重復方波參數對變頻電機絕緣放電頻域能量分布影響研究

于超凡，王 鵬，馬世金，李佩宜，Shakeel AKRAM

（四川大學 電氣工程學院，四川 成都 610065）

0 引言

采用脈寬調制（pulse-width modulation，PWM）驅動的變頻電機具有優異的啟動和調速性能，在新能源汽車、高速鐵路和工業生產等領域得到了廣泛應用。與傳統三相交流電機相比，變頻電機工作在電力電子產生的PWM電壓下，受到饋電電纜、變頻器阻抗不匹配等因素影響，電機端部易產生明顯過電壓。當此過電壓在電機繞組中分布不均時，絕緣系統局部承受高頻、快速變化的脈沖電壓沖擊，易發生局部放電，加速絕緣老化，導致絕緣早期失效[1-3]。

低壓散繞電機絕緣系統中含有較多有機材料組分，屬于I型絕緣結構，在電機全生命周期內不應有放電存在，一般出現放電即判定絕緣失效。根據國際電工技術委員會（IEC）相關標準[4]，應聯合采用正弦和重復脈沖對絕緣系統進行局部放電起始電壓（PDIV）測試。并且，電機設計時絕緣系統運行電壓應以較大裕度低于PDIV，以確保在電機服役周期內不產生放電引起的加速老化[5]。可見，PDIV測試是保證低壓散繞變頻電機絕緣系統安全的重要手段。

一般來講，相間絕緣和主絕緣PDIV測試可采用正弦電壓替代重復脈沖。然而，為模擬變頻器產生的PWM電壓在低壓散繞絕緣中的不均勻分布現象，必須采用與變頻器具有相似重復脈沖電壓上升速率（dV/dt）的重復脈沖進行匝間絕緣PDIV測試[6]。測試過程中，應緩慢提升電壓幅值，直至第一個放電出現，以得到激發放電的最小電壓值，即PDIV。

正弦電壓下PDIV測試技術（IEC 60270-2015）在工業界已有成熟應用。然而，模擬PWM電壓的重復脈沖具有較復雜的波形參數，且IEC相關國際標準對測試參數未有明確定義。大量研究表明，在具有短于100 ns上升時間的重復脈沖電壓下進行PDIV測試時，產生重復脈沖電壓的電力電子器件會在時頻域產生與放電信號重合的高頻干擾，此干擾可能會損壞傳感器及弱電處理單元。并且，如采用類似于正弦下直接耦合的測試方法，放電脈沖會淹沒在電力電子開斷干擾中。可見，在強電磁干擾的影響下，正弦電壓下頻帶為500 MHz以下的放電測試技術，已不再適用于高頻、快速變化的重復脈沖電壓下的PDIV測試[7]。

采用電磁檢測方法，可有效提取重復脈沖電壓下放電的更高頻率能量。研究表明，電力電子高頻干擾（脈沖電源干擾）大多分布在500 MHz以下，特高頻測試方法可避開500 MHz以下電力電子開斷干擾的影響，是 IEC 61934-2011、IEC 60034-27-5-2021等標準重點推薦的方法[8]。可見，采用特高頻傳感器提取局部放電頻域能量信號，通過頻域濾波，以500 MHz以上的放電頻域能量識別首次放電出現，對提升測試系統的靈敏度具有重要意義。

然而，受到重復脈沖電壓復雜參數（如幅值、上升時間、頻率、占空比等）的影響，放電特性可能會產生較大變化，特高頻傳感器常不能有效地采集局部放電激發的電磁信號，必須關注脈沖參數對放電頻域能量分布規律的影響，結合天線的工作原理設計并選擇具有合適參數的特高頻傳感器，提升PDIV測試過程中的信噪比和靈敏度。

初步研究表明，dV/dt對變頻電機繞組匝間絕緣放電量、放電次數、放電分布特性影響顯著[9-11]，電壓峰峰值、極性等參數對放電譜圖也有一定影響[12-13]。然而，迄今為止，還未見關于復雜脈沖參數對放電頻域能量分布影響的系統研究。

