耐電暈漆包線最大脈沖電壓評估方法研究

徐樂，張立彥，于偉莉，李明哲

（珠海格力電工有限公司，廣東 珠海 519100）

0 引言

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，基于脈寬調(diào)制（pulse width modulation，PWM）的變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)因其能效高、可控性強(qiáng)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)而在交流變速、家電、軍工、新能源主驅(qū)電機(jī)有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。但是連接變頻電機(jī)與供電電源的線纜間會(huì)產(chǎn)生波反射和折射，從而在變頻電機(jī)入口產(chǎn)生極高的過電壓，導(dǎo)致絕緣材料的電老化和熱老化加劇，縮短變頻電機(jī)的使用壽命[4]。

ⅠEC 60034中明確規(guī)定，在電機(jī)投運(yùn)前，應(yīng)采用重復(fù)方波或正弦電壓對Ⅰ類和Ⅱ類變頻電機(jī)的匝間絕緣分別進(jìn)行局部放電起始電壓（partial discharge inception voltage，PDⅠV）、重復(fù)局部放電起始電壓（repetitive partial discharge inception voltage，RPDⅠV）和耐電暈性能測試，作為評估電機(jī)絕緣性能的依據(jù)[5-6]。在耐電暈測試過程中，利用耐電暈測試儀器的參數(shù)（如脈沖電壓、頻率、溫度、上升沿時(shí)間、上升沿調(diào)節(jié)、占空比等）模擬變頻電機(jī)運(yùn)行的實(shí)際條件，用耐電暈時(shí)間長短間接表征耐電暈漆包線的使用壽命[7-8]。

研究表明，升高脈沖電壓能夠明顯縮短漆包線的耐電暈時(shí)間[9]。隨著碳化硅等新型電力電子器件的應(yīng)用，變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)展趨勢將會(huì)是使用更高頻率、更短上升時(shí)間的PWM脈沖波形。因此，本文在特定的高頻陡脈沖條件下，研究脈沖電壓對電機(jī)絕緣壽命的影響規(guī)律，為評估電機(jī)絕緣性能提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

底漆為某公司生產(chǎn)的耐電暈聚酯亞胺絕緣漆，表漆為某公司生產(chǎn)的耐電暈聚酰胺酰亞胺絕緣漆，其中底漆和表漆中分別加入含量為5%的納米二氧化硅（粒徑大小為20 nm），銅材為某公司生產(chǎn)的低氧銅桿。

1.2 耐電暈漆包線生產(chǎn)工藝

耐電暈漆包線的生產(chǎn)設(shè)備為無錫梅達(dá)有限公司生產(chǎn)的臥式漆包機(jī)，低氧銅桿經(jīng)聯(lián)拉、退火、清潔、烘干、涂漆、固化、冷卻等工藝后，制備導(dǎo)體標(biāo)稱直徑為0.60 mm的耐電暈漆包線，漆膜厚度為74 μm。其中耐電暈漆包線的主要工藝參數(shù)為：底漆與表漆的厚度約為37 μm，固化溫度為（630±10）℃，收線速度為80 m/min。

1.3 測試方法

耐電暈時(shí)間測試示意圖如圖1所示，將上述耐電暈漆包線作為待測試樣，參考GB/T 4074.5—2008中關(guān)于擊穿電壓的測試方法制備試樣，耐電暈測試方法參考GB/T 4074.21—2018，其中耐電暈測試條件的主要參數(shù)如下：溫度為155℃，頻率為20 kHz，上升沿時(shí)間為100 ns，占空比為50%。

圖1 耐電暈時(shí)間測試示意圖Fig.1 Schematic illustration of corona resistance time test

2 結(jié)果與討論

2.1 電暈失效機(jī)理

漆包線在通入高頻變化電壓工作時(shí)，其表面和導(dǎo)線內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生不均勻電場，在不均勻的強(qiáng)電場作用下，曲率半徑小的導(dǎo)體電極對周圍氣體放電，會(huì)導(dǎo)致氣體局部游離，這種現(xiàn)象稱為電暈。游離后的離子、電子又沖擊高分子鏈，加上放電產(chǎn)生的臭氧的作用和局部發(fā)熱現(xiàn)象，將使漆膜表面高分子材料產(chǎn)生裂解并導(dǎo)致變脆以至龜裂，最終導(dǎo)致絕緣漆膜擊穿，漆包線漆膜抵抗電暈作用而保持使用特性的能力稱為耐電暈性[10]，耐電暈時(shí)間為耐電暈性的重要參考指標(biāo)。

