油污環境對變頻電機芳綸絕緣PDIV影響研究

陳 林，杜玉春，安笑妍，郭厚霖，董 涵，劉國棟，王 鵬

（1.四川大學 電氣工程學院，四川 成都 610065；2.煙臺民士達特種紙業股份有限公司，山東 煙臺 264006）

0 引言

變頻電機具有優良的調速性能，是新能源汽車的動力來源，也是汽車三大關鍵技術之一。由于功率半導體器件的應用，變頻電機承受高頻、快速變化的脈寬調制（PWM）電壓沖擊。受到容性和感性分布參數的影響，電機端部電壓在繞組中容易產生不均勻分布。當絕緣中電壓超過局部區域空氣擊穿電壓時，便會以高概率出現局部放電，加速絕緣電老化，最終出現早期失效現象[1-5]。同時，脈寬調制技術產生的脈沖電壓和高頻諧振也可能加重電機定子銅耗和鐵耗，提高電機繞組溫升，加速絕緣熱老化，增加了絕緣早期失效概率[6]。

針對以上情況，國際電工技術委員會（IEC）提出了IEC 60034-18-41[7]。標準要求，對低壓散繞電機必須在重復方波和正弦電壓下測試絕緣系統的PDIV，并在電機絕緣設計時，確保PDIV高于電機的額定電壓，且具有一定的安全裕度，以避免電機運行過程中產生局部放電。

間位芳綸紙具有優良的絕緣性能[8]，被廣泛應用在H級和C級絕緣系統的主絕緣中[9]，可提高電機過熱過載能力，減小電機尺寸，大幅提高電機的使用壽命和安全性?？梢?，在變頻電機應力下研究芳綸PDIV特性對評估電機絕緣性能具有重要意義。

因空間和質量限制，提供汽車驅動力的電機向大功率、輕量化方向發展是大勢所趨[10]。然而，將電機的溫升限制在允許范圍內是保證電動汽車正常運行的重要前提，解決電機的散熱問題成為電動汽車發展的重要任務。和傳統水冷相比，油冷可大幅提高冷卻效率[11-12]，已在電動汽車中得到廣泛應用，成為電動汽車發展的重要方向。然而，冷卻油直接通入電機內部，與電機絕緣長期接觸，可能對電機絕緣造成潛在影響[13]。當散熱不均勻時，電機內部可能出現局部油溫過高，使絕緣介質性能下降。因此，油冷電機在應用前需考慮油液環境對其絕緣系統的影響。目前國內外針對油液環境下變頻電機芳綸絕緣紙絕緣特性的研究較少，在不同溫度下研究油液對芳綸紙PDIV的影響，對提高變頻電機絕緣可靠性具有重要的工程意義。

變頻電機絕緣承受高頻脈沖電壓，但脈沖電壓參數較為復雜。一般來講，根據局部放電條件并結合氣體擊穿理論，采用正弦電壓更易得到絕緣起始放電電壓的保守值[14-15]。對此，本文重點研究油污和溫度變化對芳綸保守PDIV的影響，而并不關注PWM電壓下復雜的電壓參數。通過對比同一溫度下有、無油液時PDIV的變化，得出冷卻油液對芳綸紙絕緣性能的影響規律，并分析其可能原因。

1 試驗

1.1 試樣

試樣采用煙臺民士達特種紙業股份有限公司生產的YT510型芳綸紙，其厚度分別為0.22、0.25、0.30 mm，性能參數如表1所示。在一些電動汽車的設計中，其變速箱油在潤滑變速齒輪的同時對電機進行冷卻，因此試驗油液采用美孚ATF220汽車自動排檔油。

表1 芳綸紙參數Tab.1 Aramid paper parameters

實驗前按照以下步驟對試樣進行處理：①將芳綸紙剪裁成40 mm×40 mm的正方形，使用無水乙醇擦拭試樣表面，并置于105℃的真空干燥箱中烘焙1 h，以清除試樣表面可能存在的雜質和水分。②將干燥后的一半試樣均勻涂抹0.02 mL油液。

