SiC逆變器供電的牽引電機匝間絕緣性能評估

羅英露，趙安然，王 鵬，于超凡，林沐泓，黃文冬，彭 增

（1. 中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 410002；2. 四川大學 電氣工程學院，四川 成都 610065）

0 引 言

電力電子裝置可實現一次能源的高效轉換，是高速鐵路機車變頻牽引電機驅動系統的核心設備。隨著科學技術的發展，變頻牽引電機朝著大功率的方向不斷發展，對于半導體的要求越來越高，傳統的Si 半導體已無法適應當前工業發展的速度。近年來，碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等第三代寬禁帶半導體器件的出現，有望使電力電子器件開斷頻率和可承受工作電壓提高10 倍、體積縮小至原來的1/40、能量密度及熱導率大幅度提升、開斷時間降低至100 ns 以下，從而解決制約電力電子發展的瓶頸問題[1-2]。

作為交流傳動牽引機車的核心設備，變頻牽引電機絕緣的可靠性直接影響著整個機車的安全，而變頻牽引電機絕緣承受逆變器產生的快速變化的脈寬調制（PWM）電壓，在服役期間易發生局部放電，從而造成絕緣老化加速，引發安全事故[3-4]。隨著SiC 等性質優良的第三代半導體在地鐵牽引系統中的應用，地鐵牽引系統的電壓轉換速率（上升時間）和工作頻率將由Si 基逆變器的3 000 V/μs、500 Hz 提升至9 000 V/μs、2 kHz（未來可能進一步提升至5 kHz），由此引發的變頻電機絕緣問題亟需探究。目前日本的新干線N700S車輛以及Bombardier公司參與制備的斯德哥爾摩地鐵已開始使用SiC 逆變器驅動，國內從2019 年開始研究SiC 牽引系統的使用，所研發的牽引逆變器已在深圳地鐵線等進行試行考核。

然而采用SiC 逆變器驅動的變頻電機絕緣系統工作在高頻、短上升時間的脈沖電壓下，絕緣承受更加嚴酷的電、熱應力，失效現象時有發生[5]。根據報道及相關研究，絕緣失效多數始發于匝間絕緣最后延伸至主絕緣[6]。針對變頻電機匝間絕緣性能，A CAVALLINI 等[7-8]利用雙絞線材料模擬變頻電機匝間絕緣，檢測其在方波電壓下的局部放電起始電壓（PDIV），探討了頻率對PDIV 和重復局部放電起始電壓（RPDIV）的影響。結果表明，頻率增大，RPDIV 隨之降低，但對PDIV 沒有影響。A RUMI 等[9]研究發現，在高溫下，浸漬雙絞線的PDIV 比未浸漬雙絞線的PDIV 更低，這可能與溫度變化、介電常數的改變有關系。針對上升時間對雙絞線PDIV 的影響，A RUMI 等[10]認為上升時間過短引起的過電壓，其有效持續時間也較短，因此PDIV 測試結果偏高。在上升時間較長時，PDIV 測試結果與正弦測試結果基本一致。HU Boxue 等[11]研究了在不同高電壓變化速率（dV/dt）下電機定子繞組的局部放電，主要從改變脈沖的寬度和上升時間的角度出發，并擬合出經驗公式，認為隨著脈沖寬度的增長，PDIV 逐漸減小后趨于不變。目前，大多數學者在對變頻電機匝間絕緣進行研究時，所采用的試樣多為低壓散繞試樣，研究對象局限于PDIV。然而，隨著SiC 的應用，高速機車內電機絕緣傾向II型絕緣結構，要求其在服役期間具備承受一定電應力的能力。此外，隨著頻率和dV/dt的提高，將增加絕緣結構介質損耗，更易造成電機端部過電壓，加劇絕緣系統內電壓分布不均度，進而誘發局部放電，加速絕緣老化。目前，尚沒有理論表明匝間絕緣或加厚匝間絕緣能適應SiC 逆變器輸出的更高dV/dt和更高開關頻率的電壓波形。

因此，本文通過模擬Si 逆變器和SiC 逆變器在不同工況（不同上升時間、電壓峰峰值、頻率）下牽引電機端部的電壓波形，并測量高壓變頻電機電磁線的PDIV 及耐電暈壽命曲線，希望為變頻牽引電機絕緣系統的開發和驗證工作提供參考。

