變頻電機用漆包線耐電暈電、熱老化性能的分析研究

作者/王湄，福建省產品質量檢驗研究院

變頻電機用漆包線耐電暈電、熱老化性能的分析研究

作者/王湄，福建省產品質量檢驗研究院

伴隨著變頻電機的廣泛使用，變頻電機用漆包線的耐電暈性能也受到越來越多的關注。文章闡述了漆包線耐電暈性能在變頻電機中的重要性，介紹了耐電暈性能檢測涉及的各個參數，并分析了電、熱老化對漆包線所造成的損害機理。

漆包線；耐電暈；老化性能

自上個世紀80年代提出脈寬調制（PWM）的基本原理之后，PWM技術在全控型電子器件的帶動下得到迅速發展，而電機交流調試技術也在PWM技術的發展之下得到飛躍的進步。

眾所周知，電機是最普遍的電器元部件，在生產和生活中的應用都極為廣泛，隨處可見，大到重型工程器械，小到兒童的玩具小車都有電機的影子。近年來，變頻類電器更是成為市場上的寵兒，廣受消費者的歡迎。但是當普通電機安裝上PWM變頻器之后，效果卻沒有預料的那樣給人帶來驚喜，很多裝上變頻器的電機僅僅使用了幾個月之后就壽終正寢，而傳統的工頻交流電機的使用壽命可達幾年甚至是十幾年。研究表明，局部放電就是造成變頻電機使用壽命短暫的元兇。局部放電是指當外加電壓在電氣設備中產生的場強，足以使絕緣部分區域發生放電，但在放單區域內未形成固定放電通道的放電現象。當絕緣發生局部放電是就會影響絕緣壽命。每次放電，高能量的電子或加速電子的沖擊，特別是長期局部放電作用都會引起多種形式的物理效應和化學反應，如帶電質點撞擊氣泡外壁時，就可能打斷絕緣的化學鍵而發生裂解，破壞絕緣的分子結構，造成絕緣裂化，加速絕緣損壞過程。

變頻電源系統工作時所產生的脈沖高頻電壓使電動機發生電暈，引起局部放電、介質發熱、導致有機高分廣絕緣材料裂解，進而導致變頻電機絕緣損壞。具體來講，變頻調速系統是由變頻器、電纜和電機組成的。變頻器的核心控制部件有BJT（雙極晶體管）、IGBT（絕緣柵）等多種類型，其中IGBT具有驅動簡單、易于保護和高速開關等優點。IGBT的高開關速度建立在快導通和快關斷的基礎上，最高可達30-40kHz，正常工作情況下為20kHz。變頻器的輸出波形是具有徒上升沿和徒下降沿（0.1-0.51AS）的脈沖波，正是由于這種脈沖電壓不同于工頻正弦電壓，從而對變頻電機絕緣的工作環境造成了一系列的影響。

當變頻器將工頻正弦波轉化成脈沖波以后，該列脈沖波從變頻器通過電纜傳到電機的接線端，由于電纜與電機之間的阻抗不匹配將產生反射波。反射波反饋又產生二次反射，二次反射波與原始脈沖電壓波疊加，當疊加的脈沖電壓傳輸到電機時，就會產生一個尖峰電壓。尖峰電壓的大小取決于電纜的長度和脈沖電壓的上升沿時間。通常電纜長度夕加時，電線兩端都產生過電壓，電機端的過電壓副值隨電纜長度增加而增加。

當變頻電機的絕緣線圈中通過脈沖電流時，短上升沿時間的脈沖波引起電壓在線圈中的分布不均。在模擬電動機定子繞組上進行了電壓波形的測量，表明在電動機定子繞組的首端幾匝上承擔了約80%過電壓副值，這樣繞組首匝處承受的匝間電壓超過工頻交流電壓條件下平均匝間電壓的10倍以，雖然仍遠低于絕緣的擊穿電壓（變頻導線可耐受工頻電壓13000V），但是已經超過了局部放電起始電壓。可見局部放電是造成變頻電機絕緣過早破壞的主要原因，而介質損耗發熱、空間電荷、電磁激振以及振動等多種因素的存在加速了材料的老化過程。

變頻調速系統的心臟部位就是變頻電機，變頻電機的使用壽命長短以及它的運行是否穩定安全都決定了整個變頻調速是否能安全運行。而變頻漆包線所組成的內部繞組則是電機實現變頻的關鍵部位，為了避免變頻電機出現壽命短、易被擊穿的現象，漆包繞組線不僅需要具備良好的機械性能、熱性能、電性能，還要具備優良的耐電暈性能。因此要想提高變頻電機的使用壽命，其元部件漆包線的耐電暈性能是關鍵。但是變頻調試裝置充電后的脈沖波，其高聳的脈沖電壓、陡峭的上升沿和很高的脈沖頻率，還有局部放電和局部介電加熱等因素對漆包線的使用壽命都是很大的挑戰。在這種環境下，研究人員研制出了一種新式的變頻漆包線，也就是能夠抗電暈的耐電暈漆包線。變頻電機、起重電機、調速電機都廣泛使用此類耐電暈漆包線。

與傳統的機械變速和直流變速電機相比，變頻電機的供電電壓頻率高、上升沿短且是雙極性脈沖電波，這就使變頻電機在運行過程中要承受高頻率脈沖電壓的不斷沖擊，且會在工程中出現大的噪音和振動，也會有比較大的軸承機械磨損。且在脈沖電源下，電機中變頻漆包繞組的運行環境更加惡劣，漆包線的絕緣遭受各種損害老化而喪失作用，致使變頻電機使用壽命減短。這種老化的機理同交流工頻電壓下電機運作的機理完全不同，可說是十分復雜，因為在脈沖電壓所產生的磁場電場交叉作用下，會產生多種物理和化學反應，且各反應之間相互影響相互疊加，造成了這種絕緣老化的繁雜性。但歸根結底來說，老化的機理都可從電老化和熱老化來進行分析。

