耐電暈漆包線局部放電起始電壓自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉深圳，梁學(xué)昊，李尤鵬，賀慧勇

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114;2.近地空間電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)與建模湖南省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114；3.長(zhǎng)沙湘鴻儀器機(jī)械有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410002)

0 引言

近年來，隨著脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)的問世，電機(jī)交流調(diào)速技術(shù)得到了快速發(fā)展。變頻電機(jī)具有調(diào)速性能好、容易啟動(dòng)、能效高等優(yōu)勢(shì)，在高速鐵路、艦艇驅(qū)動(dòng)、新能源汽車、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。

然而，變頻電機(jī)通常工作在高頻率、快速變化的重復(fù)高頻方波脈沖電壓下，其絕緣系統(tǒng)會(huì)遭受更加嚴(yán)格的電應(yīng)力考驗(yàn)，導(dǎo)致變頻電機(jī)的壽命遠(yuǎn)小于工作在工頻交流下的壽命[4-5]。研究表明，變頻器與變頻電機(jī)的阻抗不匹配會(huì)導(dǎo)致電機(jī)端部產(chǎn)生過電壓，過電壓在變頻電機(jī)的定子繞組中分布不均勻，當(dāng)過電壓高于局部放電起始電壓時(shí)，將可能發(fā)生局部放電現(xiàn)象，而局部放電是導(dǎo)致變頻電機(jī)絕緣系統(tǒng)提前損壞的主要原因[6-7]。在重復(fù)高頻方波脈沖電壓下，局部放電信號(hào)的提取存在較大困難，局部放電一般淹沒在上升沿和下降沿產(chǎn)生的強(qiáng)烈電磁干擾中，導(dǎo)致局部放電信號(hào)難以提取[8-9]。重復(fù)高頻方波脈沖電壓參數(shù)較多，如極性、頻率、上升時(shí)間、下降時(shí)間、占空比等。對(duì)于不同重復(fù)脈沖電壓參數(shù)下的變頻電機(jī)絕緣PDIV測(cè)試已有文獻(xiàn)報(bào)道[10-15]。文獻(xiàn)[10]采用超高頻天線檢測(cè)法測(cè)試局部放電，在不同頻率的方波脈沖電壓和短脈沖電壓下，研究了漆包線絞線試樣的局部放電規(guī)律；文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了局部放電起始電壓與局部放電熄滅電壓的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)；文獻(xiàn)[12]研究了上升時(shí)間對(duì)局部放電頻譜的影響。

然而，目前的研究大多都是使用示波器、紫外光譜儀等儀器進(jìn)行漆包線PDIV的檢測(cè)，而運(yùn)用微弱信號(hào)檢測(cè)和微型控制技術(shù)方法的研究卻鮮有報(bào)道。為了準(zhǔn)確測(cè)試PDIV，需要對(duì)不同試樣在相同的環(huán)境中進(jìn)行大量的測(cè)試，以獲得統(tǒng)計(jì)特性。在本團(tuán)隊(duì)研發(fā)的耐電暈測(cè)試儀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種用于重復(fù)高頻方波脈沖下耐電暈漆包線PDIV自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，可以使用上位機(jī)控制耐電暈測(cè)試儀的高頻方波脈沖電源實(shí)現(xiàn)均勻自動(dòng)升壓，同時(shí)采集局部放電產(chǎn)生的高頻瞬時(shí)電流，完成耐電暈漆包線PDIV的快速自動(dòng)測(cè)試。

1 原理及測(cè)試系統(tǒng)

1.1 原理

在重復(fù)高頻方波脈沖電壓沖擊下，耐電暈漆包線絞線試樣的氣隙絕緣系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)電場(chǎng)，當(dāng)瞬時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度大于局部放電起始電壓下的電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，將出現(xiàn)激發(fā)電子崩的初始電子，發(fā)生局部放電現(xiàn)象。在漆包線絞線試樣兩端加上高頻方波脈沖電壓時(shí)，會(huì)在方波脈沖的上升沿和下降沿產(chǎn)生瞬時(shí)電流，當(dāng)方波脈沖電壓小于PDIV時(shí)，產(chǎn)生的瞬時(shí)電流隨方波脈沖電壓增大而緩慢增加，并且瞬時(shí)電流頻率較低；當(dāng)方波脈沖電壓大于PDIV時(shí)，產(chǎn)生的瞬時(shí)電流隨方波脈沖電壓的增大而快速增加，并且產(chǎn)生的瞬時(shí)電流頻率較高。

