重復方波極性對聚酰亞胺耐電暈性能影響研究

陳君強，王 鵬，黃 寅，董 涵，顧洋豪

（四川大學 電氣工程學院，四川 成都 610065）

0 引言

由于變頻器與電機阻抗不匹配，脈寬調制（pulse width modulation,PWM）產生的高頻、快速變化的脈沖電壓易在電機端部產生過電壓。同時，在電機的分布參數影響下，具有高頻成分的脈沖電壓在電機繞組內部常分布不均，易造成局部場強集中引起局部放電，導致變頻電機絕緣早期失效現象時有發生[1-4]。模擬變頻電機運行電應力，在重復方波條件下對變頻電機起始放電電壓及耐電暈性能進行測試，是評估變頻電機絕緣結構及絕緣材料的重要手段，對提升變頻電機絕緣系統的可靠性具有重要意義[5-6]。

聚酰亞胺（polyimide,PI）是綜合性能最佳的有機高分子材料之一，具有較好的力學、耐高溫和耐化學腐蝕性能，被廣泛應用于繞包變頻電機匝間絕緣。然而，受制于現有工藝，在電磁線制作、后期浸漬和烘干過程中，無法完全消除絕緣系統中的氣隙、褶皺等缺陷。當變頻電機繞組處于局部場強中時，缺陷位置更易產生放電（電暈），加速絕緣老化，這是造成變頻電機絕緣早期失效的重要原因[7-8]。據此，高壓電機采用具有耐電暈性能的聚酰亞胺，對提升變頻電機的絕緣性能至關重要。

使用重復方波對應用于變頻電機的絕緣材料進行耐電暈測試時，為得到客觀、有效和分散性小的評估結果，重復脈沖電壓參數的選擇是首先應考慮的問題。研究指出，重復方波上升時間[9-10]、頻率[11]、占空比[12]、對稱性[13]和環境溫度[14-15]對變頻電機耐電暈壽命的影響顯著。文獻[16]分析了方波極性對絞線對PDIV和表面電荷分布的影響，認為極性對PDIV的影響較小。然而，對單極性與雙極性重復方波下變頻電機絕緣的耐電暈壽命對比研究卻鮮有報道。

本文利用極性可控的重復方波耐電暈系統，在峰峰電壓為6 kV、頻率為2 kHz、上升和下降時間為150 ns、占空比為50%的重復方波電壓下，研究方波極性對聚酰亞胺絕緣耐電暈壽命的影響。通過耐電暈試驗過程中的局部放電統計和放電機理分析，對方波極性對耐電暈壽命的影響規律進行機理解釋。研究結果有望為變頻電機絕緣耐電暈測試中方波電壓波形的選擇提供實驗和理論依據。

1 方波耐電暈測試系統的搭建

1.1 重復方波發生器

高壓方波發生器主電路拓撲結構如圖1所示。電路包含可分別產生可調正極性和負極性高壓的直流電源+HV和-HV、高壓儲能電容CB1和CB2、起限流和控制波形邊沿時間的正向和反向充電電阻R1和R2，以及高壓固態開關S和容性負載CX。

圖1 重復方波發生器電路拓撲圖Fig.1 Topological graph of repetitive square wave generator circuit

1.2 重復方波耐電暈測試系統設計

重復方波耐電暈測試系統如圖2所示，采用具有快速響應以及抗干擾能力的現場可編程邏輯門陣列（FPGA）作為本系統的核心控制模塊，其主要功能為：①控制數模轉換（DA）模塊產生高壓固態開關S所需的TTL觸發信號；②與外部指示與控制面板產生通訊信號，控制整個系統的啟停、運行狀態指示以及擊穿自動計時；③控制正、負高壓輸入回路上真空繼電器的通斷，以控制輸出高壓方波的極性；④通過霍爾傳感器，采集負載輸出線路上的電流信號，轉換為電壓模擬量后經模數轉換（AD）模塊輸入FPGA進行處理，以實現短路瞬間的過流保護動作，實現耐電暈測試系統的過流保護；⑤通過分壓器進行電壓采集并通過電壓轉換電路轉換為FPGA_IO電平，實時判斷輸出方波狀態，在擊穿短路瞬間形成壓降保護，實現耐電暈測試系統的電壓短路保護。

