變頻器供電對電廠電機絕緣狀態的影響研究

韓劍波 劉 鎏 張建建 秦 越 李 朋

（中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都610213）

0 引言

在電廠中，電機常作為泵類或風機類設備的動力源，其可靠工作是保障電廠正常運行必不可缺的要素之一。隨著電力電子技術快速發展，采用變頻器給電機供電具有優良的調速性能（調速范圍寬、效率高、精度高、動態響應迅速等）、可實現電機軟啟動（啟動電流小、可減小啟動過程中對其他電氣設備的干擾）等優點，使得在越來越多的電廠中采用變頻器給電機供電。

目前，電廠中常規中、低壓電機設備多為工頻交流電機，其絕緣結構一般按照常規交流電機設計，如果設計之初并未考慮其長時間承受變頻電壓的能力，而直接采用變頻器供電，雖然可獲得良好的電氣性能，但也必定會給電機絕緣系統帶來不同于工頻電壓供電時的影響。利用變頻器啟動或控制電廠電機設備雖然可獲得良好的電氣性能，但是變頻器供電給電機絕緣帶來的影響與工頻供電相比有著本質區別。因此，針對變頻器供電時電機的絕緣劣化機理，分析變頻器供電對絕緣系統的具體影響，提高電機絕緣狀態判斷的準確性，并提出針對性的絕緣系統保護措施，對保障變頻器供電時電機設備的運行可靠性具有十分重要的意義。

1 變頻器器供電對電機絕緣的具體影響

目前，市面上變頻器大多采用脈寬調制技術，其輸出的PWM波形電壓對電機繞組絕緣的影響不同于正弦交流電壓，會制約電機的絕緣可靠性[1]。為了解變頻器供電時可能對電機絕緣性能帶來的具體影響，需考慮電廠電機設備的特殊工作環境，分析變頻器供電下電機的絕緣劣化機理，現主要從介電應力、匝間絕緣、損耗及局部放電四個方面展開分析。

1.1 介電應力

變頻器通過電力電子開關器件產生重復脈沖電壓波形，開關器件的快速開關動作使得輸出的電壓在上升沿和下降沿變化率很高，會導致在電機繞組線圈產生極高的尖峰過電壓[2]。為了分析變頻器供電時電機主絕緣所承受的實際介電應力，選擇額定電壓為380V的工頻交流電機，在試驗前已驗證電機絕緣性能良好，通過對試驗電機一相繞組首端上施加380 V重復脈沖電壓，分別測量沿繞組各個線圈的對地電壓分布，測試結果如圖1所示。

圖1 變頻器供電電機對地電壓分布

從圖1中可知，在重復脈沖電壓下電機線圈對地電壓峰值最大接近500V，高于電機繞組所施加脈沖電壓峰值約32%，明顯高于由相同電壓等級下的正弦工頻電壓供電時電機絕緣系統所承受的介電應力。

此外，在電廠中若工藝設備和電氣設備布置于不同的廠房，不可避免會使變頻器和所驅動電機之間的電纜過長，致使電纜有很大的分布電感及電容，從而導致阻抗不匹配[3]，會在電機的接線端產生反射，導致電機端所承受的過電壓進一步增大。供電電纜越長，過電壓的峰值越高。

相對于工頻供電，變頻器供電時電機主絕緣會承受更高的介電應力，加上電機在運行過程中其絕緣系統耐受電壓值也會隨之下降，因此若電機主絕緣所承受電壓超過其實際可耐受電壓值，就會導致變頻器供電時電機繞組絕緣系統發生過早損壞甚至擊穿，影響電機設備的運行壽命。

1.2 匝間絕緣

選擇額定電壓為380 V的工頻交流電機，試驗前已驗證電機絕緣性能良好，電機采用成型繞組結構，每個繞線圈內為8匝扁線繞制，通過對試驗電機一相繞組首端上施加380 V脈沖電壓，分別測量單個線圈內各匝的匝間電壓分布，測試結果如圖2所示。

