PWM脉冲电压下变频电机匝间绝缘研究

４０　朱勇穗等：ＰｗＭ脉冲电压下变频电机匝间绝缘研究　绝缘材料　２０１５，４８（５）　

ＰＷＭ脉冲电压下变频电机匝间绝缘研究　

朱勇穗，宋桂霞，张敬龙，姚建荣，王健　

（湘潭电机股份有限公司，湖南湘潭４１１１０１）　

摘要：定子绕组匝间绝缘失效是导致变频电机损坏的主要原因。以湘电１　６５０　Ｖ变频电机匝间绝缘结构为研　

究对象，对匝间绝缘用ＦＭＢ．４０线对和耐电晕ＦＣＲＭＢ．４０线对进行高频方波脉冲老化试验，分析两者老化前　

后介质损耗与局部放电的变化。结果表明：施加幅值２．０ｋＶ、频率２０ｋＨｚ的方波脉冲电压老化１　０００ｈ后，两　种结构都通过了老化试验。其中耐电晕ＦＣＲＭＢ一４０线对的表现较优，用于１　６５０　Ｖ变频电机匝间绝缘具有更　

佳的电气可靠性。　

关键词：匝间绝缘；耐电晕；介质损耗；局部放电；老化　

中图分类号：ＴＭ３０３．４；ＴＭ２０６　文献标志码：Ａ　文章编号：１００９—９２３９（２０１５）０５—００４０－０４　

Ｓｔｕｄｙ　０ｎ　Ｉｎｔｅｒ－ｔｕｒｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ－Ｆｅｄ　Ｍｏｔｏｒ　ｕｎｄｅｒ　

ＰＷＭ　Ｉｍｐｌｕｓｅ　Ｖｏｌｔａｇｅ　

Ｚｈｕ　Ｙｏｎｇｓｕｉ，Ｓｏｎｇ　Ｇｕｉｘｉａ，Ｚｈａｎｇ　Ｊｉｎｇｌｏｎｇ，Ｙａｏ　Ｊｉａｎｒｏｎｇ，Ｗａｎｇ　Ｊｉａｎ　

（Ｘｉａｎｇｔａｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｉａｎｇｔａｎ　４１１１０１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｄａｍａｇｅ　ｒｅａｓｏｎ　ｏｆ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ－ｆｅｄ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｍｏｔｏｒ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒ－ｔｕｒｎ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ．Ｕｓ。　

ｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒ－ｔｕｒｎ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　１　６５０　Ｖ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ－ｆｅｄ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｍｏｔｏｒ　ｆｒｏｍ　ＸＥＭＣ　ａｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｂｊｅｃｔ，ｗｅ　ｃｏｎ－　

ｄｕｃｔｅｄ　ａｇｅｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＦＭＢ－４０　ｅｎａｍｅｌｅｄ　ｗｉｒｅ　ａｎｄ　ａｎｔｉ—ｃｏｒｏｎａ　ＦＣＲＭＢ一４０　ｅｎａｍｅｌｅｄ　ｗｉｒｅ　ｕｎ－　

ｄｅｒ　ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｑｕａｒｅ　ｗａｖｅ　ｐｌｕｓｅ，ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｌｏｓｓ　ａｎｄ　ｐａｒｔｉａｌ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｂｅｆｏｒｅ　ａｎｄ　ａｆｔｅｒ　ａｇｅ—　

ｉｎｇ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｗｏ　ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｌｌ　ｐａｓｓ　ｔｈｅ　ａｇｅｉｎｇ　ｔｅｓｔ　ｆｏｒ　１　０００　ｈ　ｕｎ－　ｄｅｒ　ｓｑｕａｒｅ　ｗａｖｅ　ｉｍｐｕｌｓｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｗｉｔｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｏｆ　２．０　ｋＶ　ａｎｄ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　２０　ｋＨｚ．Ｔｈｅ　ｄｉｅｌｅｃ。　

ｔｒｉｃ　ｌｏｓｓ，ｐａｒｔｉａｌ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ａｎｄ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｂｒｅａｋｄｏｗｎ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｎｔｉ—ｃｏｒｏｎａ　ＦＣＲＭＢ一４０　ｓｈｏｗ　

ｂｅｔｔｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＦＭＢ－４０，ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｎｔｉ－ｃｏｒｏｎａ　ＦＣＲＭＢ－４０　ｕｓｅｄ　ｉｎ　１　６５０　Ｖ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ－ｆｅｄ　ｔｒａｃｔｉｏｎ　ｍｏ—　

ｔｏｒ　ｗｏｕｌｄ　ｈａｖｅ　ｍｏｒｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｒ－ｔｕｒｎ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ；ｃｏｒｏｎａ—ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｌｏｓｓ；ｐａｒｔｉａｌ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ；ａｇｅｉｎｇ　