圖2 重復方波耐電暈測試系統原理圖Fig.2 Schematic of corona resistance test system under repetitive square wave voltages

1.3 耐電暈與局放測試平臺整體框圖

1.3.1 試樣與電極支架

試樣采用PI薄膜，厚度為0.05 mm，尺寸為22 mm×22 mm，放置于恒溫箱內的球-板電極之間，如圖3所示。其中球形電極、平板電極的直徑分別為20 mm、50 mm，材質均為不銹鋼，電極支架采用聚四氟乙烯耐高溫絕緣板制成。由于薄膜表面可能存在灰塵、油污等污漬，采用99.5%無水乙醇擦拭表面，并在40℃恒溫箱內靜置2 h，盡量減小雜質對實驗結果的影響。

圖3 電極與電極支架Fig.3 Electrode and electrode holder

1.3.2 測試系統原理框圖

本實驗平臺輸出的重復方波包含納秒級的上升時間，在電力電子器件快速開斷產生的高頻干擾影響下，傳統應用于正弦電壓下的局部放電測試方法（如高頻電流傳感器、檢測阻抗直接耦合法等）不能應用在重復脈沖電壓下[17]。為提升測試靈敏度，采用定制特高頻天線配以頻域濾波，構成重復方波電壓下的PD測試系統，整個試驗系統原理圖如圖4所示。

圖4 實驗系統原理圖Fig.4 Schematic of experimental system

1.3.3 實驗方法

在正極性、負極性和雙極性重復方波下，固定峰峰值為6 kV、頻率為2 kHz、占空比為50%、上升時間和下降時間為150 ns，設置環境溫度恒定為40℃，對5組PI薄膜試樣進行測試，記錄其耐電暈壽命及PD統計特性，并采用高倍光學顯微鏡觀察記錄擊穿點形態。

2 實驗結果

2.1 局放放電特性

圖5是相同實驗環境下，雙極性、正極性、負極性重復方波下的局部放電譜圖（phase resolved partial discharge，PRPD）。

圖5 重復方波下的PRPD譜圖Fig.5 PRPD under repetitive square wave voltages

從圖5可以看出，放電都集中在方波的上升沿和下降沿處。圖6～8分別為雙極性、正極性和負極性重復方波下上升沿和下降沿處整個耐電暈壽命測試過程的局部放電幅值分布圖?？梢钥闯?種極性方波下的局部放電幅值分布呈相似規律。圖9為不同重復方波極性下上升沿和下降沿處整個耐電暈壽命測試過程中的局部放電幅值箱線圖，其中Dr、Df分別為雙極性上升沿、下降沿；Pr、Pf分別為正極性上升沿、下降沿；Nr、Nf分別為負極性上升沿、下降沿。

圖6 雙極性方波邊沿PD分布圖Fig.6 PD scatters under bipolar square wave voltages

圖7 正極性方波邊沿PD分布圖Fig.7 PD scatters under positive square wave voltages

圖8 負極性方波邊沿PD分布圖Fig.8 PD scatters under negative square wave

圖9 不同極性重復方波下PD幅值Fig.9 PD amplitude under different polarities of repetitive square wave voltage polarities

從圖9可以看出，各極性條件下耐電暈壽命測試過程中PD幅值差異不大，但PD幅值統計分散性存在差異，由大到小順序為正極性、負極性、雙極性，在正極性和負極性方波電壓下，上升沿處PD幅值分散性都大于下降沿處，而雙極性方波下，PD幅值分布較為均勻。

