重复脉冲极性及占空比对变频电机绝缘局部放电起始电压的影响研究

2022-08-15郭厚霖罗英露李伟业

电工电能新技术 2022年7期

郭厚霖，王鹏，罗英露，李伟业，李想

(1.四川大学电气工程学院，四川成都 610065；2.襄阳中车电机技术有限公司，湖北襄阳 441047)

1 引言

近年来，随着以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代宽禁带半导体器件在变频技术领域的应用，变频电机调速性能以及节能优势得到更大提高[1,2]。然而，电力电子设备的开断频率和开断速度也将显著提升，变频电机端部脉冲电压上升时间缩短至纳秒级[3]。因此，由电缆特征阻抗[4]与电机特征阻抗不匹配引起的绕组端部过电压、电机的电容电感分布参数引起的绕组内部电压分布不均现象将更加严重[5]。当真空浸渍不能完全消除电机匝间气隙时，绝缘中场强集中区域局部放电(Partial Discharge, PD)将以较高概率出现，不断腐蚀电机有机绝缘材料，最终导致电机绝缘失效[6]。

为避免变频电机在服役期间，因局部放电而导致电机绝缘部位的快速失效，国际电工技术委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)针对I型和II型变频电机的绝缘测试，发布了标准IEC 60034-18-41[7]及IEC 60034-18-42[8]。根据标准要求，I型变频电机额定电压一般在900 V以下，部分绝缘结构无耐电晕能力，必须进行正弦和重复脉冲下局部放电起始电压(Partial Discharge Inception Voltage，PDIV)测试；II型电机允许少量PD，需开展耐电晕寿命测试。其中，由于电机主绝缘和相间绝缘分别承受逆变器输出的相地电压和相间电压，可采用正弦电压测定其PDIV，然而对于电机匝间绝缘，为模拟脉宽调制电压下绕组内部电压分布不均现象，应采用与电机端部电压具有相似上升时间的重复脉冲电压，测定其PDIV[9,10]。此外，IEC标准规定双绞线模型可模拟电机匝间绝缘最严峻的情况，PDIV定义为试样首次发生放电时，其所承受的电压峰峰值[7]。

目前，正弦和直流电压下电机绝缘PD测试研究较为深入[11]，重复脉冲下PD检测技术尚未成熟。研究表明，重复脉冲参数的改变对电机绝缘PD统计特性会产生较大影响，进而影响材料寿命[12,13]。其中，脉冲上升时间过短时，电机绝缘PDIV可能偏大[14]；脉冲在无过电压与有过电压时，频率对PDIV影响不同[15,16]。然而，过电压存在时，脉冲极性和占空比对电机绝缘PDIV影响规律，以及正弦与脉冲电压下PDIV测试等效条件报告较少，为提高变频电机PDIV测试的准确性，确定电压波形对双绞线PDIV测试的影响，有必要展开研究。

本文固定脉冲电压的上升时间和频率分别为40 ns与50 Hz，搭建了具有0.01%～70%占空比的高压脉冲电源，基于特高频检测法构建了脉冲下PDIV测试平台，基于直测法和PD-Base搭建了正弦下电机PDIV测试系统。同时，以双绞线模型模拟变频电机匝间绝缘，并在不同极性及占空比的脉冲电压下，进行大量PDIV测试。首先分析了不同脉冲极性及占空比对PDIV变化规律的影响，然后给出相应的机理解释，最后确定了脉冲与正弦电压下双绞线PDIV测试的等效条件。此研究有望为I型变频电机绝缘测试提供实验依据及理论基础。

2 PDIV测试系统

2.1 试样制作

为构建变频电机匝间绝缘的等效模型，依据标准GB/T4074.5—2008[17]，测试试样由两根直径为1.25 mm、绝缘厚度为60 μm、绝缘等级为B级(耐热130 ℃)的聚酯亚胺漆包线绕制而成。具体测量及制作过程如下：

首先，利用金相显微镜测量漆包线直径和绝缘层厚度；然后，将漆包线一端的绝缘漆刮掉，绝缘层上涂抹导电材料，通过介电谱仪测量50 Hz条件下聚酯亚胺的电容Cp，利用式(1)求得绝缘层相对介电常数εr为3.45[18]；最后，将两漆包线去除一端绝缘漆，夹角约成60°，如图1所示，其中箭头1指向绝缘接触点。

图1 聚酯亚胺漆包线绞线对试样

(1)