1 試 驗

1.1 試驗平臺

重復脈沖電壓絕緣檢測平臺如圖1 所示，系統由高壓脈沖電源、高壓探頭、特高頻天線、示波器、高通濾波器、擊穿保護器、烘箱及真空箱組成。

圖1 重復脈沖電壓絕緣檢測平臺Fig.1 Repetitive impulse voltage insulation test platform

高壓脈沖電源參數信息如表1 所示，輸出的脈沖電壓用于模擬變頻電機的實際工況。特高頻傳感器用于檢測局部放電信號，在進行測試前，采用特高頻天線檢測電力電子開斷信號。電力電子干擾信號頻域分析如圖2 所示，可以看出電力電子開斷所產生的干擾集中在較低頻段。根據文獻[12-13]可知，局部放電的頻域能量分布在0～2 GHz，而電力電子干擾則在500 MHz 以下，因此，采用信號處理模塊濾除掉500 MHz 以下的信號能夠消除電力電子器件產生的干擾。擊穿保護器能夠在試樣擊穿時斷開加壓回路，同時記錄試樣壽命時間。在進行PDIV 測試時，試樣兩端電壓由0 V 開始，以50 V/s 的升壓速率進行升壓，直至檢測出局部放電（信號閾值設置為5 mV）后停止升壓，此時試樣兩端的電壓幅值記錄為PDIV。在進行耐電暈壽命測試時，快速升壓至試驗設置電壓，激發局部放電并記錄試樣從施加該電壓至擊穿的時間為耐電暈壽命。

表1 高壓脈沖電源參數Tab.1 High voltage pulse power supply parameters

圖2 電力電子干擾信號頻域示意圖Fig.2 Frequency domain diagram of power electronic interference signal

1.2 試樣處理

高壓成型電機繞組主要由漆包扁線組成，本文采用MYFCRB-23 型（絕緣厚度為0.23 mm）和MYFCRB-30 型（絕緣厚度為0.30 mm）背靠背扁線（生產廠家為中國中車株洲研究所）模擬存在氣隙的高壓變頻電機匝間絕緣，試樣如圖3所示。其中MYFCRB-23 型為主要研究試樣，MYFCRB-30 型為厚度對照組。試驗前采用無水酒精對其進行預處理，去除表面雜質，然后將試樣置于烘箱烘烤24 h，消除水分。為排除偶然因素對試驗的影響，每組試驗均至少在相同的條件下測試5 個試樣，每個試樣測試5次。

圖3 漆包扁線試樣Fig.3 The enamelled rectangular wire sample

2 不同工況下的局部放電起始電壓及絕緣壽命

2.1 不同頻率下的局部放電起始電壓及絕緣壽命

2.1.1 不同頻率下的局部放電起始電壓

與傳統Si 基半導體相比，采用SiC 逆變器驅動的變頻電機絕緣承受頻率更高的脈沖過電壓沖擊，更易引發局部放電并加速電機絕緣老化，導致電機絕緣過早失效[14]。本文選擇開關頻率為2、6、10 kHz的高頻重復方波電壓波形（由寬禁帶半導體固態開關對正、負直流電源進行切換產生），試驗過程中保證環境溫度為180℃，排除其他環境因素的影響。

局部放電具有隨機性，其發生部位與PDIV 值并不確定，因此采用箱線圖對局部放電起始電壓進行統計研究，對每個試樣的5次PDIV值結果取平均值，得到不同頻率下PDIV測試結果如圖4所示。從圖4可以看出，隨著頻率的改變，高壓變頻牽引電機匝間絕緣的PDIV 并不會發生較大變化，PDIV 值基本集中在2.8～2.9 kV，因此改變開關頻率對變頻電機絕緣系統的PDIV幾乎無影響。

圖4 不同頻率下的PDIV測試結果Fig.4 PDIV test results at different frequencies

2.1.2 不同頻率下的絕緣壽命

設置上升時間一定，電壓峰峰值為10 kV，環境溫度為180℃，得到不同頻率下耐電暈絕緣壽命測試結果如圖5 所示。由圖5 可知，隨著頻率升高，絕緣壽命減小。其中，10 kHz 下的耐電暈壽命約為63 min，比2 kHz 下的耐電暈壽命下降了89.8%。采用威布爾分布對本批試樣的特征值壽命進行統計定量分析，威布爾可靠性函數由式（1）所示[15]。