2.2 耐電暈性能

圖10為不同方波極性下耐電暈壽命統計箱線圖。從圖10可以看出，耐電暈壽命主要集中在1 200～1 600 s，3種極性下耐電暈壽命未見明顯差異。但不同方波極性下的耐電暈壽命分散性存在差異，由大到小順序為正極性、負極性、雙極性。由圖9耐電暈過程中的局部放電幅值分散性可知，局部放電幅值分散性可能是影響圖10中耐電暈壽命分散性的主要原因。

圖10 不同極性重復方波下耐電暈壽命箱線圖Fig.10 Box chart of corona resistance life under different polarities of repetitive square wave voltage

2.3 電擊穿點特性

圖11分別為雙極性、正極性和負極性方波下5組擊穿薄膜試樣的典型擊穿圖。

從圖11可以看出，耐電暈老化過程是一個漸進腐蝕的過程，最后均在試樣與電極接觸最緊密處產生擊穿點。雖然擊穿點都為貫穿性，但在負極性和正單極性重復方波條件下，擊穿點附近還存在不規則縱、橫向裂紋，而雙極性下重復方波擊穿點較為規則。

3 分析討論

圖12描述了雙極性和正、負極性重復方波下（假設初始電子已形成）PD發生前后的場強變化過程。其中，電極之間的氣隙場強為E0′(t)，外施場強為E0(t)。對于雙極性重復方波（峰值場強為EP），PD發生前氣隙場強E0′（虛線）等于外施場強E0（實線）。如果外施電壓達到PDIV，并且有初始電子存在[18]，放電發生，電場 E0′下降到殘余電場值 Eres。由于注入的電荷不能快速耗散，由PD積累的表面電荷引起的電場Esc保持不變[19]。當外施電場改變其極性時，氣隙場強E0′隨峰峰場強的增大而增大。由于達到的峰值為（2EP-Eres），大于PD初始激發場強，PD再次發生，E0′再次下降到數值-Eres，直到下一次極性翻轉時刻。

圖12 不同極性重復方波下電場變化過程Fig.12 The changing process of electric field under different polarities of repetitive square wave voltage

在單極性重復方波下，外加電場的峰值大小為雙極性峰值的兩倍，為使PD發生，氣隙場強E0′要大于2EP。當PD發生時，氣隙場強E0′減小為Eres，直到外施電場減小為零。E0′隨外施場變化而變化，當變化值達到2EP時，即使施加的外部電壓為零，也可能發生下一次放電，氣隙場強E0′大小再次降為Eres。

由以上分析可知，對于雙極性和單極性重復方波，Esc與外部施加電場方向始終相同，在每次電壓翻轉時，合成氣隙場強E0′會減小至殘余場強Eres大?。山茷?），因此PD只發生在重復方波的上升沿和下降沿處。由此得出，重復方波峰峰值才是影響PD的主要因素，而變頻電機匝間絕緣的PD是造成電機絕緣早期失效的根本原因[7-8]，所以重復方波極性對變頻電機耐電暈壽命和局部放電特性無明顯影響。

4 結論

利用搭建的重復方波電壓下耐電暈測試系統，對比研究了正極性、負極性和雙極性重復方波電壓下聚酰亞胺的耐電暈性能，得到以下結論：

（1）放電發生后，在電壓極性反轉時的表面電荷作用下，重復方波電壓極性對聚酰亞胺耐電暈性能無顯著影響，重復方波峰峰值才是影響變頻電機耐電暈壽命和局部放電特性的決定因素。

（2）不同方波極性下耐電暈壽命分散性和PRPD譜圖放電幅值分散性呈相似規律，由大到小依次為正極性、負極性、雙極性，局部放電幅值分散性可能是影響耐電暈壽命分散性的主要原因。

（3）在重復方波下執行變頻電機絕緣耐電暈性能測試時，采用相同條件下的雙極性方波有益于減小測試結果的分散性。