式中，Dout和Din分别为漆包线直径和裸导线直径；ε0为真空介电常数；l为导电涂层的长度。

2.2 局部放电测试平台

局部放电测试平台如图2所示。在双绞线高压端施加正弦及脉冲电压。其中，正弦电压由功率放大器产生；单极性脉冲电压由正负直流稳压电源及逆变模块产生；为保证双极性脉冲电压的上下幅值一致，对交流电源输出的电压进行放大整流滤波及逆变处理。高压探头以1 000∶1的分压比将试样高压端电压通入示波器通道1中，可避免接入电缆分布参数的影响。为保证环境因素一致，绕制的双绞线放入湿温控箱，温度和湿度分别设置为25 ℃和40%。同时，正弦电压下通过直测法采集放电，耦合电容与检测阻抗提取PD信号，PD-Base用于处理PD信号并获得放电相位统计特性；脉冲电压下通过特高频(Ultra-High Frequency, UHF)天线采集PD，为避免噪声干扰，信号经高通滤波器及检波器处理，再接入示波器通道2中，数字示波器采样率设置为5 Gs/s。

图2 局部放电测试平台

双绞线PDIV测试过程中，固定电压上升率和上升时间等关键参数，在示波器上设置PD触发阈值和单次触发模式，以精准得到首次PD发生时对应的电压波形。逐渐升高直流母线电压的幅值，直到第一次PD出现，停止升压，此时，电压峰峰值记为PDIV。另外，为保证PDIV测试结果的准确性，在相同电压参数及环境下，对两根按标准绕制的双绞线分别测试五次，以确定PDIV波动范围。

2.3 局部放电信号采集

重复脉冲电压下进行双绞线PDIV测试时，电力电子器件开断会产生强烈的电磁干扰，放电信号易被淹没。当脉冲电压上升时间为200 ns，对天线采集的干扰和放电时域信号进行短时傅里叶变换以分析其时频特性，分布如图3所示。电磁干扰能量集中在400 MHz以下，而放电信号在频域上的能量分布可延伸至1.5 GHz。为避免检测PDIV时，放电信号无法分辨及信噪比较差，有三步需进行：①在传统宽频带阿基米德螺旋天线的基础上，添加微带巴伦实现阻抗匹配，并在天线辐射层上覆盖高介电常数介质层，实现放电信号频段的高增益[19]。②在天线检测输出端加入500 MHz高通滤波器，以滤除低频干扰。③使天线距离待测试样约12 cm，并保证天线高度与湿温控制箱内试样的高度一致，以实现电磁波的近场检测[20]。

图3 采集信号时频域分布

在正弦电压下进行绞线对的PDIV测试时，放电能量集中在400 MHz以下，上述特高频天线不具优势，PD信号易被空间白噪声干扰，因此采用直测法[21]。采用PD-Base，在软件中设置触发信号，可得到局部放电相位谱图；根据沿面和内部放电的相位统计特性，联合时域和频域分析方法，能识别放电过程中可能存在的窄带和宽频带干扰。

2.4 实验电压参数

采用重复脉冲电压对双绞线进行PDIV测试时，需考虑绝缘PD激发的脉冲电压参数选择。本文研究脉冲极性及占空比对双绞线PDIV测试影响，需控制变量。因试样绝缘层的介电常数是在工频下测得，频率选取为50 Hz。

上升时间确定为40 ns，主要原因有两点：

(1)较短的脉冲上升时间是发展趋势，导致电机端部过电压也容易存在。上升时间为40 ns时，双绞线高压端有过电压产生。

(2)可保证在单极性不同占空比的脉冲电压下，有效电压持续时间累积相同，放电概率基本相同，以研究空间电荷和界面极化电荷对双绞线PDIV测试的影响。

通过搭建不同的电源平台，可产生单极性、双极性的脉冲电压和正弦电压。双绞线高压端脉冲波形的占空比，与控制固态开关的信号相同。因此，调整低压触发信号可实现脉冲电压占空比的变化，参数见表1。

表1 不同极性及占空比下的重复脉冲电压参数

图4为试样高压端的双极性脉冲电压波形。其中，占空比为50%、上升时间为40 ns、过电压系数为1.166，满足上述测试要求。

图4 试样高压端脉冲电压波形

3 实验结果

3.1 脉冲电压极性对PDIV测试的影响

根据表1的电压参数，在频率为50 Hz、占空比为50%、上升时间为40 ns下，对双绞线施加正单极性、负单极性和双极性的脉冲电压，测得的PDIV值如图5所示，图6为试样在各极性脉冲电压下，PD首次发生时的电压波形图。全文中，占空比为50%的脉冲电压简称为方波电压。