對此，本研究借助重復脈沖電壓參數可調的高頻脈沖發生器和寬頻帶特高頻傳感器，采用變頻電機匝間絕緣試樣，研究重復脈沖幅值、頻率、占空比、上升時間等PWM關鍵參數對放電頻域能量分布特性的影響，希望能為變頻電機絕緣PDIV測試時特高頻傳感器參數優化、重復脈沖電壓參數的選擇提供實驗及理論參考，進而提升測試靈敏度和信噪比。

1 實驗測試平臺

散繞電機匝間絕緣主要由漆包線組成，雖然生產過程中會進行絕緣真空浸漬處理，但無法完全消除匝間絕緣中存在的氣隙。根據GB/T 4074.5—2008，將長度約為40 cm、耐熱等級為155級（F）的聚氨酯漆包線在絞線機上扭絞成長度約為12.5 cm、漆包線夾角約為60°的絞線對，模擬存在氣隙的變頻電機匝間絕緣[14]，用于重復脈沖電壓下實驗研究低壓變頻電機多點放電電磁波的頻域能量特性。測試前，對絕緣表面進行預處理，使用無水酒精清洗漆包線表面，去除表面可能存在的雜質。然后將試樣放于烘箱中烘焙24 h以消除水分。為排除偶然因素的影響，獲得準確的局部放電統計特性，相同條件下至少測試5個試樣，每個測試條件下，均采集300個周期內的局部放電脈沖，經過傅里葉變換后，對不同測試條件下的局部放電頻譜進行統一繪制，得到放電頻域統計特性。

重復脈沖電壓下絕緣放電測試系統如圖1所示。系統由重復方波高壓電源、高壓探頭、特高頻天線傳感器（VSWR＜2，工作頻帶為0.5～2.0 GHz，能耗低于10%）、示波器（帶寬為2.5 GHz）、溫濕度控制箱、頻域濾波器等組成。重復脈沖電源可產生脈沖幅值為0～20 kV、上升時間為10～600 ns、占空比為1%～99%、頻率為1 Hz～20 kHz的重復脈沖電壓。試樣置于溫濕度控制箱內以保證測試時的溫濕度恒定。特高頻天線置于控制箱外約15 cm處接收放電信號，經過檢波和濾波后輸入至數字示波器通道1，高壓脈沖電源的電壓信號通過1 000∶1、帶寬為50 MHz的高壓探頭分壓后接入通道2作為同步信號。

圖1 重復脈沖電壓下絕緣放電測試系統Fig.1 Insulation discharge test system at repetitive impulsive voltages

2 頻域能量分布測試結果

2.1 占空比對放電頻域能量分布的影響

經初步測試，待測試樣的PDIV約為2.0 kV。因此，為研究占空比對匝間絕緣放電頻域能量分布的影響，固定雙極性重復方波峰峰值為2.4 kV、脈沖上升時間為200 ns、頻率為200 Hz。通過改變重復脈沖發生器的觸發信號得到占空比分別為10%、20%、30%、40%、50%的重復方波。在電壓上升沿處激勵試樣產生放電，采用特高頻傳感器記錄放電脈沖。多次測量得到不同電壓占空比下的放電頻譜如圖2所示。從圖2可以看出，在占空比小于20%時，放電脈沖頻譜主要分布在0.50～1.50 GHz，1.50～2.00 GHz頻段未發現有明顯的能量分布，且0.50～1.00 GHz內的能量占比高于1.00～1.50 GHz的能量占比。隨著測試電壓占空比的增加，放電脈沖在各頻率處的幅值增大，頻譜變寬，當占空比大于20%時，1.50～2.00 GHz開始出現能量分布。

圖2 不同占空比下的局部放電頻譜Fig.2 Partial discharge spectrum with different duty ratio

為定量研究不同頻率區間內放電脈沖頻域能量的變化情況，引入頻域能量積分值Ef如式（1）[15]所示。

式（1）中：fh為不同頻段頻率上限；fl為不同頻段頻率下限；f為頻率；F（f）為局部放電脈沖的傅里葉變換結果。

將放電能量分為低頻E1（0.50～1.00 GHz）、中頻 E2（1.00～1.50 GHz）以 及 高 頻 E3（1.50～2.00 GHz）3個部分。圖3為放電脈沖頻域能量分布圖。從圖3可以看出，在不同占空比下，各頻段能量在放電信號中的占比呈現相同變化規律。放電脈沖頻域能量主要集中在低頻E1，中頻E2有部分能量，高頻E3幾乎沒有能量分布。隨占空比的增大，E1、E2、E3均呈增長趨勢，高頻成分E3的增長速度遠大于E1和E2。