實驗時將試樣置于溫度控制箱內，測試在不同環境溫度（20、80、120、150℃）下的PDIV。為避免隨機因素對測試結果造成的分散性影響，每個條件下至少測試5個試樣。

1.2 電極結構

試驗采用如圖1所示的球-板電極結構，其中半球形電極直徑為15 mm，接至正弦高壓，直徑為50 mm的平板電極與地電位相接。

圖1 電極結構Fig.1 Electrode configuration

1.3 局部放電測試系統

局部放電測試系統如圖2所示，主要由正弦電源、溫度控制箱、示波器、PC和試樣構成。正弦電壓由功率放大器產生，測試時通過調整功率放大器輸入，可得到在0～30 kV內連續可調的輸出電壓。使用高壓探頭（50 MHz帶寬，分壓比為1 000∶1）采集高壓信號并接入數字示波器（2 GHz帶寬，采樣率為16 GS/s）通道CH1作為放電同步信號。同時使用TechImp公司的PD-BaseⅡ采集放電，其測試數據經過光纖轉換模塊傳輸后與局域網連接并由計算機端接收。

圖2 PDIV測試系統Fig.2 PDIV test system

2 結果與討論

2.1 局部放電相位特性

在正弦電壓下，芳綸絕緣紙發生局部放電時的典型相位譜圖如圖3所示。由圖3可知，局部放電脈沖分布在10°～105°和190°～275°，主要集中于第一象限和第三象限，并且存在較明顯的極性效應，即工頻負半周的放電量比正半周大。同時，第三象限的放電相位分布更集中在190°～240°，而第一象限的放電相位分布較為分散，表明正弦電壓下芳綸絕緣紙的局部放電主要發生在電壓上升階段。

圖3 局部放電相位譜圖Fig.3 PRPD spectrum

2.2 厚度對PDIV影響

在環境溫度為20℃下，3種厚度的芳綸絕緣紙的PDIV測試結果如圖4所示。從圖4可以看出，無油時，厚度為0.22 mm的芳綸絕緣紙在3.2 kV左右就發生了放電，而厚度為0.30 mm的芳綸絕緣紙則在3.7 kV左右才開始放電；油液環境中，3種厚度的芳綸絕緣紙的PDIV從4.5 kV左右上升到5.0 kV左右，可見厚度對芳綸絕緣紙的PDIV影響顯著，隨著厚度的增加，無油和有油情況下芳綸紙的PDIV變化一致，均呈上升趨勢。

圖4 不同厚度芳綸絕緣紙的PDIVFig.4 The PDIV of aramid insulating papers with different thickness

根據氣隙放電理論可知，產生局部放電的條件為[15-16]：氣隙內的電場強度超過起始放電場強以及存在初始電子激發電子崩。由于氣體介電常數較小，氣隙中產生的電場強度較高，因而在球-板電極模型中，放電首先發生在芳綸絕緣紙的氣隙中。

在電極上施加工頻正弦電壓時，絕緣紙內部氣隙的起始放電電壓U可由式（1）表示。

式（1）中：E為絕緣紙中氣隙內部的場強；E1為電極之間的場強；d為芳綸絕緣紙的厚度；δ為與交流電場方向平行的氣隙厚度。由式（1）可知，隨著厚度的增加，氣隙的起始放電電壓會隨之升高。

2.3 溫度對PDIV的影響

試樣表面不涂抹油液時，改變環境溫度分別測試芳綸絕緣紙的PDIV，3種厚度的絕緣紙PDIV變化曲線如圖5(a)所示。由圖5(a)可知，3種厚度的芳綸絕緣紙PDIV均隨著溫度的升高而下降，同時在所有測試溫度條件下均保持著2.2節中的規律：紙的厚度越大，其PDIV越高。

圖5 不同環境溫度下芳綸絕緣紙的PDIV變化曲線Fig.5 The PDIV curves of aramid insulating papers under different temperature