０引　言　

随着电力电子技术的发展，脉宽调制（ＰｗＭ）技　

术的变频驱动越来越多的应用于风力发电、交流调　

速等领域，变频电机更是遍布各行各业，如轧钢电　

机、铁路及城轨交通牵引电机、电梯电机、起重电　

机、水泵电机、家用电器电机、压缩机等。然而变频　

电机绝缘的失效机理一直是变频电机设计的瓶颈，　

变频电机绝缘的过早损坏引起了国内外广大学者　

的关注，为推断高频方波脉冲下的绝缘寿命，建立　

了单因子老化和多因子老化模型ｎ。　。但相关文献　

主要集中在对Ｉ型散嵌绕组电机绝缘老化的研究　

上，对变频电机绝缘老化的系统研究，尤其是对　

收稿Ｅｌ期：２０１４．０７．２５　修回日期：２０１４．１１－１９　作者简介：朱勇穗（１９６３一），男（汉族），湖南长沙人，工程师，主要从　事电机绝缘结构设计及绝缘工艺分析工作。　Ｕｎ≥７００　Ｖ的ＩＩ型成型绕组变频电机绝缘失效机理　

的系统研究极少。　

针对湘电ｌ　６５０　Ｖ变频电机的匝间绝缘结构，　

采用试验对比分析高频方波脉冲电压下匝间绝缘　

的老化特征，在脉冲老化前后对耐电晕与普通绝缘　

结构的试样进行介质损耗、局部放电测试，选出较　

优匝间绝缘结构，为１　６５０　Ｖ变频电机绝缘结构的　

设计提供参考。　

１　试样制作与高频脉冲试验系统　

１．１试样制作　

试验采用如图１所示的绞线对试样，其绝缘结　

构与湘电１　６５０　Ｖ低压变频电机的绝缘结构相同。　

绞线对由两根电磁线并在一起，电磁线双边绝缘厚　

度为０．４０　ＩＴＩＩ

ＴＩ，外面用热收缩保护带扎紧后将线端　绝缘材料　２０１５，４８（５）　朱勇穗等：ＰｗＭ脉冲电压下变频电机匝间绝缘研究４１　

张开，夹角处用绝缘泥填塞以防止爬电。两根电磁　

线并行长度为２００　ＩｌｌｌＴＩ，线端张开角度为４５ｏ，折弯　

部分长度为５０　ｍＩｉ１，其中裸铜线部分长２０　ｍｉｌｌ。采　

用ＦＭＢ一４０电磁线（其绝缘结构为依次在扁铜线上　

１／２叠包一层聚酰亚胺薄膜与一层聚酯薄膜补强粉　

云母带）和ＦＣＲＭＢ．４０电磁线（其绝缘结构为依次在　

扁铜线上Ｉ／２叠包一层耐电晕聚酰亚胺薄膜与一层　

聚酯薄膜补强粉云母带）制作绞线对，编号分别为　

Ａ１～Ａ５和Ｂ１～Ｂ５。为了使试验数据不受试样参数离　

散性的影响，对试样进行预处理，包括预烘、真空压　

力浸渍（ＶＰＩ）、烘干，使试样达到预期的试验要求。　

ｆ　｝　＝　

泥　

图１绞线对试样　

Ｆｉｇ．１　Ｔｗｉｓｔｅｄ　ｐａｉｒ　ｓａｍｐｌｅｓ　

１．２高频脉冲试验系统　

按照ＩＥＣ　６００３４－１８．４１（ＧＢ／Ｔ　２２７２０．１—２ｏ０８）　

《电压型变频器供电的旋转电机Ｉ型电气绝缘结构　

的鉴别和型式试验》、ＩＥＣ　６００３４．１８．４２《电压型变频　

器供电的旋转电机ＩＩ型电气绝缘结构的鉴别和型　

式试验》及ＧＢ／Ｔ　２１７０７－－２００８（变频调速专用三相　

异步电动机绝缘规范》进行测试。　

老化试验系统如图２所示，采用ＨＰ一３五路高频　

脉冲绝缘测试装置，可同时对５个试样进行试验。　

空载时的脉冲电压参数：方波电压幅值２．０　ｋＶ，频率　

２０　ｋＨｚ，占空比５０％，上升沿时间５０　ｎｓ。满载后的　

脉冲电压参数：方波电压幅值２．０　ｋＶ，频率２０　ｋＨｚ，　

占空比５０％，上升沿时间３１６　Ｉ１Ｓ。　

隔　脉　高　

离　冲　频　＝Ｉ二　变　发　变压　生　压　

器　器　器　

图２方波脉冲老化系统图　

Ｆｉｇ．２　Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ａｇｅｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｎｄｅｒ　ｓｑｕａｒｅ　ｗａｖｅ　ｐｕｌｓｅ　