圖3 不同占空比局部放電脈沖頻域能量分布Fig.3 Frequency domain energy distribution of PD pulse voltages with different duty ratio

可見，在進行重復方波電壓下的PDIV測試時，采用50%占空比重復方波，系統能探測到更多的放電頻域能量，有利于提升測試靈敏度。如采用小占空比重復方波電壓（如10%），系統探測到放電能量較小，在設計傳感器時應著重提高傳感器在0.5～1.5 GHz的增益以獲取較多高頻放電能量。

2.2 頻率對放電頻域能量分布的影響

頻率是驅動變頻電機逆變器輸出波形的重要參數，開關頻率提升有利于提升電力電子裝置的能量密度、降低開關損耗和開關噪聲。在進行PDIV測試時，研究方波電壓頻率對放電統計特性的影響較為重要[16-17]。

固定雙極性重復方波電壓峰峰值、上升時間、占空比分別為3.5 kV、600 ns、50%，通過改變重復方波電源的觸發信號得到頻率為50 Hz、1 kHz、2 kHz和5 kHz的重復脈沖。在4種頻率下檢測試樣的放電頻域能量，得到放電頻譜分布如圖4所示。

圖4 不同頻率下的放電頻譜分布Fig.4 Partial discharge spectra at different frequencies

從圖4可以看出，在脈沖電壓頻率為50 Hz時，放電頻域能量分布較廣，能量主要分布在0.50～1.50 GHz，1.50～1.75 GHz具有少量能量，1.75～2.00 GHz幾乎沒有能量分布。隨著脈沖電壓頻率增加，頻譜范圍逐漸變窄。當測試電壓頻率大于1.00 kHz時，1.75～2.00 GHz頻段能量幾乎衰減至0。隨著電壓頻率增加至5.00 kHz，無能量分布的頻段擴大至1.50～2.00 GHz。計算頻域能量Ef，得到放電脈沖頻域能量分布圖，如圖5所示。

圖5表明放電脈沖的頻域能量主要集中在E1和E2，E3內僅分布少量的能量。隨著頻率的增加，E1、E2、E3能量分布均呈減小趨勢，且總體衰減速度近似相等。可見，隨著頻率的增加，在各個頻段放電能量都有所衰減，必然會影響重復方波電壓下PDIV測試的靈敏度。根據放電機理及已有報道[18]，頻率并不直接影響絕緣的PDIV。故低頻和高頻電壓下應得到相似的PDIV，即方波電壓頻率對絕緣實際PDIV影響較小。因此，在進行重復方波電壓下PDIV測試時，采用低頻方波電壓采集局部放電頻域能量，更有利于提升測試靈敏度。

圖5 不同頻率局部放電脈沖頻域能量Fig.5 The energy in frequency domain of PD pulse at different frequencies

2.3 上升時間對局部放電頻域能量分布的影響

上升時間是PWM電壓的重要參數。一方面，上升時間會影響變頻電機端部過電壓及電壓在繞組中的分布特性[19-20]；另一方面，上升時間也受到電力電子功率器件開關特性、外部負載特性等因素影響。在進行PDIV測試時，上升時間是重復方波電壓的重要參數，必須考慮其對PDIV測試過程和測試結果的影響。

固定重復脈沖電壓頻率、幅值、占空比分別為50 Hz、3.5 kV和50%，通過改變高壓電路充放電電阻參數，得到上升時間分別為60、200、500、1 000 ns的重復方波電壓，研究待測試樣在不同電壓上升時間下的頻域能量分布，將不同上升時間下放電頻譜繪制于圖6。由圖6可知，在上升時間較短時，放電脈沖頻譜能量增大，且主要分布在0.50～1.00 GHz和1.00～1.50 GHz，而1.50～2.00 GHz僅有少量能量。隨著測試電壓上升時間的增加，放電脈沖在各頻率處的幅值減小，頻譜范圍變窄。0.50～1.50 GHz的能量占比遠高于1.50～2.00 GHz。

