國產耐電暈聚酰亞胺薄膜在變頻牽引電機上的應用研究

2023-02-21 14:02:08王文進陳紅生梁西川薛長志

絕緣材料 2023年2期

王文進，陳紅生，梁西川，薛長志

（中車株洲電機有限公司電氣絕緣技術湖南省重點實驗室，湖南株洲 412000）

0 引言

變頻牽引電機具有節能、結構簡單、調速方便等優點，其安全性和可靠性直接影響動車的運行。變頻調速牽引電機受PWM逆變器控制，由于電機受到逆變器輸出的高頻、快速變化電壓的沖擊，其絕緣受到電應力的影響，電機繞組易產生局部放電，從而加速變頻電機絕緣劣化，造成絕緣過早失效[1-4]。

為保障變頻牽引電機的長期穩定運行，對絕緣結構及材料提出了更高要求。美國杜邦公司于20世紀90年代開發出耐電暈聚酰亞胺薄膜（型號為Kapton@CR），日本鐘淵公司也于2005年左右開發了耐電暈聚酰亞胺薄膜產品（型號為Apical@CR），這兩款耐電暈聚酰亞胺薄膜（以下簡稱耐電暈薄膜）能大幅提高電機匝間絕緣的耐電暈放電能力，延長絕緣結構老化壽命[5-6]，已被廣泛應用于變頻牽引電機絕緣。但耐電暈薄膜作為變頻牽引電機匝間絕緣的關鍵材料，目前還沒實現批量國產化替代，長期以來仍依賴進口。

為打破國外公司在高端聚酰亞胺薄膜領域的壟斷，國內不少薄膜專業生產廠家和應用企業以自主研發為使命，積極開展變頻牽引電機用耐電暈薄膜的國產化應用研究工作，經過多年的發展，已經取得了重大進展[7-9]。中車株洲電機有限公司聯合中車內部配套聚酰亞胺薄膜制造企業開展了耐電暈聚酰亞胺薄膜的國產化研究，并取得了成功[10]。本研究從耐電暈薄膜性能、電磁線性能、線圈成型工藝性等方面對比了國產耐電暈薄膜與同類進口薄膜的綜合性能，為變頻牽引電機的批量應用提供參考。

1 試驗

1.1 耐電暈薄膜性能測試

耐電暈薄膜的常規性能按GB/T 13542.2—2009《電氣絕緣用聚酰亞胺薄膜》進行檢測。薄膜的耐電暈性能按T/CEEIA 438—2020《電氣絕緣用聚酰亞胺薄膜技術要求》進行檢測，測試條件：脈沖波形及極性為雙極性對稱方波，脈沖頻率為20 kHz，脈沖上升沿時間（負載）為100 ns，脈沖占空比為50%，脈沖電壓（UP-P）為2.0 kV，溫度為室溫。薄膜熱老化性能按GB/T 11026.1—2003《電氣絕緣材料耐熱性第1部分老化程序和試驗結果的評定》進行檢測，選取中溫點280℃，對薄膜進行1 000 h熱老化試驗，將薄膜的拉伸強度和電氣強度作為評價指標。

1.2 耐電暈薄膜電磁線性能測試

委托電磁線生產廠家制備耐電暈薄膜電磁線，采用的耐電暈薄膜厚度為0.038 mm，薄膜疊包率為53%，電磁線的導體尺寸為2.5 mm×6.3 mm，標稱的雙邊絕緣厚度為0.21 mm。

電磁線的常規性能按GB/T 4074—2008《繞組線試驗方法》要求進行檢測。熱沖擊性能：將電磁線的窄邊彎曲，進行10個周期的試驗，每個周期試驗包括在240℃的烘箱中烘焙2 h，取出試樣冷卻至室溫。

電磁線的耐電暈性能按GB/T 21707—2018《變頻調速專用三相異步電動機絕緣規范》進行檢測，試樣示意圖見圖1。有間隙結構試樣的距離為0.5 mm。測試條件：脈沖波形及極性為雙極性對稱方波，脈沖頻率為5 kHz，脈沖上升沿時間（負載）為100 ns，脈沖占空比為50%，脈沖電壓（UP-P）為6.0 kV，溫度為200℃。