圖2 變頻器供電電機匝間電壓分布

從圖2可以看出，采用變頻器機供電時，電機繞組匝間絕緣上所承受的匝間電壓呈明顯不均勻分布。其中，首匝線圈的匝間電壓152 V，為最高的匝間電壓值，達到所施加電壓值得40%，相較于工頻電壓供電時的匝間電壓值，增加了約3.2倍。因此，變頻器給電機供電時，會導致電機繞組線圈首匝或首匝附件線圈匝間絕緣承受更高的電壓。

對于低壓工頻交流電機，其正常工作時，電機繞組匝間電壓是均勻分布的，此時繞組線圈匝間電壓分布與額定工作電壓成正比，與繞組匝數成反比，一般在幾伏至幾十伏之間，繞組匝間絕緣承受非常小的工頻電壓，因此，交流正弦供電時對電機匝間絕緣的要求相對比較低。而當采用變頻器供電時，匝間絕緣的沖擊遠遠超過同電壓等級的工頻正弦電壓，匝間絕緣故障也成為變頻器供電時電機發生絕緣過早失效的主要原因之一。

若電機匝間絕緣設計之初并未考慮承受脈沖過電壓，而當電機繞組匝間絕緣耐受值低于可能出現最大沖擊過電壓值，必然會導致電機繞組匝間發生局部絕緣擊穿，若未及時檢修或處理，匝間絕緣故障持續加深必定會影響電機的正常運行。

1.3 損耗

高頻重復脈沖電壓會在電機繞組終端產生高次諧波電壓，這些諧波會在電機中產生諧波電流，高次諧波電壓及電流會使電機繞組中產生的鐵損、銅損、介質損耗以及機械損耗的增加，損耗主要轉變成熱能，損耗增加會導致電機運行溫度的增加，會加劇電機絕緣系統的熱老化過程。

1.4 局部放電

變頻器輸出的重復脈沖電壓會產生波前時間極短且電壓極高的交變尖峰電壓，會使得因電容充放電現象而引起空間電荷積累，導致在絕緣材料中出現局部放電現象。同時，重復脈沖電壓會使電機絕緣承受幅值更大、頻率更高的介電應力，不可避免會加劇電機繞組絕緣系統的局部放電現象[4]。相較于工頻交流電壓，變頻器供電下的重復脈沖電壓更易引發絕緣材料中出現電樹枝和促進電樹枝生長，當電機繞組所承受極高頻率脈沖電壓時，絕緣系統中更容易出現電樹枝，進而形成絕緣局部擊穿通道，降低絕緣的耐受能力[5]。

2 電機絕緣狀態評估方法

變頻器供電時會給電機設備絕緣產生較大的影響，不同程度的絕緣劣化現象所體現出來的絕緣參量變化趨勢及程度并不唯一，不同絕緣參量所反映出的絕緣劣化狀態也并不相同。為準確掌握變頻器供電時對電機絕緣的影響程度，可結合多個絕緣參量來綜合判斷變頻器供電時電機繞組絕緣系統的劣化程度，以提高對絕緣狀態評定結果的準確性。通過各絕緣參數的相對變化值，并經過歸一化處理后，綜合評估變頻器供電時電機的絕緣狀態，評估方法如圖3所示。

圖3 電機絕緣狀態評估方法

對于絕緣參量的選擇應既能反映絕緣系統的真實狀態，又不會因為參數檢測對電機產生破壞性的影響，根據變頻器供電時對電機絕緣的具體影響及絕緣劣化機理，選擇的絕緣參量主要包括：絕緣電阻（吸收比及極化指數）、介質損耗因數、局部放電起始電壓、脈沖電壓下響應波形面積不重合率。

