耐電暈漆包線局部放電起始電壓自動測試系統設計

劉深圳，梁學昊，李尤鵬，賀慧勇

(1.長沙理工大學 物理與電子科學學院，湖南 長沙 410114;2.近地空間電磁環境監測與建模湖南省普通高校重點實驗室，湖南 長沙 410114；3.長沙湘鴻儀器機械有限公司，湖南 長沙 410002)

0 引言

近年來，隨著脈寬調制（PWM）技術的問世，電機交流調速技術得到了快速發展。變頻電機具有調速性能好、容易啟動、能效高等優勢，在高速鐵路、艦艇驅動、新能源汽車、工業生產等領域得到了廣泛應用[1-3]。

然而，變頻電機通常工作在高頻率、快速變化的重復高頻方波脈沖電壓下，其絕緣系統會遭受更加嚴格的電應力考驗，導致變頻電機的壽命遠小于工作在工頻交流下的壽命[4-5]。研究表明，變頻器與變頻電機的阻抗不匹配會導致電機端部產生過電壓，過電壓在變頻電機的定子繞組中分布不均勻，當過電壓高于局部放電起始電壓時，將可能發生局部放電現象，而局部放電是導致變頻電機絕緣系統提前損壞的主要原因[6-7]。在重復高頻方波脈沖電壓下，局部放電信號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生的強烈電磁干擾中，導致局部放電信號難以提取[8-9]。重復高頻方波脈沖電壓參數較多，如極性、頻率、上升時間、下降時間、占空比等。對于不同重復脈沖電壓參數下的變頻電機絕緣PDIV測試已有文獻報道[10-15]。文獻[10]采用超高頻天線檢測法測試局部放電，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律；文獻[11]設計了局部放電起始電壓與局部放電熄滅電壓的自動測試系統；文獻[12]研究了上升時間對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行漆包線PDIV的檢測，而運用微弱信號檢測和微型控制技術方法的研究卻鮮有報道。為了準確測試PDIV，需要對不同試樣在相同的環境中進行大量的測試，以獲得統計特性。在本團隊研發的耐電暈測試儀的基礎上，設計了一種用于重復高頻方波脈沖下耐電暈漆包線PDIV自動測試系統，可以使用上位機控制耐電暈測試儀的高頻方波脈沖電源實現均勻自動升壓，同時采集局部放電產生的高頻瞬時電流，完成耐電暈漆包線PDIV的快速自動測試。

1 原理及測試系統

1.1 原理

在重復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中會產生瞬時電場，當瞬時電場強度大于局部放電起始電壓下的電場強度時，將出現激發電子崩的初始電子，發生局部放電現象。在漆包線絞線試樣兩端加上高頻方波脈沖電壓時，會在方波脈沖的上升沿和下降沿產生瞬時電流，當方波脈沖電壓小于PDIV時，產生的瞬時電流隨方波脈沖電壓增大而緩慢增加，并且瞬時電流頻率較低；當方波脈沖電壓大于PDIV時，產生的瞬時電流隨方波脈沖電壓的增大而快速增加，并且產生的瞬時電流頻率較高。

對高頻瞬時電流直接進行采樣較為困難，通常需要使用數據采集卡、高頻示波器等昂貴儀器，成本較高，難以應用到工業中。如果能將高頻信號轉化為低頻信號，再進行局部放電信號采樣將會大幅降低采樣難度和成本，本系統使用峰值包絡檢波的方式將局部放電信號轉化為直流信號。首先使用高頻電流傳感器（HFCT）對局部放電產生的瞬時電流進行采集。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為磁導率；N為線圈匝數；h為磁性材料截面高度；D1為磁性材料內直徑；D2為磁性材料外直徑；S為磁性材料橫截面積；l是磁路有效長度，如式（4）所示。

式（4）中，r1、r2分別是磁性材料內半徑、外半徑。

則傳感器響應下限頻率為式（5）。

傳感器響應上限頻率為式（6）。

由于高頻電流傳感器采集到的瞬時電流含有脈沖干擾成分，需要進行濾波處理，使干擾信號衰減。干擾信號頻率越低，局部放電瞬時電流信號頻率就越高，需要使用高通濾波器，并設置合適的截止頻率，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）。

經高通濾波器后干擾信號被衰減，在方波脈沖電壓較低時，經濾波器后的高頻電流信號較弱，無法進行檢波處理，需要對濾波后信號進行放大，使得局部放電信號峰值大于二極管開啟電壓，以達到可以進行檢波的條件。對高頻電流信號放大后，通過檢波的方式將高頻信號轉換為低頻信號再進行采樣。