圖1 電磁線耐電暈試樣Fig.1 Sample of magnet wire for corona-resistant test

電磁線的局部放電性能在重復方波電壓下測試，借助重復方波測試系統完成，試驗設備接線示意圖見圖2。

圖2 重復方波測試系統Fig.2 Repetitive square voltage test system

1.3 耐電暈薄膜電磁線應用性能

將耐電暈薄膜電磁線繞梭、漲形，制得線圈如圖3所示。檢測線圈鼻部每匝電磁線的擊穿電壓，定量分析電磁線絕緣層的受損情況。

圖3 線圈模型Fig.3 Coil model

1.4 樣機驗證

按照電機產品正常工藝流程完成某型號電機的制備，在生產工序中進行相對應的絕緣性能檢測。

2 結果與分析

2.1 耐電暈薄膜性能

2.1.1 常規性能

國產耐電暈薄膜和進口耐電暈薄膜的常規性能試驗結果見表1。

表1 耐電暈薄膜的常規性能Tab.1 General properties of corona-resistant films

從表1可以看出，國產耐電暈薄膜的耐電暈性能優于進口耐電暈薄膜，同時具備優異的拉伸強度及斷裂伸長率。國產耐電暈薄膜的力學性能明顯優于進口耐電暈薄膜，原因與制備薄膜的亞胺化方式有關。國產耐電暈薄膜采用化學亞胺化法制備，而進口耐電暈薄膜采用熱亞胺化法[11]。聚酰亞胺的兩種亞胺化路線如圖4所示，在熱亞胺化法中，加熱前期為聚酰胺酸的亞胺化和斷鏈反應同步進行，加熱后期為聚酰胺酸的亞胺化與端基重聚合（恢復分子量）同步進行，不僅會導致分子結構不均勻，而且還會因為“熱亞胺化動力學中斷”現象使得亞胺化程度受限。在化學亞胺化法中，首先是聚酰胺酸的羧酸基團由于生成混合酸酐被封鎖，不會出現熱亞胺化過程中的分子量下降和平衡化，此外還能避免水解反應，因此更利于獲得均勻一致的高分子聚合物，從而使薄膜具備優異的力學性能。

圖4 聚酰亞胺的兩種亞胺化路線Fig.4 Two imidization routes of polyimide

2.1.2 熱老化性能

國產耐電暈薄膜和進口耐電暈薄膜熱老化過程中，拉伸強度和電氣強度變化分別如圖5和圖6所示。從圖5～6可以看出，兩款耐電暈薄膜的性能下降趨勢接近，表明兩者的耐熱性和熱穩定性水平相當，但在相同老化條件下，國產耐電暈薄膜的性能絕對值更高。

圖5 耐電暈薄膜的拉伸強度（縱向）Fig.5 Tensile strength (longitudinal) of corona-resistant films

圖6 耐電暈薄膜電磁線的電氣強度Fig.6 Electric strength of corona-resistant film magnet wire

2.2 電磁線性能

2.2.1 常規性能

耐電暈薄膜電磁線的常規性能見表2，從表2可以看出，國產耐電暈薄膜電磁線的拉伸附著性、擊穿電壓、熱沖擊性能與進口耐電暈薄膜電磁線水平相當。

表2 耐電暈薄膜電磁線的常規性能Tab.2 General properties of corona-resistant film magnet wire

2.2.2 耐電暈性能

基于電機中線圈的電磁線相鄰兩匝間可能存在兩種不同結構：槽內直線部分的無間隙結構和端部的有間隙結構，對耐電暈薄膜電磁線開展無間隙結構和有間隙結構的耐電暈壽命分析，結果如圖7所示。

圖7 電磁線的耐電暈壽命Fig.7 Corona resistance life of magnet wire

從圖7可以看出，對于同一種耐電暈薄膜電磁線，有間隙結構的耐電暈壽命均比無間隙結構的高；對于相同結構試樣，國產耐電暈薄膜電磁線的

耐電暈壽命均高于進口耐電暈薄膜電磁線，這與兩種薄膜的耐電暈性能趨勢一致。

2.2.3 局部放電性能

對比測試了10 kHz高頻下國產耐電暈薄膜電磁線和進口耐電暈薄膜電磁線的局部放電起始電壓（PDIV）值，試驗結果見圖8。從圖8可以看出，在同等條件下，方波脈沖電源的上升沿時間越小，電磁線的PDIV會越低；同等條件下國產耐電暈薄膜電磁線的PDIV高于進口耐電暈薄膜電磁線。

圖8 電磁線在不同上升沿時間下的PDIV值Fig.8 PDIV values of magnet wire at different rising edge times

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，此過電壓在變頻電機的定子繞組中分布不均勻，當過電壓大于局部放電起始電壓的時候，將可能出現局部放電現象，局部放電會使得變頻電機絕緣材料不斷破壞，從而導致絕緣失效[12-13]。

2.3 耐電暈薄膜電磁線應用性能

考慮在線圈漲形過程中，線圈兩端鼻部的形變較大，絕緣層擠壓受力也較大，通過檢測線圈鼻部電磁線的擊穿電壓來定量分析絕緣層的受損情況。分別采用國產耐電暈薄膜電磁線和進口耐電暈薄膜電磁線制備相同線圈，對其鼻部位置的電磁線的擊穿電壓進行檢測，試驗結果見表3，統計結果見圖9。從圖9可以看出，國產耐電暈薄膜電磁線試制的線圈鼻部擊穿電壓極差為1.7，低于進口耐電暈薄膜電磁線試制的線圈鼻部擊穿電壓極差2.7，表明國產耐電暈薄膜具備優異的線圈成型工藝性，完全滿足牽引電機的應用要求。