2.1 絕緣電阻

絕緣電阻用于表征絕緣體阻止電流通過的能力，通過絕緣電阻值可得到電機絕緣的吸收比（KI=R60s/R15s）和極化指數（PI=R10min/R1min）。當電機絕緣系統出現電導性缺陷或老化現象、受潮或者表面泄露時，絕緣系統的電氣性能會出現下降，都將會使流過絕緣系統的泄露電流明顯增大，進而體現在絕緣電阻、吸收比和極化指數值會明顯降低。因此，絕緣電阻（吸收比及極化指數）可作為反映變頻器供電時電機的絕緣劣化程度的參數之一。

2.2 介質損耗因數

電機絕緣系統的受潮、臟污、分層和斷裂等會使得絕緣系統的介質損耗增加，導致絕緣電氣性能下降，其介質損耗因數（及其增量）會迅速增加。因此，介質損耗因數（及其增量）可反映電機絕緣系統的劣化度，反映絕緣系統中的缺陷。因此，可通過介質損耗因數作為反映電機絕緣整體性劣化程度的參量。

一般來說，僅中壓及高壓電氣設備將介質損耗因數作為評估其絕緣性能的必要參數，但隨著電廠低壓電氣設備功率等級越來越高，對于大功率低壓電氣設備介質損耗因數也是一個非常重要的絕緣參數，可作為反映變頻電壓下電機的絕緣劣化度的參數之一。

2.3 局部放電起始電壓

電機絕緣系統的局部放電現象會引起絕緣材料表面和內部產生局部性缺陷，在最初出現這種局部缺陷時絕緣系統大概率不會發生完全性的絕緣擊穿，發生局部放電時電機的絕緣性能仍然存在；但隨著絕緣材料中的局部放電現象持續加深，不可避免會造成絕緣材料進一步被腐蝕、損壞，造成電機的絕緣強度下降，加劇絕緣系統的劣化過程，甚至引發整個絕緣發生貫穿性擊穿，嚴重影響電機的絕緣壽命及運行可靠性。

當電機在脈沖電應力作用下發生了局部放電現象，而隨著電機絕緣材料的劣化程度加深，腐蝕的范圍擴大、程度加深，局部放電現象將更容易發生，局部放電起始電壓會呈明顯下降的趨勢。所以，可通過局部放電起始電壓的大小及其變化趨勢反映電機的絕緣缺陷，表征電機絕緣系統的局部劣化狀態[6]。

2.4 脈沖電壓下響應波形面積不重合率

采用變頻器給電機設備供電時，重復脈沖電壓的沖擊電應力，導致匝間絕緣故障成為變頻電壓下電機絕緣過早失效的主要原因之一。當電機繞組發生匝間絕緣故障時，會導致繞組線圈的電感、電容和電阻的發生變化（如匝間短路會導致繞組線圈形成短路匝），進而體現在繞組線圈的阻抗特性會發生明顯變化。通過向電機繞組施加短時單脈沖電壓時（非破壞性），發生匝間絕緣故障的電機繞組，其阻抗特性變化，會使在脈沖電壓下的響應波形頻率和衰減速率也隨之發生變化，導致響應波形發生明顯改變，響應波形不同于未發生絕緣故障的正常電機繞組。因此，可通過計算脈沖電壓下響應波形的面積不重合率來評估變頻電壓下的電機匝間絕緣的劣化程度。

結合所選擇各絕緣參量所表征的電機絕緣系統劣化機理，并通過對比分析電機出廠、運行過程中及失效后的絕緣參數變化趨勢，提出一種變頻器供電時電機絕緣狀態判斷閾值表，如表1所示。

通過圖3所示的絕緣狀態評估方法，將電機運行過程中的絕緣參量值與各絕緣參量出廠值相比較，結合表1提出的量化評估閾值，以此通過多種絕緣參量綜合評估變頻器供電時電機的具體絕緣狀態，根據綜合評估結果判斷電機是否繼續投運還是應該返廠維修，及時進行維修和更換存在較大隱患的電機，以盡可能在電機發生絕緣擊穿之前開展維修，避免出現運行事故。

