方波脈沖電壓頻率對變頻牽引電機絞線對絕緣特性的影響

張作欽，孫傳銘

(南車青島四方機車車輛股份有限公司技術(shù)中心，山東 青島 266111)

1 引言

近年來，隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)因具有起動性能好、調(diào)速范圍大及效率高等優(yōu)點而被廣泛應用于鐵路電力牽引領(lǐng)域［1－3］。變頻牽引電機是鐵路電力機車的關(guān)鍵設(shè)備，其可靠性直接影響機車的安全運行［4－6］。鐵路電力機車變頻調(diào)速廣泛采用脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)驅(qū)動技術(shù)。由于變流器、牽引電機及連接電纜三者之間的阻抗不匹配，導致牽引電機端產(chǎn)生高頻方波脈沖過電壓，促使牽引電機定子繞組匝間絕緣過電壓的產(chǎn)生，嚴重威脅牽引電機的安全運行［3－6］。由于電力電子開關(guān)頻率可高達20kHz［5，6］，方波脈沖電壓的高頻率勢必對牽引電機絕緣的正常工作造成重要影響。研究方波脈沖電壓頻率對牽引電機定子繞組匝間絕緣特性的影響具有重要的工程實際意義。

本文研究了方波脈沖電壓頻率對牽引電機絞線對電熱聯(lián)合老化壽命的影響，測試了絞線對經(jīng)過不同頻率的方波脈沖電壓老化相同時間后的tanδ，分析了方波脈沖電壓頻率對絞線對電熱聯(lián)合老化壽命影響的機理。

2 試驗方法

2.1 試樣

模擬牽引電機定子繞組匝間絕緣的絞線對示意圖如圖1所示。試樣總體呈X形，由兩根電磁線與對地絕緣組成，其中電磁線采用聚酰亞胺薄膜2/3疊包絕緣，絕緣厚度為0.21mm;對地絕緣首先采用云母帶半疊包2次，再用玻璃絲帶平包1次。最后將絞線對試樣置于真空壓力下浸200級無溶劑浸漬漆，完成絞線對試樣的制備。絞線對試樣中，兩根電磁線的并行長度為90mm，彎曲部分的長度為80mm，其中的裸銅線長度為30mm，彎曲部分的夾角為45°。在進行匝間絕緣試驗時，以絞線對的兩根電磁線作為試驗電極。

圖1 牽引電機絞線對試樣

為了消除試樣參數(shù)的離散性對試驗數(shù)據(jù)的影響，試驗前，先對試樣進行了干燥(溫度為100℃，干燥時間為5h)、屏蔽及防電暈等預處理。

2.2 測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示［7］。圖2中，高頻方波脈沖電源PITS 7000輸出的雙極性高壓方波參數(shù)為:幅值 0～7kV，頻率 500Hz～20kHz，占空比為50%，脈沖上升時間約為1.2μs。試驗時將絞線對置于溫度可調(diào)的烘箱內(nèi)，采用Tektronix TDS 3032B雙通道示波器同時記錄方波脈沖電壓信號及局部放電信號，局部放電信號采用高頻NiZn鐵氧體鐵芯傳感器耦合，R為積分電阻;方波脈沖高壓經(jīng)衰減系數(shù)為1/1000的高壓差分探頭傳輸?shù)绞静ㄆ?之后基于IEEE 488.2協(xié)議，利用通用接口總線數(shù)據(jù)傳輸卡，將示波器采集的方波脈沖電壓信號及局部放電信號數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)接嬎銠C保存;最后利用時域閥值、極性差別及相位窗脈沖提取技術(shù)對局部放電信號進行干擾抑制及局部放電量統(tǒng)計。

圖2 測試系統(tǒng)原理框圖

試驗時，方波脈沖電源的輸出電壓設(shè)置為峰峰值3kV，烘箱溫度設(shè)置為160℃，分別測試絞線對在頻率為1kHz、5kHz、8kHz、10kHz以及 15kHz條件下的絕緣特性。

3 試驗結(jié)果

3.1 方波脈沖電壓頻率對絞線對壽命的影響

測試絞線對在不同頻率方波脈沖電壓下的電熱聯(lián)合老化壽命，每個頻率點測試8個試樣，試驗結(jié)果采用一元二維Weibull分布統(tǒng)計分析，以失效概率63.2%對應的失效時間作為絞線對在相應頻率下的壽命。二參數(shù)Weibull分布函數(shù)為