圖5 不同頻率下的耐電暈絕緣壽命測試結果Fig.5 Endurance life test results at different frequencies

式（1）中：α為失效概率為63.2%對應的參數，即尺度參數；β為形狀參數；t為故障發生時間，min。

2.1.3 不同頻率下的壽命模型

不同頻率下，電壓-頻率具有聯合老化壽命模型[16]，可由式（2）表達。

式（2）中：L為耐電暈壽命，min；C、n、m為由實驗數據擬合所得常數；V為電壓峰峰值，kV；f為頻率，kHz。

采用該模型對不同頻率下的耐電暈絕緣壽命進行擬合，在試驗中應控制其余重復方波參數及環境條件一致，由于該聯合老化模型中V-n為定值，則該模型可簡化為式（3）。

式（3）中，C0為實驗數據擬合所得常數。

通過曲線擬合得到不同頻率重復方波電壓下的絕緣壽命，滿足反冪函數規律，擬合結果如圖6所示。

圖6 不同頻率下的絕緣壽命模型Fig.6 Endurance life model at different frequencies

由圖6可得不同頻率下的耐電暈壽命模型如式（4）所示。由圖6 可以看出，隨著頻率的上升，變頻牽引電機匝間絕緣的耐電暈壽命減小。雖然在不同頻率下的實際耐電暈壽命值與模型預測值具有一定的差異，但是由于威布爾分布考慮的是失效概率為63.2%時的特征壽命，其具有一定的置信區間，該經驗擬合模型能夠較好地表征頻率變化所引起的變頻牽引電機匝間絕緣耐電暈壽命變化。此外，在實際工業應用中也應當充分考慮可能由于預測誤差引起的安全威脅，因此在預測結果的基礎上，應當考慮留有一定的裕度再進行工業生產。

在實際應用中，采用增大頻率對絕緣壽命進行測試后，往往需要根據高頻下的測試結果對低頻條件下的絕緣壽命進行折算，該過程在工業中要求盡量簡單可靠，故引入頻率加速系數af，如式（5）所示。

式（5）中：L0表示樣品在2 kHz 重復方波電壓下的壽命；Lf表示在頻率為f下的壽命。

根據不同頻率下的耐電暈絕緣壽命測試結果，結合式（5）可計算得到10 kHz 和6 kHz 下的頻率加速系數分別為9.16和2.32。在工業應用中一般考慮先使用頻率之比，依據已有數據對不同頻率下絕緣壽命進行初步近似預估，在數據量充足的情況下，可利用電壓-頻率聯合老化壽命模型縮小誤差。本試驗中，10 kHz 下的加速系數明顯與頻率之比不相符合，造成此類現象的原因可能是在10 kV 高頻高壓耐電暈老化測試中，由于試樣間存在相互差異，其本身存在一定的估算誤差；再者依據工業估算，以2 kHz 為基準時10 kHz 下的耐電暈壽命應為14.81 min，這從數值上與試驗結果對比差別并不大，因此在工業應用中采用頻率之比進行壽命估算依舊可行。

2.1.4 不同頻率下的局部放電特性

對絕緣壽命的考核研究主要是通過施加超過PDIV 的電應力來激發局部放電，從而導致材料快速降解，因此對于耐電暈壽命的分析可通過分析局部放電行為來進行。為量化不同參數條件下局部放電的統計特性變化趨勢，對部分重要放電特征參量的變化進行了統計，包括：①最大放電幅值，指200 個局部放電周期內所監測到的最大局部放電脈沖幅值；②平均放電幅值，指200個周期內監測到的所有局部放電脈沖幅值的平均值；③單周波放電次數，指200 個局部放電周期內的局部放電總次數與周期數的商；④單周波總放電幅值，由平均放電幅值與單周波放電次數相乘得到；⑤單位時間內放電次數及總放電幅值，重復方波下發生的局部放電可通過特高頻天線對空間電磁波進行捕捉得到，同時示波器對波形保存需要一定時間，因此認為在示波器保存時間間隔一致的情況下，單周波放電次數與總放電幅值在一定程度上能夠表征單位時間內放電次數及總放電幅值。

不同頻率條件下放電特征參量變化趨勢如圖7所示。從圖7可以看出，隨著頻率的升高，平均放電幅值與最大放電幅值均呈現減小趨勢；相反地，隨著頻率的升高，單周波局部放電次數逐漸升高。研究表明絕緣的受損程度與局部放電幅值、次數具有極大關聯，然而局部放電次數與幅值隨著頻率變化呈現相反趨勢，因此采用簡單的局部放電次數與幅值評估絕緣在該頻率重復方波波形下的損傷程度是不合理的。單位時間總放電能量可通過單周波總放電能量得到，結合局部放電次數與幅值的影響，得到不同頻率下單周波及單位時間總放電能量如圖8 所示。從圖8 可以看出，隨著頻率的升高，單周波放電總能量呈現下降趨勢，但單位時間總放電能量呈現增大趨勢，表明對絕緣的破壞性變大。

圖7 不同頻率下局部放電的幅值及次數Fig.7 The amplitude and number of partial discharge at the different frequencies

圖8 不同電壓峰峰值下單周波及單位時間的總放電能量Fig.8 Total discharge energy of a single cycle wave and unit time at different peak-to-peak volage

2.2 不同電壓峰峰值下的絕緣壽命

2.2.1 不同電壓峰峰值下的絕緣壽命

控制電壓轉換速率一定，電壓頻率為2 kHz，改變電壓峰峰值分別為6、8、10 kV，環境溫度為180℃，進一步測試不同重復方波電壓波形下試樣的耐電暈壽命，結果如圖9 所示。從圖9 可以看出，隨著外加電壓峰峰值的增加，高壓變頻牽引電機匝間絕緣的耐電暈壽命減小，且呈現明顯的非線性關系。