在相同條件下，將試樣表面均勻涂抹油液后測試其PDIV的變化，結果如圖5(b)所示。由圖5(b)可知，在油液環境下，芳綸絕緣紙的PDIV也隨著溫度升高而降低。同時，芳綸紙表面涂抹油液的PDIV在溫度低于120℃時隨溫度的升高變化較大，而在溫度從120℃升高到150℃時PDIV下降速度變緩。表面涂抹油液的芳綸絕緣紙在150℃時的PDIV較20℃時下降了2 kV左右，而無油環境下的PDIV僅下降了0.5 kV，表明在有油時PDIV隨溫度的升高而下降更多，溫度變化對油液環境下芳綸絕緣紙的絕緣性能影響更大。

對于以上現象，機理解釋如下：首先，溫度升高增加了空氣電離概率，更易產生激發電子崩的初始電子，從而提升了放電概率，PDIV隨之降低。如果空氣中存在的自由電子是激發初次電子崩的主要因素，則以上因素應是溫度影響PDIV的主要原因。

同時，溫度升高絕緣表面易出現異性電荷積聚，使表面場強畸變，增強局部放電初始電子的產生概率，從而降低材料的起始放電電壓[15-16]。且隨著溫度的升高，芳綸絕緣紙的介電常數有所增加，起始放電電壓與電場的分布有關，在交流電場下電場強度分布與絕緣材料的介電常數呈反比，因而更容易產生局部放電。

2.4 油液對PDIV的影響

為研究油污環境對芳綸絕緣紙PDIV的影響，在相同溫度下分別測試有、無油液時芳綸絕緣紙的PDIV，結果如圖6所示。由圖6可知，在20℃時，油污環境中的PDIV明顯高于無油環境中；隨著環境溫度的升高，油液環境中的PDIV迅速下降，在120℃和150℃時油液環境中的PDIV反而低于無油環境中的PDIV。

圖6 有無油液時芳綸絕緣紙的PDIV變化曲線Fig.6 The PDIV curves of aramld insulating papers with and without oil

從圖6還可以看到，無油和涂油時PDIV變化曲線在環境溫度為100℃左右時相交，并且3種厚度的芳綸絕緣紙變化規律一致。表明在常溫下，油液能夠顯著提升芳綸絕緣紙的PDIV，而環境溫度超過100℃時，油液反而使芳綸絕緣紙的PDIV有所下降。

表2為0.25 mm厚度的芳綸絕緣紙PDIV變化統計。根據表2可知，在20℃時，油污環境中芳綸絕緣紙的PDIV較無油時高40%左右，而在150℃時則較無油時降低了10%左右。其原因可能為：①常溫時，油液在芳綸表面均勻涂抹，填充了表面部分氣隙，不易產生放電，致使PDIV有較大提高。②隨著溫度的升高，氣隙中的油液黏度下降，油逐漸分散，油液失去填充作用，一部分氣隙暴露在空氣中，因而PDIV下降。③油溫的升高，可能使絕緣表面油液分布不均勻，部分區域產生場強集中，進而使PDIV有所下降，同時油液中含有的微量水分在高溫下產生氣泡，也可能引起PDIV下降。但以上推論需進一步驗證。

表2 0.25 mm厚度的芳綸絕緣紙PDIV變化統計Tab.2 The PDIV of aramid insulating papers with 0.25 mm of thickness

3 結論

（1）環境溫度為20℃時，芳綸絕緣紙的PDIV隨厚度的增加而略有上升。

（2）表面有、無油液的芳綸絕緣紙PDIV均隨著溫度的升高呈現顯著的下降趨勢；在常溫下，油液能大幅提升其PDIV，提高變頻電機的絕緣性能；而在150℃高溫下，油液使芳綸絕緣紙的PDIV降低了10%左右。因此，為保證變頻電機芳綸絕緣的性能，設計時應考慮足夠的裕量。