式中，α與β分別為Weibull分布的尺度參數(shù)和形狀參數(shù)［8］。

絞線對在不同頻率方波脈沖電壓下的壽命曲線如圖3所示。

圖3 方波脈沖電壓頻率對絞線對壽命的影響

絞線對的老化擊穿點照片如圖4所示。從圖中可以看出，絞線對擊穿點呈現(xiàn)明顯的黑色，電磁線絕緣受到嚴重燒蝕。絞線對擊穿點位置處于兩根電磁線的彎曲處，這是因為電磁線彎曲處的電場畸變嚴重，場強較高，容易發(fā)生局部放電，致使電磁線彎曲處成為絞線對絕緣的薄弱點。

圖4 絞線對老化擊穿點

3.2 方波脈沖電壓頻率對絞線對tanδ的影響

為了分析方波脈沖電壓頻率對絞線對絕緣特性的影響，研究了方波脈沖電壓頻率對絞線對tanδ的影響。試驗首先將絞線對經(jīng)過不同頻率方波脈沖電壓老化10h以后，采用Delta－2000介質(zhì)損耗測試儀測試了絞線對在不同測試電壓下的tanδ，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 方波脈沖電壓頻率對絞線對tanδ的影響

4 討論

變頻牽引電機絞線對的介質(zhì)損耗主要來自3個方面:由泄漏電流所產(chǎn)生的電導損耗、由介質(zhì)極化所產(chǎn)生的極化損耗以及在高電場下由于局部放電所產(chǎn)生的局部放電損耗［9］。局部放電的發(fā)生需要同時滿足兩個條件:即初始電子濃度達到局部放電起始放電要求;外加電壓達到或超過局部放電起始放電電壓［10］。當外加電壓低于局部放電起始放電電壓時，絞線對的介質(zhì)損耗主要由電導損耗與極化損耗構(gòu)成，隨電壓的升高，其值變化不大;當外加電壓超過局部放電起始放電電壓時，局部放電將造成絞線對介質(zhì)損耗的劇增。因此，絞線對tanδ曲線轉(zhuǎn)折點電壓即為絞線對的局部放電起始放電電壓。

從圖5可以看出，隨著方波脈沖電壓頻率的增大，絞線對tanδ曲線的轉(zhuǎn)折點電壓升高，亦即絞線對的局部放電起始放電電壓升高。這是因為絞線對經(jīng)過不同頻率的方波脈沖電壓老化相同時間后，局部放電作用造成絞線對絕緣高分子鏈斷裂，使聚酰亞胺高分子熔融、碳化及降解，方波脈沖電壓的頻率越高，對絞線對的老化作用越強，引入更多的深淺陷阱，陷阱濃度增加使自由載流子更容易被陷阱捕獲，使得絞線對的自由載流子濃度減小。為了滿足局部放電起始放電的要求，必須升高外加電壓，從而使局部放電起始放電電壓升高，即tanδ曲線的轉(zhuǎn)折點電壓升高。

從圖3可以看出，方波脈沖電壓頻率從1kHz升高到5kHz時，絞線對的壽命下降了大約33%。試驗統(tǒng)計了絞線對在老化過程中的局部放電平均放電量，如圖6所示。

圖6 頻率對絞線對局部放電平均放電量的影響

從圖6可以看出，隨著方波脈沖電壓頻率的升高，絞線對局部放電平均放電量升高，絞線對在頻率為5kHz時的局部放電平均放電量大約是在頻率為1kHz時的2.5倍。這是因為方波脈沖電壓的頻率越高，絞線對的老化程度越深，絞線對的局部放電起始放電電壓越大，絞線對絕緣內(nèi)部的自由載流子在局部放電發(fā)生之前就會積聚更大的能量，局部放電一旦發(fā)生，載流子便會釋放更多的能量，從而引起局部放電平均放電量增加。

絞線對的局部放電平均放電量越大，載流子對絞線對絕緣釋放的能量越高，從而造成放電對絞線對絕緣高分子鏈的破壞作用越強，最終便會導致絞線對老化壽命的縮短，如圖3所示。

5 結(jié)論

研究了方波脈沖電壓頻率對絞線對老化壽命、tanδ及局部放電平均放電量的影響，得到以下結(jié)論:

(1)方波脈沖電壓的頻率越高，絞線對的老化壽命越短;

(2)方波脈沖電壓的頻率越高，絞線對tanδ曲線的轉(zhuǎn)折點電壓越高，這是因為電壓頻率越高，對絞線對的老化作用越強，導致陷阱密度增加，降低了自由載流子濃度，從而造成絞線對局部放電起始放電電壓升高;

(3)方波脈沖電壓頻率越高，絞線對在老化過程中的局部放電平均放電量越大，造成對絕緣的破壞作用更強，致使絞線對壽命縮短。

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