圖9 不同電壓峰峰值下的耐電暈壽命Fig.9 Endurance life under different peak-to-peak voltage

2.2.2 不同電壓峰峰值下的壽命模型

絕緣材料由高分子聚合物組成，其主要化學鍵鍵能如表2所示。電子運動的劇烈程度與外加電壓峰峰值呈正相關，當外加電壓峰峰值較大時，局部放電幅值很大，高速運動的電子直接轟擊絕緣層，由于電子動能較大，在轟擊絕緣層時，構成絕緣層組分的分子鏈將很容易被破壞，加劇絕緣結構的破壞。

表2 聚合物中常見的化學鍵及其分解所需要能量Tab.2 Common chemical bonds in polymers and the energy required for their decomposition

利用式（5），以6 kV 下絕緣壽命為基準計算電壓加速系數，結果發現8 kV、10 kV 下加速系數分別為2.31、7.04，并不滿足線性關系，因此采用以電壓峰峰值之比作為加速系數的方法是不可行的。根據IEC 60034-2020提出了一種普適的不同電壓峰峰值下耐電暈壽命的反冪模型，可以很好地對不同電壓峰峰值下的壽命情況進行模擬，其公式如（6）所示[17]。

式（6）中：n為耐久系數，為常值；L為試樣耐電暈壽命；U為施加于試樣兩端的電壓峰值；k為由試驗數據擬合得到的常數。

通過擬合得到不同電壓峰峰值下的耐電暈壽命模型如圖10所示，可以看到不同電壓峰峰值下的耐電暈壽命十分契合反冪模型，其相關系數為1。結合圖10 計算得到試樣在不同電壓峰峰值下的耐電暈反冪模型公式如式（7）所示。采用該模型可為試樣在其余電壓峰峰值下的耐電暈壽命預測提供一定的幫助。

圖10 不同電壓峰峰值下的絕緣壽命Fig.10 Endurance life under different peak-to-peak voltage

2.2.3 不同電壓峰峰值下的局部放電特性

圖11 為不同電壓峰峰值下的局部放電放電幅值及次數。由圖11可知，隨著試樣兩端外加重復方波電壓幅值的增大，最大放電幅值與平均放電幅值逐漸增大，兩者呈現相同的變化趨勢。在電壓由6 kV 提升至10 kV 時，平均局部放電幅值出現了微小的上升，最大放電幅值的變化相對更加明顯。同時，隨著重復方波電壓峰峰值的增大，單周波局部放電次數減小。圖12 為不同電壓峰峰值下單周波及單位時間的總放電能量。由圖12可知，單周波放電總能量與單位時間總放電能量隨電壓峰峰值的增大而增加，由此可知，單次放電能量增大。

圖11 不同電壓峰峰值下局部放電的幅值及次數Fig.11 The amplitude and number of partial discharge at different peak-to-peak voltage

圖12 不同電壓峰峰值下單周波及單位時間的總放電能量Fig.12 Total discharge energy of a single cycle wave and unit time at different peak-to-peak voltage

2.3 不同上升時間下的局部放電起始電壓及絕緣壽命

2.3.1 不同上升時間下的局部放電起始電壓

電壓上升時間對電機絕緣具有至關重要的影響。對于整機而言，其電路參數復雜，上升時間改變會使電機內部產生電壓分布不均的情況。通過實際測量，一般電機首端線圈以及線圈的前幾匝承受了最高電壓峰峰值，L GUBBALA 等[18]通過等效電路仿真分析得到了同樣的結果。研究使用高壓成型扁線對來模擬高壓變頻電機匝間絕緣，該匝間絕緣試樣在電路中呈現容性，且整機內無復雜電感環境，因此需要通過直接在試樣兩端施加不同上升時間的電壓波形，對其實際工作中所承受的電應力進行模擬，以檢驗其絕緣性能。

固定電壓頻率與外界環境參數不變，設置環境溫度為180℃，控制電壓峰值一定，改變上升時間分別為500、670、1 000 ns對試樣進行PDIV 測試，結果如圖13 所示。從圖13 可以看出，電壓上升時間在500、670、1 000 ns 變化時，匝間絕緣試樣的局部放電起始電壓并未呈現顯著的變化趨勢，僅在較小范圍內發生波動。這說明上升時間的變化會造成氣隙內部的電場情況發生改變，因此對于耐電暈絕緣壽命會產生一定的影響。同時在對整機匝間絕緣進行PDIV 測試時，由于試樣由容性變為感性，上升時間的變化會造成整機內部電壓分布情況發生變化，從而影響PDIV測試值。