對(duì)高頻瞬時(shí)電流直接進(jìn)行采樣較為困難，通常需要使用數(shù)據(jù)采集卡、高頻示波器等昂貴儀器，成本較高，難以應(yīng)用到工業(yè)中。如果能將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為低頻信號(hào)，再進(jìn)行局部放電信號(hào)采樣將會(huì)大幅降低采樣難度和成本，本系統(tǒng)使用峰值包絡(luò)檢波的方式將局部放電信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)。首先使用高頻電流傳感器（HFCT）對(duì)局部放電產(chǎn)生的瞬時(shí)電流進(jìn)行采集。高頻電流傳感器等效電路如圖1所示，主要包括采樣電阻R、線圈等效電阻Rs、線圈互感M、線圈自感Ls、線圈雜散電容Cs[16]。高頻電流傳感器傳遞函數(shù)表示為式（1）。

圖1 高頻電流傳感器等效電路Fig.1 Equivalent circuit of high-frequency current sensor

式（1）中：ω為工作角頻率；Ls、M分別表示為式（2）、式（3）。

式（2）～（3）中：μ為磁導(dǎo)率；N為線圈匝數(shù)；h為磁性材料截面高度；D1為磁性材料內(nèi)直徑；D2為磁性材料外直徑；S為磁性材料橫截面積；l是磁路有效長(zhǎng)度，如式（4）所示。

式（4）中，r1、r2分別是磁性材料內(nèi)半徑、外半徑。

則傳感器響應(yīng)下限頻率為式（5）。

傳感器響應(yīng)上限頻率為式（6）。

由于高頻電流傳感器采集到的瞬時(shí)電流含有脈沖干擾成分，需要進(jìn)行濾波處理，使干擾信號(hào)衰減。干擾信號(hào)頻率越低，局部放電瞬時(shí)電流信號(hào)頻率就越高，需要使用高通濾波器，并設(shè)置合適的截止頻率，圖2為高通濾波器原理圖。圖2中，R1=R2，C1=C2。

圖2 高通濾波器原理圖Fig.2 High-pass filter schematic

則高通濾波器的截止頻率為式（7）。

經(jīng)高通濾波器后干擾信號(hào)被衰減，在方波脈沖電壓較低時(shí)，經(jīng)濾波器后的高頻電流信號(hào)較弱，無法進(jìn)行檢波處理，需要對(duì)濾波后信號(hào)進(jìn)行放大，使得局部放電信號(hào)峰值大于二極管開啟電壓，以達(dá)到可以進(jìn)行檢波的條件。對(duì)高頻電流信號(hào)放大后，通過檢波的方式將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為低頻信號(hào)再進(jìn)行采樣。

二極管峰值檢波電路如圖3所示，該電路具有電路簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，主要由二極管VD和低通濾波器組成。二極管具有單向?qū)щ娦?，只有在輸入信?hào)電壓大于二極管開啟電壓時(shí)才會(huì)導(dǎo)通，對(duì)電容C3進(jìn)行充電，當(dāng)二極管輸入信號(hào)電壓小于開啟電壓時(shí)，二極管不導(dǎo)通，電容C3放電實(shí)現(xiàn)檢波功能。要完成檢波，時(shí)間常數(shù)（τ）的選擇至關(guān)重要，時(shí)間常數(shù)過大，輸出信號(hào)跟不上輸入信號(hào)的變化，會(huì)產(chǎn)生惰性失真；時(shí)間常數(shù)過小，高頻紋波變大，輸出信號(hào)電壓不能達(dá)到輸入信號(hào)峰值附近[17]。檢波器時(shí)間常數(shù)為式（8），高頻電流信號(hào)周期?τ?脈沖方波信號(hào)周期。