（1）電老化。上文已經提到，在雙極性高頻脈沖電壓的沖擊下，變頻電機的漆包繞組匝間易出現局部放電現象。局部放電就是引起各類物理和化學反應的重要因素，而電暈就是帶電體表面在氣體或液體介質中局部放電的現象，常發生在不均勻電場中電場強度很高的區域內（例如高壓導線的周圍，帶電體的尖端附近）。其特點是出現與日暈相似的光層，發出“嗤嗤”的聲音，產生臭氧、氧化氮等。電暈是極不均勻電場中所特有的電子崩—流柱形式的穩定放電。不均勻.電場的差別就在于空氣間隙內，各點的電場強度不均勻，在電力線比較集中的電極附近，電場強度最大，而電力線疏的地方，電場強度很小。通常均將空氣視為非導體，但空氣中含有少數由宇宙線照射而產生的離子，帶正電的導體會吸引周圍空氣中的負離子而自行徐徐中和。當加上高壓后，會在電機附近產生空氣的局部放電—電暈放電，電壓再加高時，電暈放電更加強烈，致使間隙內發生刷狀、火花放電，最后導致電弧放電（擊穿）。因空氣分子在碰撞時會發光，故電暈時在導體間斷處可見亮光。這種電離子不斷地侵蝕漆包繞組線的絕緣，加速了絕緣的老化過程，而PMW整流技術的高速導通和關斷動作，使繞組線端被瞬間加載雙極性對稱高頻脈沖方波而出現的尖峰過電壓不斷擊中，絕緣被過度損耗。

（2）熱老化。電機內部漆包繞組線所安裝的位置空間十分有限，而激烈的電磁場活動必定使內部稀少的空氣溫度越來越高，受熱膨脹的空氣又使內部空間逐漸變小，如此循環往復，繞線組絕緣長期在這樣的高溫環境下作業，老化速度也隨之加快，容易過早失效而加速被擊穿。

另外，電老化的過程中也會加速熱老化進程，而熱老化也會使電老化加劇，二者相互影響相互促進。總之，變頻電機用耐電暈漆包線的絕緣就在這循環往復的電老化和熱老化的作用下被快速老化，使用的時間越長，絕緣的電性能、熱性能都每況愈下，使用壽命不斷減短，惡性循環，這是造成變頻電機使用壽命不長最重要的原因。因此，在對耐電暈漆包線進行耐電暈性能的檢測時，一般都通過電、熱老化效應的相輔相成來進行衡量。

根據變頻電機所使用的裝置電源，一般漆包線耐電暈性能的檢測涉及到以下幾個變量。

（1）脈沖波形：脈沖波是一種間斷的持續時間極短的突然發生的電信號。凡是斷續出現的電壓或電流成為脈沖電壓或電流，電信波形除了正弦波和若干個正弦分量合成的連續波形以外，都可以稱為脈沖波。常見的脈沖波形有：方形波、矩形波、鋸齒波、尖峰波、三角波、梯形波。而變頻電機中一般所使用的為雙極性對稱性脈沖方波。

（2）頻率：一個周期內的重復次數，或每秒的周波數。

（3）脈沖電源：按照一定的時間規律，向負載加電一定的時間，然后又斷電一定的時間，通斷一次形成一個周期，如此反復執行，便構成脈沖電源。

（4）脈沖上升時間：由零電位開始施加電壓到指定的電壓值，電壓上升過程成為上升沿，一般指從脈沖幅度的10%處上升到幅度的90%處所需的時間。這個過程是電壓增大的過程。對于雙極性而言，3000V實際是由電壓±1500V兩次沖擊，上升沿以零電位至峰值計算。

（5）占空比：高電平所占周期時間與整個周期時間的比值。在一串理想的脈沖系列（如方波），正脈沖的持續時間與脈沖總周期的比值。

對于變頻電機用漆包線都要滿足在高頻脈沖下的性能測試，其主要測試原理為：在一定的測試溫度下，給待測試樣施加雙極性定值高頻方波電壓，在此電壓波形的一個周期內，包括了一個正電平、一個負電平、一個電壓上升、一個電壓下降；在此條件下測試制成絞線對形式的試樣，直至其破壞、擊穿，具體為通過下述規定參數測試條件下的壽命應不小于一定的電暈時間。

變頻電機用耐電暈漆包線是新發展起來的新品種，國內外各廠家近年來都在大力開發各種類型的耐電暈漆包線。漆包線耐電暈性能直接影響到了變頻電機的壽命，只有良好的耐電暈漆包線，才能使整機的使用達到安全、高效、耐用等指標。對于漆包線的耐電暈測試技術包括測試溫度、測試頻率、測試電壓、脈沖上升時間、波形結構等要素及其機理要深入研究才能制造出性能優良的產品。變頻漆包線的耐電暈性能是變頻電機能否長期完好安全運行的保證，作為長期在高電場下工作的元件，檢測漆包線的耐電暈性能高低有著重要的意義。市場上的耐電暈漆包線產品種類繁雜，耐電暈性能可能千差萬別。目前針對漆包線耐電暈性能的國標尚未出臺，這在產品質量的監管上存在漏洞，希望有關方面要加快國標的制定和推行，讓該類產品的檢測有據可依。

* [1]劉電霆，張聲嵐，錢三來等.變頻電機絕緣材料失效主要因素與壽命評估方法[J].絕緣材料，2011,44（5）:55-58.