圖13 不同上升時間下的PDIV結果Fig.13 PDIV results under different rise time

2.3.2 不同上升時間下的耐電暈壽命

在采集局部放電信號后增添試樣，控制電壓峰峰值為10 kV，頻率為2 kHz，環境溫度為180℃。由于試樣電容一定，通過改變充放電電阻，分別施加上升時間為500、670、1 000 ns 的電壓波形直至擊穿，得到試樣耐電暈壽命如圖14 所示。由圖14 可見，500 ns、670 ns下的耐電暈壽命幾乎一致；當上升時間由670 ns 延長至1 000 ns 時，1 000 ns 時耐電暈壽命較前者增長了63.2%，增幅約為52 min。由此可見，電壓上升時間對試樣耐電暈壽命具有一定影響，在電壓上升時間較大時，由于電壓變化速率較小，局部放電能量相對較小，耐電暈壽命變長。

圖14 不同上升時間下的耐電暈壽命Fig.14 Endurance life at different rise time

2.3.3 不同上升時間下的局部放電特性

圖15 為不同上升時間下的局部放電幅值。由圖15 可見，隨著電壓上升時間的增大，局部放電最大幅值變化不大，局部放電平均幅值隨著電壓上升時間減小也沒有出現明顯變化。因此，需要進一步監測單位時間內，不同上升時間條件下局部放電次數進行綜合分析。文獻[19]研究了100 ns 下電壓上升沿時間的下降對于局部放電幅值的影響，發現局部放電幅值隨著上升時間的縮短而增大，進一步驗證了本文觀點；文獻[20]研究了在上升沿較長時（200～600 μs）的局部放電變化趨勢，結果表明，隨著上升時間的減小，局部放電幅值總體呈現為增大趨勢。在衡量局部放電對絕緣的損傷時，除放電幅值外，局部放電次數也起到了重要作用，將單位時間局部放電次數與局部放電總能量繪制于圖16中，結果發現隨著電壓上升時間減小，局部放電次數顯著增加，但670 ns 下的局部放電次數大于500 ns 下的局部放電次數，同時單位時間內總放電能量與次數變化呈現相同的變化規律。總體上，隨著上升時間減小，局部放電幅值與次數均呈現一定的上升趨勢。

圖15 不同上升時間下的局部放電幅值Fig.15 Partial discharge amplitude at different rise time

圖16 不同上升時間下的單位時間局部放電次數及放電總能量Fig.16 Partial discharges number and total discharge energy per unit time at different rise time

2.4 不同溫度下的局部放電起始電壓及壽命

2.4.1 溫度對PDIV的影響

研究表明，環境溫度對絕緣層化學反應速率具有一定影響，導致絕緣材料的結構發生改變，造成其電荷累計效應、介質損耗發生變化，進而導致其局部放電起始電壓與局部放電統計特性有所不同[21-22]。

控制電壓上升時間為670 ns，占空比為50%，頻率為2 kHz，改變溫度分別為150、180、200℃，從零開始緩慢升壓直至出現局部放電，統計激發局部放電的最小電壓為局部放電起始電壓并繪制于圖17中，添加常溫常壓下PDIV 測試組進行對照。由圖17可知，隨著溫度從常溫升高到150℃，局部放電起始電壓下降；然而隨著溫度從150℃升高至200℃，局部放電起始電壓出現回升現象，但仍然小于常溫下的局部放電起始電壓，此趨勢與文獻[23]中趨勢一致。

圖17 不同溫度下PDIVFig.17 PDIV at different temperatures

由于在常溫下進行PDIV 測試時，測試結果相對運行時偏高，需要通過安全系數n對其進行折算，以保證實際運行中的高壓變頻牽引電機不會出現局部放電。根據研究結果，本批試樣的安全系數如式（8）所示（采用最小PDIV 值），即本批試樣在常溫下檢測時應使用大于12.01%的安全系數進行相應折算，以保證絕緣安全。

2.4.2 溫度對耐電暈壽命的影響

高壓變頻牽引電機在實際運行過程中溫度普遍集中在150～200℃。控制電壓上升時間一定，電壓峰峰值為10 kV，頻率為2 kHz，改變環境溫度分別為150、180、200℃，在重復方波電壓下對漆包扁線試樣進行測試，得到不同溫度下的耐電暈壽命如圖18所示。

圖18 不同溫度下的耐電暈壽命Fig.18 Endurance life at different temperatures

從圖18 可以看出，隨著溫度的升高，高壓變頻牽引電機匝間絕緣耐電暈壽命呈非線性遞減趨勢。其中，180℃、200℃時的耐電暈壽命比溫度為150℃時的耐電暈壽命下降了約35 min 和50 min，下降幅度分別占150℃時的耐電暈壽命的32%和42%。可見，溫度對試樣耐電暈壽命具有較大的影響，為保證牽引電機在實際工況下的可靠性，應當在使用前根據其運行溫度進行性能評估。

2.4.3 不同溫度下的耐電暈壽命模型

當僅考慮溫度變化時，隨著溫度的升高，絕緣的熱老化速率變快。此時熱老化的老化速度僅取決于化學反應速率，一般可用Arrhenius 方程表示，如式（9）所示[24]。