图6 不同脉冲极性下首次PD发生时相位图

从图5可看出，方波电压双极性下双绞线PDIV约低于单极性下PDIV的12%，相差180 V，正单极性与负单极性下PDIV测试值差别不大。表明正单极性和负单极性重复脉冲电压不会影响单极性下PDIV的测试，但是，双极性与单极性脉冲电压会对试样的PDIV值有一定影响，原因可能是空间电荷和界面极化电荷的积累畸变了气隙电场。

图5 不同脉冲极性下PDIV值

3.2 单极性脉冲电压占空比对PDIV测试的影响

根据表1电压参数，在频率为50 Hz、极性为单极性、上升时间为40 ns下，改变脉冲电压持续时间，即占空比从0.01%～70%变化。图7为双绞线在不同占空比下PDIV的测试结果。图8(a)和图8(b)分别为试样在正单极性脉冲电压下，占空比为10%和70%时对应的首次PD图，发现PD相位位于上升沿。图8(c)和图8(d)分别为试样在负单极性脉冲电压下，占空比为0.1%和30%时对应的首次PD图，在下降沿处首先发生放电。

图7 单极性不同占空比下的PDIV值

图8 单极性不同占空比下首次PD发生时相位图

分析图7中的测试数据，认为不同占空比下PDIV变化趋势较慢，但呈现一定的趋势。电压持续时间越低，PDIV越小。双绞线在70%的占空比下，PDIV值明显高于占空比为0.01%时的PDIV，约为280 V，此PDIV测试的变化规律与文献[22]结论一致，但其并未有详细的机理分析。

另外，试样在占空比不同的正单极性与负单极性脉冲电压下，PDIV值相等且表现相同变化规律，即随着占空比的变大，PDIV越大。

3.3 双极性脉冲电压占空比对PDIV测试的影响

当脉冲电压的频率为50 Hz、极性为双极性、上升时间为40 ns、正电压的持续时间在2～14 000 μs范围内发生变化时，图9的结果表明PDIV变化较小。但是，随着占空比的变大，PDIV总体呈现先升高后下降的趋势，尤其在占空比为50%时，PDIV最大，图9中最大值与最小值相差约100 V。图10为占空比在30%及70%时，PD首次出现对应的波形图，可看出在此两种占空比下，PDIV值相差不大，但放电位置分别位于上升沿与下降沿。上述现象可从极性翻转时，电荷分布对气隙电场畸变的角度进行分析。

图9 双极性不同占空比下的PDIV值

图10 双极性不同占空比下首次PD发生时相位图

3.4 正弦与脉冲电压下PDIV测试等效条件

为得到脉冲与正弦电压测试的等效条件，需先在相同环境下采用频率为50 Hz的正弦电压测试双绞线PDIV，共得到十组数据，区间值为1.31～1.36 kV。再与脉冲在不同极性及占空比下测得的PDIV对比分析，如图11所示。根据图11中相交区域，确定当环境因素相同、脉冲频率为50 Hz、过电压系数为1.166左右、单极性脉冲占空比为10%以下、双极性脉冲占空比为30%～70%时，正弦与脉冲电压下双绞线的PDIV测试基本能等效。

图11 正弦与脉冲电压下平均PDIV值

4 分析讨论

为分析脉冲极性及占空比对双绞线PDIV测试影响，需清楚电荷分布对气隙电场的畸变作用。针对双绞线的结构：在PDIV测试过程中，未出现由PD导致的表面电荷；电子式极化可忽略；偶极子式极化存在于绝缘层中，极化时间短，对气隙电场影响小；因夹层极化存在界面自由电荷的转移，极化时间长，对气隙电场影响可能性最大。同时，文献[23]也认为在双绞线中，电极会注入载流子在绝缘层形成空间电荷[24]；外加电场作用下，不连续界面的自由电荷沿电场方向发生定向移动，被气固界面陷阱所捕获会形成界面极化电荷[25,26]。因此，推测双绞线中空间电荷及界面极化电荷均对PDIV测试有影响。

首先，研究空间电荷与界面极化电荷的极性。研究表明：采用电声脉冲法、热刺激电流法、光电子学测量方法检测固体电介质空间电荷的积累特性时，绝缘层中的空间电荷极性将与其靠近的电极保持一致[27-29]。外加电场下，电极与介质间势垒的降低使载流子容易发射，导带中电子由电极通过场助热发射注入到介质导带中[30,31]。其中，注入载流子密度由Schottky效应确定[32]，通过式(2)得到注入电流密度J[24]：

(2)