表1 電機絕緣狀態判斷閾值

3 電機絕緣保護措施

變頻器供電時，電機繞組絕緣所承受的介電應力主要取決于所承受脈沖電壓的幅值、du/dt、頻率以及連接電纜長度、電機繞組結構等。因此，可以主要從以下幾個方面進行考慮，以降低變頻器供電時對電機絕緣的劣化影響。

3.1 降低變頻器輸出脈沖電壓的變化率

變頻器輸出脈沖電壓波形上升時間越短，會導致電機匝間絕緣過電壓沖擊越大，匝間絕緣壽命越短。因此，通過增加變頻器輸出脈沖電壓的上升沿/下降沿時間，降低電壓變化率，可以極大地改善電機繞組的匝間電壓分布，降低匝間絕緣所承受的最大電壓。進一步的，可通過加裝濾波器，將脈沖電壓轉變近似正弦的電壓，并降低電壓的高頻諧波，降低電機絕緣所承受的過電壓[7]，提高電機的絕緣壽命。

3.2 降低電纜長度

可通過調整變頻器供電時變頻器與電機的設備布置方案，盡量減小電機和變頻器之間的電纜長度，以減小電纜的分布電感和分布電容，降低了阻抗不匹配，以降低電機絕緣所承受的過電壓。

3.3 增強對電機的散熱能力

采用變頻器供電的電機設備盡可能采用水冷等高效率冷卻方式，可以在很大程度上減小變頻器供電時對電機溫升的影響，減緩變頻器供電時高頻電壓導致電機絕緣損耗的增大，減緩電機絕緣系統的熱老化過程。

3.4 采用成型或半成型繞組絕緣結構設計

中、小功率低壓交流電機繞組多采用散嵌繞組結構，其匝間絕緣主要來自于電磁線自身的絕緣（如漆包線漆膜、玻璃絲包線外包玻璃絲或者薄膜繞包線外包薄膜），其匝間絕緣耐受電壓一般都較低，變頻器供電時過高的沖擊電壓使得電機匝間絕緣極易發生破壞。而如果在設計之初考慮變頻器供電對電機設備絕緣系統的具體影響，采用成型繞組或半成型繞組絕緣結構設計，選用具有高性能抗電暈的電磁線，以大幅度提升電機匝間絕緣和主絕緣耐受電壓，保證由變頻器供電時，其絕緣耐受電壓遠高于電機正常運行過程可能出現的最大過電壓值，可極大地降低電機發生過早絕緣損壞的概率。

3.5 采用真空壓力浸漬工藝

由于電機絕緣系統存在氣隙或局部缺陷，加之變頻器供電時過高的沖擊電壓，電機絕緣系統頻繁發生的局部放電現象會導致電機絕緣系統的過早劣化。針對此類電機的絕緣系統，可采用真空壓力浸漬工藝，通過絕緣浸漬處理把絕緣內的揮發物和氣體全部抽出來，然后通過絕緣漆或膠把氣隙堵滿，使其黏結成一個不含空氣氣隙的緊密整體，降低電機發生局部放電的概率，延長脈沖電壓下電機的絕緣壽命[8]。

4 總結與展望

變頻器給電機設備供電時，其輸出的重復脈沖電壓對電機絕緣系統的影響不同于工頻正弦交流電壓，不可避免會制約電機的絕緣系統運行可靠性。本文通過試驗，并結合電廠電機設備的特殊工作環境及電機絕緣劣化機理，深入分析了變頻器供電時對電廠電機設備絕緣系統的具體影響。提出一種變頻器供電時電機絕緣狀態評估方法，通過多種絕緣參量的綜合評估，可提高變頻器供電時對電機絕緣狀態判斷的準確性。在了解電機的真實絕緣狀態基礎上，判斷電機的下一步工作狀態，以避免電機絕緣發生過早失效。同時，提出了多種變頻器供電時減低電機絕緣劣化程度的改進措施，以保障電廠電機的運行可靠性。