式（9）中：L為失效時間，min；T為溫度，℃；Α、Β為常數，由化學反應的活化能確定。

學術界普遍認為，在純熱老化下絕緣壽命與在該溫度下的化學反應速率成反比關系。根據“10℃減半原則”，當溫度每升高8～12℃時，絕緣壽命將會縮短一半。由于高壓變頻電機匝間絕緣在實際工作中不僅會遭受熱老化，也會承受一定的電熱聯合老化。G C MONTANARI 等[25-26]提出在Arrhenius方程的基礎上應該考慮電應力的影響，該影響為外加電場的函數，可用f(Ε)進行表述，因此式（9）可用式（10）進行替代。

將不同溫度下的耐電暈壽命以式（9）進行擬合并將結果繪制于圖19中，得到匝間絕緣試樣材料在不同溫度、相同電應力加速條件下的加速模型如式（11）所示。由圖19 可知，隨著溫度的升高，變頻牽引電機匝間絕緣耐電暈壽命隨之減小。在材料特性不發生明顯變化的溫度范圍內，可以認為變頻牽引電機匝間絕緣耐電暈壽命隨著溫度的升高呈現非線性減小趨勢，該趨勢滿足考慮電應力條件下的Arrhenius 方程。因此，可以使用考慮電應力條件下的Arrhenius 方程對不同溫度下絕緣結構或材料的耐電暈性能進行初始評估，為絕緣的設計提供指導思路。

圖19 耐電暈壽命模型的擬合曲線Fig.19 Fitting curve of endurance life model

2.4.4 不同溫度下的局部放電特性

為進一步說明絕緣耐電暈壽命隨著溫度變化的原因，設置溫度梯度分別為150、180、200℃，并在3 種不同的溫度條件下采集在相同外加電壓下200個周期的局部放電信號，得到不同溫度下的局部放電特征參量和單位時間總放電能量分別如圖20 和圖21 所示。由圖20～21 可以看出，隨著溫度的上升，單周波局部放電次數、最大放電幅值、平均放電幅值和單位時間總放電能量均增大。電熱聯合老化可能是高溫絕緣失效的主要原因，需針對不同環境下的主導因素采取強有力的措施，以避免變頻電機絕緣失效。

圖20 不同溫度下的局部放電特征參量Fig.20 Characteristic parameters of partial discharge at different temperatures

圖21 不同溫度下的單位時間總放電能量Fig.21 Total discharge energy per unit time at different temperatures

2.5 不同絕緣層厚度下的局部放電起始電壓及壽命

2.5.1 不同絕緣層厚度下的PDIV對比

高壓變頻牽引電機絕緣失效事故中，匝間絕緣失效概率遠高于主絕緣失效概率，然而，高壓變頻牽引電機匝間絕緣的破壞往往會引起主絕緣的破壞，同時在擊穿過程中主絕緣常常出現嚴重碳化現象，而匝間絕緣卻幾乎完好，因此事后事故認定時，往往會忽略匝間絕緣失效而只考慮主絕緣失效[27]。從電機結構上看，匝間絕緣層較薄，接觸面積大，在電機實際運行中過電壓較高，因此往往發生絕緣過早失效。在工業應用中增加絕緣層厚度在一定程度上能夠提升絕緣性能，然而由此導致的成本增加、工藝要求變高及空間利用率降低會造成更嚴重的經濟損失與能源浪費，因此是否增加絕緣層厚度，取決于增加絕緣層厚度所帶來的收益與支出的對比，尋找合適的絕緣層厚度對于工業生產應用具有舉足輕重的作用。為探究厚度增加帶來的絕緣性能改變，分別以0.23 mm 絕緣層試樣（MYFCRB-23 型）與0.30 mm 絕緣層試樣（MYFCRB-30 型）為研究對象開展試驗，對比不同絕緣層厚度下的PDIV變化。

采用固定雙極性方波對兩種厚度絕緣層的高壓變頻牽引電機匝間試樣進行測試，上升時間為670 ns，占空比為50%，頻率為5 kHz，控制環境溫度為180℃，測試結果如圖22 所示。從圖22 可以看出，隨著絕緣層厚度的增加，局部放電起始電壓明顯提升。相比于0.23 mm 絕緣層試樣，0.30 mm 絕緣層試樣的厚度提高了30.4%，其最小局部放電電壓則提高了36%，提升了1.2 kV。

