频率下的寿命。二参数Weibull分布函数为

式中，α与β分别为Weibull分布的尺度参数和形状参数［8］。

绞线对在不同频率方波脉冲电压下的寿命曲线如图3所示。

图3 方波脉冲电压频率对绞线对寿命的影响

绞线对的老化击穿点照片如图4所示。从图中可以看出，绞线对击穿点呈现明显的黑色，电磁线绝缘受到严重烧蚀。绞线对击穿点位置处于两根电磁线的弯曲处，这是因为电磁线弯曲处的电场畸变严重，场强较高，容易发生局部放电，致使电磁线弯曲处成为绞线对绝缘的薄弱点。

图4 绞线对老化击穿点

3.2 方波脉冲电压频率对绞线对tanδ的影响

为了分析方波脉冲电压频率对绞线对绝缘特性的影响，研究了方波脉冲电压频率对绞线对tanδ的影响。试验首先将绞线对经过不同频率方波脉冲电压老化10h以后，采用Delta－2000介质损耗测试仪测试了绞线对在不同测试电压下的tanδ，测试结果如图5所示。

图5 方波脉冲电压频率对绞线对tanδ的影响

4 讨论

变频牵引电机绞线对的介质损耗主要来自3个方面:由泄漏电流所产生的电导损耗、由介质极化所产生的极化损耗以及在高电场下由于局部放电所产生的局部放电损耗［9］。局部放电的发生需要同时满足两个条件:即初始电子浓度达到局部放电起始放电要求;外加电压达到或超过局部放电起始放电电压［10］。当外加电压低于局部放电起始放电电压时，绞线对的介质损耗主要由电导损耗与极化损耗构成，随电压的升高，其值变化不大;当外加电压超过局部放电起始放电电压时，局部放电将造成绞线对介质损耗的剧增。因此，绞线对tanδ曲线转折点电压即为绞线对的局部放电起始放电电压。

从图5可以看出，随着方波脉冲电压频率的增大，绞线对tanδ曲线的转折点电压升高，亦即绞线对的局部放电起始放电电压升高。这是因为绞线对经过不同频率的方波脉冲电压老化相同时间后，局部放电作用造成绞线对绝缘高分子链断裂，使聚酰亚胺高分子熔融、碳化及降解，方波脉冲电压的频率越高，对绞线对的老化作用越强，引入更多的深浅陷阱，陷阱浓度增加使自由载流子更容易被陷阱捕获，使得绞线对的自由载流子浓度减小。为了满足局部放电起始放电的要求，必须升高外加电压，从而使局部放电起始放电电压升高，即tanδ曲线的转折点电压升高。

从图3可以看出，方波脉冲电压频率从1kHz升高到5kHz时，绞线对的寿命下降了大约33%。试验统计了绞线对在老化过程中的局部放电平均放电量，如图6所示。

图6 频率对绞线对局部放电平均放电量的影响

从图6可以看出，随着方波脉冲电压频率的升高，绞线对局部放电平均放电量升高，绞线对在频率为5kHz时的局部放电平均放电量大约是在频率为1kHz时的2.5倍。这是因为方波脉冲电压的频率越高，绞线对的老化程度越深，绞线对的局部放电起始放电电压越大，绞线对绝缘内部的自由载流子在局部放电发生之前就会积聚更大的能量，局部放电一旦发生，载流子便会释放更多的能量，从而引起局部放电平均放电量增加。

绞线对的局部放电平均放电量越大，载流子对绞线对绝缘释放的能量越高，从而造成放电对绞线对绝缘高分子链的破坏作用越强，最终便会导致绞线对老化寿命的缩短，如图3所示。

5 结论

研究了方波脉冲电压频率对绞线对老化寿命、tanδ及局部放电平均放电量的影响，得到以下结论:

(1)方波脉冲电压的频率越高，绞线对的老化寿命越短;

(2)方波脉冲电压的频率越高，绞线对tanδ曲线的转折点电压越高，这是因为电压频率越高，对绞线对的老化作用越强，导致陷阱密度增加，降低了自由载流子浓度，从而造成绞线对局部放电起始放电电压升高;

(3)方波脉冲电压频率越高，绞线对在老化过程中的局部放电平均放电量越大，造成对绝缘的破坏作用更强，致使绞线对寿命缩短。

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