二極管峰值檢波電路如圖3所示，該電路具有電路簡單、易于實現的優點，主要由二極管VD和低通濾波器組成。二極管具有單向導電性，只有在輸入信號電壓大于二極管開啟電壓時才會導通，對電容C3進行充電，當二極管輸入信號電壓小于開啟電壓時，二極管不導通，電容C3放電實現檢波功能。要完成檢波，時間常數（τ）的選擇至關重要，時間常數過大，輸出信號跟不上輸入信號的變化，會產生惰性失真；時間常數過小，高頻紋波變大，輸出信號電壓不能達到輸入信號峰值附近[17]。檢波器時間常數為式（8），高頻電流信號周期?τ?脈沖方波信號周期。

將高頻方波脈沖電源從較低電壓逐漸升高，并對檢波后的局部放電產生的瞬時電流進行采樣，瞬時電流開始較快增加的時刻對應的方波脈沖電壓，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 測試系統

重復高頻方波脈沖下耐電暈漆包線的PDIV測試系統如圖4所示，上位機采用串口控制方波脈沖電源產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電流信號，經過濾波器、放大器、檢波器、A/D轉換電路，然后送入微處理器進行存儲、分析等。方波脈沖電壓每升高一次，進行一次數據采集和存儲，然后由微處理器對數據進行處理并判斷耐電暈漆包線的PDIV，最后將測試結果發送至上位機顯示并保存。

圖4 系統測試框圖Fig.4 System test block diagram

2 漆包線局部放電信號的檢測

2.1 高頻方波脈沖電源參數

高頻方波脈沖電源是局部放電測試系統中的關鍵部分，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和負載Cx組成，IGBT管選取自帶快恢復二極管的型號，分別為Q1、Q2、Q3、Q4；D1、D2、D3、D4為IGBT自帶的快恢復二極管，4個IGBT與負載Cx組成H橋，高壓電容C1與H橋并聯，為負載提供瞬時電流。

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

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

表1 方波脈沖電源參數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

耐電暈漆包線發生局部放電產生的瞬時電流頻率較高，為了提取到高頻電流信號，高頻電流傳感器需要采用導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，負載為33 pF電容試樣時，傳感器輸出波形如圖7(a)所示，相同條件下負載為直徑1.0 mm的漆包線絞線試樣時，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，負載為高壓電容時不會發生局部放電現象，高頻方波脈沖電源陡上升沿和下降沿會對電流傳感器產生較為強烈的干擾，方波脈沖頻率為10 kHz時，干擾頻率為20 kHz。由圖7(b)可知，局部放電產生的高頻電流信號頻率較高，主要在80～140 MHz。采用截止頻率為1 MHz的高通濾波器對20 kHz干擾信號進行抑制，傳感器輸出信號經過濾波器后的波形如圖8所示。由圖8可知，干擾信號被有效抑制。

2.3 放大器和檢波器設計

局部放電產生的高頻電流信號頻率主要在80～140 MHz，頻率較高，普通運算放大器難以滿足需求，需要使用射頻寬帶放大器，本系統使用的射頻放大器帶寬為1 MHz～2 GHz，增益為32 dB。高頻電流信號經過放大后，局部放電信號峰值大于檢波二極管開啟電壓，經檢波器后，將高頻電流信號轉化為低頻信號。

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測試結果

3.1 漆包線絞線試樣制備

本試驗使用的漆包線絞線試樣依據GB/T 4074.7—2009中的規定將樣品制成扭絞線對。取5根長度為40 cm的漆包線，用絞線機加工成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 高頻電流法測試結果

使用高頻電流法測試時，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/下降時間為100 ns。測試試樣為直徑1.12 mm的漆包線，對比試驗使用33 pF高壓電容，不同電壓下的采樣結果如圖9所示。由圖9可知，試樣為高壓電容時，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，傳感器輸出電流在較低電壓時隨方波脈沖電源電壓升高緩慢增加，此時未發生局部放電，在920 V左右時電流開始快速增加，此時發生了局部放電，漆包線絕緣介質內部發生局部擊穿，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PDIV測試結果的影響

局部放電發生在方波脈沖的上升沿和下降沿，在不同頻率的重復高頻方波脈沖條件下，單位時間內發生的放電次數也不同。為了研究不同頻率的方波脈沖對耐電暈漆包線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，對絞線試樣的PDIV進行測試，測試結果如表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測試結果 (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，對于同一直徑的試樣，當方波脈沖電壓頻率改變時，PDIV隨頻率升高呈下降趨勢，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生局部放電。對于不同直徑的試樣，當方波脈沖電壓頻率相同時，PDIV隨直徑增加而呈上升趨勢。這說明漆包線絕緣的厚度會影響PDIV，絕緣越厚的試樣PDIV越大。與文獻[4]中使用紫外光譜儀測試的結果相比，本研究測試結果整體趨勢與其相同。

4 結論

本研究設計的PDIV自動測試系統采用高頻電流法檢測耐電暈漆包線PDIV，經過大量的試驗測試，證明該測試系統可以高效、準確地檢測耐電暈漆包線的PDIV。

方波脈沖頻率會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；漆包線的絕緣厚度也會影響其PDIV，漆包線的PDIV隨絕緣厚度的增加呈上升趨勢。