圖22 不同厚度絕緣層的PDIVFig.22 PDIV of insulation layers with different thickness

2.5.2 不同絕緣層厚度下的耐電暈壽命

不同的絕緣層厚度，其絕緣壽命表現是不同的。隨著絕緣層厚度的增加，電機效率及槽滿率下降，成本將會大幅度上升。工業上對于電機匝間絕緣要求具有一定的耐熱性、耐油性和力學性能，同時對于匝間絕緣層厚度要求盡可能的小[28]。故在選取絕緣層厚度時，應充分考慮其性價比。本研究選取厚度為0.23 mm 與0.30 mm 的絕緣層匝間絕緣試樣，對兩者施加相同的電應力，控制電壓峰峰值一致，占空比為50%，上升時間為670 ns，環境溫度為180℃，設置電壓峰峰值分別為6、8、10 kV，頻率為2 kHz，上升時間一定，然后進行耐電暈測試，結果如圖23所示。由圖23可知，6 kV下的0.23 mm絕緣層試樣的絕緣壽命約為472.5 min，0.30 mm 絕緣層試樣的絕緣壽命約為1 105.5 min。絕緣層厚度的增加能夠提升絕緣壽命。

圖23 不同厚度絕緣層在不同電壓峰峰值下的耐電暈壽命Fig.23 Endurance life of insulation layers with different thickness under different peak-to-peak voltage

2.5.3 不同厚度絕緣層下的耐電暈壽命模型

對于不同厚度絕緣層試樣的絕緣失效，G C MONTANARI 等[29]將絕緣失效用數值化的方式進行定量描述，認為絕緣總壽命可用F進行描述，該變量是用來描述絕緣材料老化的性能p的函數，被描述為F(p)，定義單位時間老化速率為g，當試樣、環境參數及外加電壓一定時，該老化速率可認定為常值。則絕緣總壽命與單位時間老化速率、失效時間之間的關系如式（12）所示。從圖23可知，隨著絕緣厚度的增加，絕緣總壽命增加。設絕緣總壽命變化系數為k，老化速率變化系數為n，根據特征壽命可知，計算得到k與m的比值約為2.34。對于厚度為0.30 mm 絕緣層的匝間絕緣試樣，其在不同電壓峰峰值下的絕緣壽命模型與2.2 節所述模型具有較高的吻合性，僅比例系數發生一定的變化。因此對于厚度為0.23 mm 與0.30 mm 的絕緣層試樣耐電暈壽命（L0.23、L0.30），兩者的關系可通過式（13）對耐電暈壽命進行描述。

2.5.4 不同絕緣層厚度下的局部放電特性

在3 個電壓峰峰值下，不同厚度絕緣層試樣的特征壽命值等效參數一致，以10 kV 外加電壓為例，收集200 個10 kV 下不同厚度試樣的局部放電周期進行局部放電特征參量統計，并對比分析不同厚度試樣單位時間局部放電總放電能量的變化，結果如圖24 所示。由圖24 可知，隨著絕緣層厚度的增加，單位時間內總放電能量減小，并且由于絕緣層厚度增加，其絕緣性能增強，因此隨著厚度增加，絕緣性能可明顯升高。

圖24 不同厚度絕緣層的單位時間總放電能量Fig.24 Total discharge energy per unit time of insulation layers with different thicknesses

3 機理分析

3.1 不同參數下的PDIV分析

根據放電機理，局部放電發生需要滿足兩個條件[30]：

（1）電場需要大于局部放電起始電場，如式（14）所示。

式（14）中：Εt表示氣隙所承受的瞬時場強；Εmin表示氣隙發生放電所需要的最小場強。

（2）需要引發局部放電的初始電子。根據Richardson-Schottky 定律，表面電荷的積累更容易促使局部放電初始電子的出現，初始電子產生概率（λ）可由下述模型進行計算，如式（15）所示。

式（15）中：Ε為氣隙處瞬時場強為ψ時產生電子所需的能量；ν0為光電離常數；qe為單位電荷；K為玻爾茲曼常數；T為溫度；ε0為真空介電常數；Nsc為電荷數。

在重復方波條件下，在上升沿與下降沿處，由于極性翻轉，氣隙內電場強度超過局部放電起始電場強度，局部放電往往集中在上升沿與下降沿處。頻率的變化并不會改變氣隙，同時高壓牽引電機匝間絕緣可以看作具有一定容值的電容器，假設其介電常數實部與介電常數虛部并不會發生變化，氣隙中的電場可以等效為施加電壓在開關機柜內部阻抗與負載上按照比例進行分壓，因此頻率的改變并不會影響PDIV。但實際上存在偶極取向的介質損耗，另外介電常數對頻率的依賴性也必須加以考慮，因為偶極子取向不會發生在某些臨界頻率以上。考慮臨界頻率f=1/D處出現介質損耗峰值，其中D為偶極子的弛豫常數，那么在大于該臨界頻率的所有頻率下，介電常數實部都會減小。而根據相關報道[31]變頻電機絕緣材料的臨界頻率大于3 MHz，因此在當前測試頻率（變頻電機工作頻率）下PDIV測試結果不變。