２结果与分析　２．１　电老化　将两种试样置于１５５℃的烘箱中，在上述高频　

脉冲试验系统中进行试验，经过１　０００　ｈ的方波脉冲　

电压冲击未发生击穿现象。　

２．２老化前后两种结构的介质损耗试验　

绝缘的整体性缺陷在一定程度上可以通过介　

质损耗因数（ｔａｎ　）反映出来，这些绝缘缺陷包括绝　

缘老化、绝缘污染受潮、绝缘结构中有气隙等。研　

究脉冲电压老化下匝间绝缘结构的ｔａｎ　变化趋势对　

研究变频电机绝缘老化状态评估技术、提高其运行　

可靠性具有重要意义。对于绞线对来说，介质损耗　

主要来自４个方面，即绝缘体内由直流泄漏导致的　

电导损耗、由偶极子取向极化导致的松弛极化损　

耗、复合介质界面处空间电荷引起的夹层极化损　

耗以及在高场强下由介质内部局部放电引起的损　

耗　。　

图３为试样常态下老化前后在０．２Ｕｎ下的ｔ　，　

图４为试样常态下老化前后的Ａｔａｎ￣，测试电压ｕＩｌ＝　

３　ｋＶ　

试样编号　图３　常态下老化前后试样的ｔａｎ　ｃ￣。　

Ｆｉｇ・３　Ｔａｎ３ｍ２ｕ。ｏｆ　ｓａｍｐｌｅｓ　ａｔ　０．２Ｕｎ　ｕｎｄｅｒ　

ｎｏｒｍａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　

Ｏ　ｌ　２　３　４　５　６　试样编号　图４常态下老化前后试样的Ａｔａｎ　

Ｆｉｇ．４　Ａｔａｎ６　ｏｆ　ｓａｍｐｌｅｓ　ｕｎｄｅｒ　ｎｏｒｍａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　

ｑ曩　４２　朱勇穗等：ＰｗＭ脉冲电压下变频电机匝间绝缘研究　绝缘材料　２０１　５，４８（５）　

从图３—４可以看出，老化前，在常态下　

ＦＣＲＭＢ．４０线对的介质损耗因数ｔａｎ　和介损增　

量△ｔａ　（△ｔａｎ　＝１／２（ｔａｎ　一ｔａＩ１　））都比普通　

ＦＭＢ．４０线对的大，这是由耐电晕层中无机纳米粒　

子引起的，因为耐电晕薄膜中一般会掺杂无机纳米　

Ａｌ：Ｏ，或ＴｉＯ：，纳米粒子具有比聚酰亚胺薄膜更好的　

导电和导热性能，使得耐电晕聚酰亚胺薄膜中由直　

流泄漏产生的电导损耗比纯聚酰亚胺薄膜的大；另　

外，纳米粒子相对聚酰亚胺分子具有更高的活性，　

由偶极子产生的松弛极化损耗及气隙中空间电荷　

产生的夹层极化损耗也比纯聚酰亚胺薄膜的大。　

从两图中还可以看出，ＦＣＲＭＢ．４０线对的ｔａｎ　。　、　

Ａｔａｎ￣分散性较大，这与耐电晕薄膜的制造工艺有着　

直接的关系，纳米粒子以纳米粉的形式掺杂到聚酰　

亚胺薄膜中，进料速度、搅拌速度　搅拌时间都会影　

响纳米粒子在聚酰亚胺薄膜中的分散性，导致纳米　

粒子在薄膜中团聚，大粒径的团聚不仅没有耐电晕　

的作用，反而会使聚酰亚胺薄膜的电气性能降低　。　

老化后，两种线对的ｔａｎ　都增加，但　

ＦＣＲＭＢ．４０线对的ｔａｎ　相对ＦＭＢ．４０线对的小，　

这与老化前的对比结果相反。这可能是由于老化　

过程的电、热联合作用，使得纳米粒子从聚酰亚胺　

薄膜中析出，耐电晕薄膜的松弛极化损耗和夹层极　

化损耗降低，抵消了一部分老化缺陷带来的介损增　

量。但ＦＣＲＭＢ．４０线对的Ａｔａｎ￣相对老化前增大了　

许多，这是因为薄膜中的纳米粒子析出产生大量的　

微气隙空穴，随着试验电压的不断升高，绝缘层内　

气隙产生的局部放电急剧增大，导致由局部放电产　

生的介质损耗增大，造成Ａｔａｎ￣增大　。而老化后纯　

聚酰亚胺薄膜ＦＭＢ．４０线对的Ａｔａｎｃ￣Ｉ：Ｌ老化前的小，　

可能是绝缘层中水分等小分子物质挥发，相应降低　

了绝缘内部小分子偶极子数量和离子载流子的迁　

移率。但是，老化后ＦＭＢ一４０线对的ｔａｎ　急剧增　

大，说明绝缘层已受到严重破坏，形成较大的缺陷。　

图５为１５５℃温度下老化前后线对在０．６Ｕｎ下　

的ｔａｎ，￣，比较图中两种结构的热态介质损耗，在　

０．６Ｕｎ（１．８　ｋＶ）、１５５℃高温下，ＦＣＲＭＢ．４０线对和　

ＦＭＢ．４０线对的ｔａｎ８　差异不大，这是因为此时电　

压起主导作用，在高场强下，由介质内部局部放电　

产生的附加损耗占主导作用。　０　ｌ　２　３　４　５　６　试样编号　图５老化前后试样在０．６Ｕｎ下的ｔａｎ，￣０５５℃１　Ｆｉｇ．５　Ｔａｎ６　ｏｆ　ｓａｍｐｌｅｓ　ａｔ　１５５℃ｕｎｄｅｒ　０．６Ｕ．