式中，A为理查森常数；ψ为注入势垒；k为玻尔兹曼常数；e为元电荷；T为绝对温度；E为电场强度。可看出，载流子发射电流密度随电场强度增大而增大。

根据不连续界面的麦克斯韦方程，界面极化电荷σ可由式(3)决定[33]：

(3)

式中，γ1和γ2分别为气隙以及绝缘层的电导率；ε1和ε2分别为双绞线气隙及绝缘层的介电常数；V为外加电压的一半；d和l0分别为单漆包线绝缘层和一半气隙的厚度。结构如图12(a)所示。若电场线由固体穿入气体介质，则此气固界面靠近的电极为正电极，V>0。由于γ1>γ2，式(3)的绝缘层ε2约为3.45，ε2>ε1，则电荷σ为负，σ极性与靠近的电极极性相反，即与图12(a)结构中电极注入的空间电荷极性相反。

图12 双绞线中的电场分布

其次，分析空间电荷和界面极化电荷对双绞线PDIV测试影响。为更好地直观分析，忽略脉冲电压下漆包线中电荷的分布。图12(a)所示为双绞线的半边结构，虚线为对称轴线。E2为绝缘层内部电场强度。此时漆包线间气隙的场强E1可由式(4)确定：

(4)

图12(b)为考虑空间电荷及气固界面电荷的分布对气隙间电场畸变的影响图，使V>0。其中，E′3为未受空间电荷影响时的绝缘层内部电场强度，厚度为l1；E′2为空间电荷作用时聚脂亚胺内部电场强度，厚度为l2；ξ为空间电荷厚度，与l1、l2共同组成d，但其值远小于d，可忽略不计。根据麦克斯韦方程组，两种电荷对气隙畸变后的电场E′1可由式(5)计算[23,34]：

(5)

式中，ρ为绝缘层中单位体积的电荷量。根据上述条件，ρ极性为正，σ极性为负。当ρ和σ等于0时，E′1可由式(4)计算，说明式(5)具有准确性。

分析式(5)，电极注入的载流子会稍微增强气隙的电场，降低PDIV值；然而，气固交界面的电荷会削弱气隙的电场，升高PDIV值。不同脉冲极性及占空比下双绞线的PDIV测试结果将不免受上述空间电荷和界面极化电荷的影响。

最后，分析空间电荷和界面极化电荷积累量。试样施加脉冲电压时，根据式(6)和式(7)，电场强度及电压持续时间的不同将导致电极注入电荷数量的变化。

(6)

(7)

式中，Q为电荷量；I为电流值；dS为与电流密度J相垂直的面积元。同理，当外加电压逐渐升高至试样空气间隙的起始电压时，气体间的场强将不断变大。由于界面极化维持时间可能为几小时，随单极性电压持续时间的变长，界面电荷量也会逐渐增加[35]。

4.1 极性对PDIV测试影响分析

基于定性机理分析中的式(7)，单极性下气固界面电荷会随着脉冲次数的变多逐渐增多，绝缘层也会一直被注入同极性载流子，电荷对气隙电场畸变的作用逐渐增大，两种电荷积累量的差距也会增加。双极性脉冲电压下，因极性一直处于反转，双绞线中的空间电荷及界面极化电荷无法积累，对气隙电场畸变的作用较小[36]。

图5中，在脉冲电压参数及外界条件相同时，单极性下双绞线PDIV测试值稍高于双极性下PDIV值，此现象可从电荷积累量的差距进行分析。根据式(5)，推测气固界面极化电荷对气隙场强的作用大于绝缘层中空间电荷。原因是低电场下，载流子的注入需要温度加持[37]，单极性脉冲电压下，随着脉冲次数的变多，界面极化电荷积累量逐渐大于空间电荷积累量，更能抑制PD的发生。因此，相比双极性方波电压下PDIV的测试，单极性下PDIV结果会偏高；但由于外加电压较低，电荷的积累并不多，仅会稍微影响PDIV的测试结果，50%占空比双极性脉冲电压下试样PDIV约低于单极性下PDIV的12%，相差180 V。

另外，根据图5和图7，双绞线承受占空比相等的正单极性与负单极性脉冲电压时，PDIV测试值基本相等。原因是双绞线为对称结构，电极材料及形状相同，绝缘层材料及厚度一致。因此，正负单极性脉冲下注入空间电荷密度及深度的差异，对此试样中电荷积累总量影响不大，进而空间电荷与气固界面电荷对气隙电场畸变效果无较大差别。