圖6 不同電壓上升時間下的局部放電頻譜Fig.6 Partial discharge spectrum under different voltage rise time

圖7為3個不同頻域能量隨上升時間變化的統計特性。圖7表明，隨著電壓上升時間的增加，各頻段的頻域能量均快速下降。放電脈沖頻域能量E1、E2、E3隨電壓上升時間的增加總體呈減小趨勢，高頻成分E3在500 ns上升時間電壓下迅速衰減，E2的衰減速度和E1的衰減速度幾乎相同，隨著上升時間從60 ns增長至500 ns，頻域能量的衰減速度不斷加快。

圖7 不同電壓上升時間局部放電脈沖頻域能量Fig.7 The energy in frequency domain of PD pulse in different voltage rising time

可見，上升時間對放電信號頻域分布影響顯著，短上升時間激發的放電信號高頻能量較多，采用高頻響應較好的特高頻傳感器易獲取放電能量，發現放電，從而提升測試靈敏度。然而，隨著上升時間的增加，電力電子器件開斷動作也必然產生時頻域幅值增加的干擾，此時，改進高頻成分的傳感器增益性能，也更利于測試信噪比的提升。

2.4 電壓幅值對放電頻域能量分布的影響

固定重復脈沖電壓頻率、上升時間、占空比分別為50 Hz、200 ns和50%，通過改變直流母線電壓，在峰峰值分別為2.0、2.4、2.8、3.2、3.6、4.0 kV的重復脈沖電壓下采集匝間絕緣試樣的放電信號，得到不同電壓峰峰值下放電頻域平均頻譜如圖8所示。

由圖8可知，不同放電幅值下放電能量主要分布在0.50～1.25 GHz和1.50～1.75 GHz。隨著測試電壓幅值增加，放電脈沖在各頻段的幅值增大，頻譜范圍呈變寬趨勢，但在0.50～1.25 GHz頻段的能量占比遠高于1.50～1.75 GHz。因此，僅將頻段能量分為低頻E1（0.50～1.00 GHz）和高頻E2（1.00～2.00 GHz）。

圖8 不同電壓幅值下的放電頻譜分布Fig.8 Partial discharge spectrum under different voltage amplitudes

圖9為頻域能量分布圖。從圖9可以看出，放電脈沖頻域能量E1、E2隨電壓幅值增加呈明顯增長趨勢，且二者的增長速度相近，E1和E2在局部放電能量中所占比例基本保持不變。在電壓達到PDIV時，放電幅值較小，如果傳感器增益較小，首次放電可能會淹沒在背景噪聲或電力電子高頻開斷干擾中，此時需提升傳感器的增益才能探測到首次放電。

圖9 不同電壓幅值局部放電脈沖頻域能量Fig.9 The energy in frequency domain of PD pulse with different voltage amplitude

3 結論

（1）不同的脈沖參數下，放電頻域能量主要集中在0.75 GHz和1.25 GHz附近，特高頻傳感器有效工作頻帶應覆蓋0.5～2.0 GHz。重復方波幅值增加，各頻段內放電脈沖頻域能量增大，PDIV測試時也更易檢測出放電，發現絕緣系統的潛在缺陷。

（2）隨著重復方波電壓占空比在0～50%增加，重復方波上升沿處的放電能量在1.5～2.0 GHz頻段內提升顯著，說明占空比為50%的對稱方波電壓有利于提升重復方波電壓下PDIV測試靈敏度。

（3）重復方波電壓上升時間對整個頻段范圍內放電能量分布影響明顯，高頻成分隨上升時間減小而增加。說明提升0.5～1.5 GHz處的特高頻傳感器增益，結合0.5 GHz下頻率濾波，有利于提升PDIV測試信噪比。

（4）重復方波電壓頻率增加，頻率放電能量減少，說明在進行PDIV測試時，低頻方波更易提升測試信噪比。