將高頻方波脈沖電源從較低電壓逐漸升高，并對(duì)檢波后的局部放電產(chǎn)生的瞬時(shí)電流進(jìn)行采樣，瞬時(shí)電流開始較快增加的時(shí)刻對(duì)應(yīng)的方波脈沖電壓，即為耐電暈漆包線的局部放電起始電壓。

圖3 二極管峰值檢波電路Fig.3 Diode peak detection circuit

1.2 測(cè)試系統(tǒng)

重復(fù)高頻方波脈沖下耐電暈漆包線的PDIV測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示，上位機(jī)采用串口控制方波脈沖電源產(chǎn)生雙極性高頻方波脈沖電壓，Cx為耐電暈漆包線絞線試樣。高頻電流傳感器采集到的瞬時(shí)電流信號(hào)，經(jīng)過濾波器、放大器、檢波器、A/D轉(zhuǎn)換電路，然后送入微處理器進(jìn)行存儲(chǔ)、分析等。方波脈沖電壓每升高一次，進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，然后由微處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并判斷耐電暈漆包線的PDIV，最后將測(cè)試結(jié)果發(fā)送至上位機(jī)顯示并保存。

圖4 系統(tǒng)測(cè)試框圖Fig.4 System test block diagram

2 漆包線局部放電信號(hào)的檢測(cè)

2.1 高頻方波脈沖電源參數(shù)

高頻方波脈沖電源是局部放電測(cè)試系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，圖5為高頻方波脈沖電源原理圖，由高壓電源、限流電阻R、IGBT和負(fù)載Cx組成，IGBT管選取自帶快恢復(fù)二極管的型號(hào)，分別為Q1、Q2、Q3、Q4；D1、D2、D3、D4為IGBT自帶的快恢復(fù)二極管，4個(gè)IGBT與負(fù)載Cx組成H橋，高壓電容C1與H橋并聯(lián)，為負(fù)載提供瞬時(shí)電流。

圖5 高頻方波脈沖電源原理圖Fig.5 High-frequency square wave pulse power supply schematic diagram

方波脈沖電源可產(chǎn)生峰峰值為0～3 kV的雙極性脈沖電壓，頻率為2～20 kHz可調(diào)，上升/下降時(shí)間為100 ns。方波脈沖電源參數(shù)如表1所示，產(chǎn)生頻率為10 kHz的波形如圖6所示。

表1 方波脈沖電源參數(shù)Tab.1 Square wave pulse power supply parameters

圖6 方波脈沖輸出波形Fig.6 Square wave pulse output waveform

2.2 傳感器和濾波器

耐電暈漆包線發(fā)生局部放電產(chǎn)生的瞬時(shí)電流頻率較高，為了提取到高頻電流信號(hào)，高頻電流傳感器需要采用導(dǎo)磁率較低的鎳鋅材料制作。在方波脈沖電壓峰值為1 500 V、頻率為10 kHz，負(fù)載為33 pF電容試樣時(shí)，傳感器輸出波形如圖7(a)所示，相同條件下負(fù)載為直徑1.0 mm的漆包線絞線試樣時(shí)，傳感器輸出波形如圖7(b)所示。

圖7 方波脈沖電源和HFCT輸出波形Fig.7 Square wave pulse power and HFCT output waveform

由圖7(a)可知，負(fù)載為高壓電容時(shí)不會(huì)發(fā)生局部放電現(xiàn)象，高頻方波脈沖電源陡上升沿和下降沿會(huì)對(duì)電流傳感器產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的干擾，方波脈沖頻率為10 kHz時(shí)，干擾頻率為20 kHz。由圖7(b)可知，局部放電產(chǎn)生的高頻電流信號(hào)頻率較高，主要在80～140 MHz。采用截止頻率為1 MHz的高通濾波器對(duì)20 kHz干擾信號(hào)進(jìn)行抑制，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過濾波器后的波形如圖8所示。由圖8可知，干擾信號(hào)被有效抑制。

2.3 放大器和檢波器設(shè)計(jì)