可用图13表示占空比为50%单极性与双极性脉冲电压下，双绞线中空间电荷及界面极化电荷的积累过程。

图13 单极性与双极性脉冲电压下双绞线气隙合成场强

4.2 单极性下占空比对PDIV测试影响分析

每次测试双绞线的PDIV时，应保证脉冲电压上升速率一致。随着单极性脉冲电压占空比的增大，高压持续时间越长，金属电极将发射更多载流子进入绝缘层中，增加气隙场强，界面极化电荷也会增多，削弱气隙场强。

从图7可得，占空比的增大，试样PDIV值逐渐增高，具有单调性。基于式(5)，认为单极性脉冲电压下PDIV测试时，随着高压持续时间的增加，界面极化电荷积累量与空间电荷积累量的差距也会逐渐变大。从而，相比电极注入载流子，夹层极化对气隙电场影响更大，导致PDIV的增大。但由于气隙放电发生前流注并未形成，未出现由PD导致的表面电荷积累，PDIV测试值也相差并不大，图7中试样PDIV最大值约高于PDIV最小值的21%，相差280 V。

因此，单极性下脉冲占空比对双绞线PDIV的影响，与上述极性对PDIV测试影响的机理分析一致。此推测也对文献[22]中出现同等现象的原因进行了较为合理的机理分析。

4.3 双极性下占空比对PDIV测试影响分析

双极性脉冲电压在极性翻转时，瞬间场强最高，PD发生概率较大。如图13(b)所示，当脉冲极性发生变化时，界面极化电荷和空间电荷来不及耗散。此时，气固界面的电荷将提升气隙的合成场强；空间电荷抑制气隙场强，与单极性脉冲电压下电荷对气隙场强的作用相反。

根据图9中PDIV测试结果，随着正电压持续时间的增加，PDIV值变化很小，但呈现先增大后减小的趋势。原因在于电压极性的不断翻转，空间电荷与界面极化电荷无法在双绞线中积累，对气隙合成场强作用并不大。其中，最大值高于最小值的8%，仅相差100 V。

正电压与负电压持续时间成相反关系。当占空比为50%，由于双绞线的对称性，正电压持续时间内界面极化电荷和空间电荷积累量将与负电压持续时间内相同；在占空比为50%之前，负电压持续时间内电荷积累量占据主导作用；在占空比为50%之后，正电压持续时间内电荷积累更多。

基于式(5)和式(7)，随着占空比的增大，即正电压持续时间逐渐增加，负电压持续时间相应减小。占空比在50%之前，空间电荷和界面极化电荷积累的数量会减小，极性翻转时，气固界面电荷对气隙合成场强促进作用降低，导致PDIV测试结果稍微变大。然而，占空比在50%之后，正电压持续时间起主导作用，电荷积累数量会相应增加，极性翻转时，界面极化电荷增强气隙的合成场强，导致PD更易发生，PDIV值稍微下降。

另外，进行的十次实验中，在占空比为30%和70%下，首次PD基本分别位于上升沿与下降沿，原因与上述一致，相比空间电荷，界面极化电荷对气隙合成场强作用更强。30%占空比下，负电压持续时间较长，下一次极性翻转时，界面极化电荷促进气隙场强更大，使放电发生在上升沿。同理，70%占空比下，PD发生在下降沿。而且，30%和70%占空比下，PDIV值基本相同。

综上，双极性下脉冲占空比对双绞线PDIV的测试影响，与上述研究得出的机理分析一致。即在双绞线的PDIV测试过程中，当测试时间及电压波形一致时，推测界面极化电荷积累量大于绝缘层中空间电荷积累量。

4.4 正弦与脉冲电压下PDIV测试等效条件分析

正弦电压下双绞线的PDIV测试中，由于电压波形为双极性，界面极化电荷和空间电荷积累较少，且上升时间为5 000 μs，极性翻转时，电荷量已衰减至极低。因此，每半周期内双绞线中电荷需重新积累，导致正弦电压下PD发生时，界面极化电荷数量较少，抑制气隙场强较弱。

当采用较低占空比的单极性脉冲电压测试双绞线PDIV时，电荷积累量也较低，与正弦电压下电荷积累量可能相似。再根据图11，推测单极性脉冲电压占空比为10%以下时，正弦与脉冲电压下PDIV测试可基本等效。

当采用双极性脉冲电压测试双绞线PDIV时，与正弦电压下试样中电荷相比，电荷积累量同样较少。但脉冲极性的快速翻转，使电荷对气隙场强作用与正弦下不同。若脉冲占空比为50%，电荷积累量最少，对气隙电场增强作用最低，所以更贴近正弦电压下PDIV值，此现象与文献[23]具有一致性。再根据图11，认为双极性脉冲占空比为30%～70%时，与正弦电压下PDIV测试具有一定等效性。