2.2 耐電暈時(shí)間

以導(dǎo)體直徑為0.60 mm的漆包線為例，分別測試試樣在不同脈沖電壓（Up）下的耐電暈時(shí)間（T），結(jié)果如表1所示。

表1 不同脈沖電壓下試樣的耐電暈時(shí)間Tab.1 Corona resistance time under different impulse voltage

從表1可以看到，耐電暈時(shí)間隨脈沖電壓升高而明顯降低，這是因?yàn)殡S著脈沖電壓的升高，局部放電的重復(fù)率成比例增加，從而使絕緣材料內(nèi)部的局部放電加強(qiáng)，電子或電荷沖擊絕緣材料的強(qiáng)度、次數(shù)增多，使絕緣材料的失效時(shí)間縮短，耐電暈時(shí)間縮短[11]。

2.3 T與Up擬合關(guān)系曲線分析

據(jù)文獻(xiàn)[12]報(bào)道，耐電暈時(shí)間與脈沖電壓成反冪關(guān)系，其關(guān)系式如式（1）所示。

式（1）中，k與n均為常數(shù)。為方便數(shù)據(jù)分析，參考GB/T 4074.21—2018，取最小值及中間值的平均值作為試樣的耐電暈時(shí)間（表2），分別對式（1）兩邊取對數(shù)，經(jīng)線性擬合后，得到T與Up的擬合關(guān)系為式（2）。

進(jìn)一步，分別將Up代入到上述擬合曲線中，得到相應(yīng)的擬合值，并與實(shí)測值對比，如表2所示，可以看到兩者相差不大，證實(shí)擬合曲線具有較好的準(zhǔn)確性。

表2 不同脈沖電壓下試樣耐電暈時(shí)間的實(shí)測值與擬合值Tab.2 The actual measured value and fitting value of corona resistance time under different impulse voltage

但是，當(dāng)Up為3.8 kV時(shí)，多數(shù)通道在Up未達(dá)到3.8 kV時(shí)，個(gè)別試樣已失效擊穿（0.041 h、0.033 h），如表3所示，造成上述現(xiàn)象的主要原因可能是此漆膜厚度下的耐電暈漆包線所能承受的最大脈沖電壓約為3.8 kV。

表3 3.8 kV下各通道的耐電暈時(shí)間Tab.3 Corona resistance time of each channel at 3.8 kV

2.4 最大脈沖電壓的評估方法

因耐電暈時(shí)間T具有實(shí)際物理意義，所以T的取值范圍為T＞0，因此，無論T如何變換，其變換后的形式均大于0，如式（3）所示。

由式（3）可知，Up＜3.806。因此，此規(guī)格的耐電暈漆包線所能承受的最大脈沖電壓約為3.806 kV。此外，分別測試3.85 kV及3.90 kV下試樣的耐電暈時(shí)間，結(jié)果如表4所示。

表4 不同脈沖電壓下試樣的耐電暈時(shí)間Tab.4 Corona resistance time under different impulse voltage

從表4可以看出，與3.80 kV相比，3.85 kV和3.90 kV下所有通道的試樣在測試儀器未達(dá)到脈沖電壓時(shí)幾乎全部擊穿失效（0.041、0.037、0.039、0.035 h），進(jìn)一步證實(shí)此規(guī)格耐電暈漆包線所能承受的最大脈沖電壓約為3.80 kV。

隨著導(dǎo)體標(biāo)稱直徑的增加，漆膜厚度增加，耐電暈漆包線所能承受的脈沖電壓隨之增加。因此該分析過程及方法可廣泛應(yīng)用于評估任意規(guī)格耐電暈漆包線所能承受的最大脈沖電壓，為評估電機(jī)絕緣性能提供了重要參考依據(jù)。

3 結(jié)論

通過研究脈沖電壓對耐電暈時(shí)間的影響規(guī)律，分析得到兩者最優(yōu)擬合關(guān)系符合T=kU-n形式，利用T大于0，可準(zhǔn)確間接求解耐電暈漆包線所能承受的最大沖擊電壓，為評估電機(jī)絕緣性能提供了重要參考依據(jù)。