局部放電產(chǎn)生的高頻電流信號(hào)頻率主要在80～140 MHz，頻率較高，普通運(yùn)算放大器難以滿足需求，需要使用射頻寬帶放大器，本系統(tǒng)使用的射頻放大器帶寬為1 MHz～2 GHz，增益為32 dB。高頻電流信號(hào)經(jīng)過放大后，局部放電信號(hào)峰值大于檢波二極管開啟電壓，經(jīng)檢波器后，將高頻電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為低頻信號(hào)。

圖8 方波脈沖和濾波后輸出波形Fig.8 Square wave pulse and output waveform after filtering

3 耐電暈漆包線的PDIV測(cè)試結(jié)果

3.1 漆包線絞線試樣制備

本試驗(yàn)使用的漆包線絞線試樣依據(jù)GB/T 4074.7—2009中的規(guī)定將樣品制成扭絞線對(duì)。取5根長(zhǎng)度為40 cm的漆包線，用絞線機(jī)加工成12.5 cm的絞線試樣，使絞線試樣夾角為60°，其中一端刮掉絕緣漆膜。

3.2 高頻電流法測(cè)試結(jié)果

使用高頻電流法測(cè)試時(shí)，方波脈沖電源從400 V開始勻速升壓至1 500 V，頻率為10 kHz，上升/下降時(shí)間為100 ns。測(cè)試試樣為直徑1.12 mm的漆包線，對(duì)比試驗(yàn)使用33 pF高壓電容，不同電壓下的采樣結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，試樣為高壓電容時(shí)，隨著方波脈沖電源電壓的升高，傳感器輸出電流逐漸緩慢增加；而試樣為漆包線試樣時(shí)，傳感器輸出電流在較低電壓時(shí)隨方波脈沖電源電壓升高緩慢增加，此時(shí)未發(fā)生局部放電，在920 V左右時(shí)電流開始快速增加，此時(shí)發(fā)生了局部放電，漆包線絕緣介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生局部擊穿，判定漆包線試樣的局部放電起始電壓為920 V。

圖9 雙極性方波脈沖電壓400～1 500 V下HFCT輸出Fig.9 HFCT output under 400～1 500 V of bipolar square pulse voltage

3.3 不同頻率方波脈沖對(duì)PDIV測(cè)試結(jié)果的影響

局部放電發(fā)生在方波脈沖的上升沿和下降沿，在不同頻率的重復(fù)高頻方波脈沖條件下，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的放電次數(shù)也不同。為了研究不同頻率的方波脈沖對(duì)耐電暈漆包線PDIV的影響，選擇不同直徑的漆包線制成絞線試樣，其他條件相同，通過改變方波脈沖電壓頻率，對(duì)絞線試樣的PDIV進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 不同直徑耐電暈漆包線在不同頻率方波脈沖下的PDIV測(cè)試結(jié)果 (單位：V)Tab.2 PDIV test results of corona-resistant enameled wires with different diameters under different frequency square wave pulses

從表2可以得出，對(duì)于同一直徑的試樣，當(dāng)方波脈沖電壓頻率改變時(shí)，PDIV隨頻率升高呈下降趨勢(shì)，說明隨著方波脈沖頻率的升高，漆包線更容易在較低方波脈沖電壓下發(fā)生局部放電。對(duì)于不同直徑的試樣，當(dāng)方波脈沖電壓頻率相同時(shí)，PDIV隨直徑增加而呈上升趨勢(shì)。這說明漆包線絕緣的厚度會(huì)影響PDIV，絕緣越厚的試樣PDIV越大。與文獻(xiàn)[4]中使用紫外光譜儀測(cè)試的結(jié)果相比，本研究測(cè)試結(jié)果整體趨勢(shì)與其相同。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的PDIV自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)采用高頻電流法檢測(cè)耐電暈漆包線PDIV，經(jīng)過大量的試驗(yàn)測(cè)試，證明該測(cè)試系統(tǒng)可以高效、準(zhǔn)確地檢測(cè)耐電暈漆包線的PDIV。

方波脈沖頻率會(huì)影響耐電暈漆包線的PDIV，漆包線的PDIV隨方波脈沖頻率的升高呈下降趨勢(shì)；漆包線的絕緣厚度也會(huì)影響其PDIV，漆包線的PDIV隨絕緣厚度的增加呈上升趨勢(shì)。