對于不同上升時間下的局部放電起始電壓，目前IEC 60034-2014 規定應使用電壓峰峰值作為PDIV 值而并非穩態電壓，在采用匝間絕緣試樣進行測試時，上升時間的改變并不會引起絕緣分壓的變化，同時根據放電機理，上升時間并不會影響放電起始電場和初始電子產生概率，因此在統計學意義上，上升時間的變化并不會引起匝間絕緣試樣PDIV 的變化。在本文中上升時間的改變造成絕緣PDIV 的微弱變化是PDIV 測試的偶然誤差導致的。而對于整機測試，其測試的PDIV 不同主要是上升時間改變導致內部各繞組間分壓不同造成的。

但是，隨著溫度的上升，介電常數發生變化，氣隙電場強度增加，同時溫度使空間電荷運動更劇烈，因而造成局部放電起始電壓下降；而當溫度達到150℃以上，局部放電電壓隨著溫度升高而下降，原因可能是溫度上升造成熱脹冷縮，從而使氣隙結構發生改變，造成放電位置發生變化，進而導致局部放電起始電壓發生改變。

對于不同絕緣厚度的試樣，絕緣層厚度的變化改變了氣隙內部電場，因此隨著絕緣層厚度的增加，氣隙內部電場強度降低，PDIV升高。

3.2 不同參數下的耐電暈壽命分析

對于不同參數下的耐電暈壽命結果，可結合局部放電特性進行分析。

在不同頻率下，雖然單個周期內放電次數增多、放電幅值減小，但是在單位時間內局部放電總能量增大，因此隨著頻率增加，耐電暈壽命降低。

電壓峰峰值的增加雖然減少了單周期內放電次數，但提供了更大的電場強度，激發更劇烈的局部放電，此時電子崩內部的高能粒子增多，其動能超過表2 所示的聚合物化學鍵鍵能，通過碰撞能直接致使聚合物化學鍵斷裂，因此，隨著電壓峰峰值的增加，局部放電能量呈現非線性變化趨勢，對于絕緣的破壞作用呈現指數型上升趨勢。

上升時間的變化會影響極性反轉時氣隙內部電場變化速率，從而改變局部放電的特性。隨著上升時間的縮短，雖然在平均放電幅值上無太大變化，但其能夠激發更多的局部放電，因此單位時間總局部放電能量增大，對絕緣的破壞作用增強。

絕緣層厚度的增加使得氣隙長度與絕緣材料厚度之間的幾何關系發生改變，從而影響了氣隙內部電場強度，降低了單位時間內局部放電強度，同時絕緣厚度的增大也增強了絕緣耐電暈能力，使得絕緣材料的耐電暈壽命進一步提升。

4 結 論

（1）頻率對PDIV 無影響，但是對耐電暈壽命具有重大影響。控制電壓為10 kV，電壓上升時間為670 ns，溫度為180℃下，通過改變頻率（2、6、10 kHz）進行耐電暈壽命測試，結果表明10 kHz下的耐電暈壽命比2 kHz下的耐電壽命下降了89.8%，約為63 min。因此在電機絕緣實際承受電應力可能超過PDIV 時，應當著重注意頻率對耐電暈壽命產生的重大影響。

（2）電壓峰峰值的變化會對耐電暈壽命產生較大影響，電壓峰峰值與絕緣壽命呈現反冪趨勢，若以6 kV下的耐電暈壽命為基準，電壓峰峰值為8 kV時的耐電暈壽命相比減少了約315 min，約為66.7%；電壓峰峰值為10 kV 時耐電暈壽命相比減少了約400 min，約為85.1%。因此應當考慮實際運行中最嚴峻的電應力條件下引發放電時其電壓峰峰值不應高于PDIV值。

（3）電壓上升時間對PDIV 無影響，但對耐電暈壽命具有較大影響。500 ns、670 ns下的耐電暈壽命幾乎一致，但當電壓上升時間延長至1 000 ns 時，與500 ns 的耐電暈壽命相比，其絕緣壽命增長率為63.2%，增幅約為52 min。

（4）溫度對PDIV 具有一定的影響，由常溫上升至150℃時，PDIV 降低了約300V；但當溫度進一步上升至200℃時，PDIV 出現一定升高。在實際運行中應當考慮溫度對試樣老化分界線的作用。另外，溫度對絕緣壽命具有較大影響，以150℃下的耐電暈壽命為基準，在180、200℃時的耐電暈壽命分別下降了約35 min 和50 min，下降值分別約占150℃下耐電暈壽命的32%和42%。

（5）絕緣厚度對PDIV 具有顯著影響，MYFCRB-30 型試樣的PDIV 測試結果比MYFCRB-23 型提高了36%，提升了1.2 kV。6 kV 下MYFCRB-23型試樣的平均絕緣壽命約為472.5 min，MYFCRB-30 型試樣的平均絕緣壽命約為1 105.5 min，厚度增加使耐電暈壽命大幅提升，因此可考慮增加絕緣厚度以提升試樣的耐電暈壽命。