變頻電機(jī)絕緣損壞機(jī)理分析

冶金之家網(wǎng)站變頻電機(jī)絕緣損壞機(jī)理分析陳黎明（馬鞍山鋼鐵股份有限公司電氣修造有限公司，安徽馬鞍山243061）摘要：從過電壓、熱效應(yīng)以及局部放電三個(gè)方面敘述了變頻電機(jī)絕緣所承受的電動(dòng)力、熱應(yīng)力等和普通電機(jī)的不同，分析了變頻電機(jī)絕緣損壞的原因。關(guān)鍵詞：變頻電機(jī)；絕緣；PWM波；脈沖；局部放電；介質(zhì)1引言20世紀(jì)70年代，矢量控制理論開始提出，到80年代，電力電子學(xué)的發(fā)展和微電子技術(shù)的進(jìn)步，使得矢量控制從理論走向?qū)嵺`，到90年代，基于矢量控制理論的現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)普遍運(yùn)用，并且在大容量調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)開始取代直流調(diào)速系統(tǒng)，變頻電機(jī)逐步取代直流電機(jī)。進(jìn)入21世紀(jì)，交流調(diào)速系統(tǒng)和變頻電機(jī)在各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域的使用越來越廣泛。按照傳統(tǒng)電機(jī)理論，變頻電機(jī)除冷卻系統(tǒng)不同于普通電機(jī)外，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造均可滿足變頻電機(jī)的需要，甚至提出普通電機(jī)可直接用于變頻調(diào)速系統(tǒng)。但在變頻電機(jī)的使用過程中，尤其是IGBT等高開關(guān)頻率元件的使用，人們發(fā)現(xiàn)，變頻電機(jī)特別是低壓變頻電機(jī)的使用壽命，由于絕緣過早失效，與普通電機(jī)相比顯得很短，長則1~2年，短則幾個(gè)星期，由此引起相關(guān)技術(shù)人員開始對(duì)變頻電機(jī)絕緣損壞機(jī)理的研究和分析。我們知道，變頻電機(jī)廣泛采用PWM調(diào)制驅(qū)動(dòng)，其輸出波形為不同脈寬的方波，通過對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)制，使電機(jī)繞組中的電壓和通過的電流波形接近于正弦波，其調(diào)制頻率范圍為幾百赫茲到幾十千赫茲，隨著IGCT等新型電子元件的使用，電壓、電流波形更加等效于正弦波，其調(diào)制頻率越來越高，電機(jī)在這種高頻脈沖方波的電源條件下，其絕緣承受的電動(dòng)力、熱應(yīng)力、機(jī)械力等和傳統(tǒng)電機(jī)相比，將有著很大的不同。2變頻電機(jī)的過電壓變頻電機(jī)除了承受傳統(tǒng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的操作過電壓等作用外，還要承受絕緣中反向電場(chǎng)疊加和PWM波行波造成的過電壓，這些過電壓的作用是伴隨電機(jī)運(yùn)行始終存在，并且相對(duì)于額定電壓有較大的幅值。（1）反向電場(chǎng)疊加過電壓。由電介質(zhì)理論可知，絕緣介質(zhì)在外加一電場(chǎng)后，將產(chǎn)生位移極化和偶極轉(zhuǎn)向極化。正、負(fù)電荷的相對(duì)位移，形成的極化稱之為位移極化，位移極化是瞬間完成的，又稱瞬間位移極化，極化時(shí)間約為10-15~10-12s，由于偶極子的轉(zhuǎn)向形成的極化稱之為偶極轉(zhuǎn)向極化，偶極轉(zhuǎn)向極化是相對(duì)緩慢的極化，又稱松馳極化，極化時(shí)間約為10-10~10-2s。由于PWM脈沖電壓頻率較高，幾百赫茲到幾十千赫茲，周期約在10-3~10-5s級(jí)別，已大于松馳極化時(shí)間（常用的有機(jī)絕緣材料極化以松馳極化為主），當(dāng)極性發(fā)生變化時(shí)，原先因電離作用產(chǎn)生的空間積累電荷建立的電場(chǎng)（極性改變前，該感應(yīng)電場(chǎng)是外加電壓電場(chǎng)的反向電場(chǎng)）變化滯后，形成反向電場(chǎng)與外加電場(chǎng)一致，增加了繞組絕緣材料的場(chǎng)強(qiáng)。理論上，PWM波極性轉(zhuǎn)變瞬間，絕緣承受的場(chǎng)強(qiáng)是原電場(chǎng)的2倍。（2）PWM波行波過電壓。PWM脈沖電壓由于其頻率較高，其行波效應(yīng)或行波反射是十分明顯的。我們知道，電壓信號(hào)在電纜上的傳輸是一個(gè)波過程，電纜特性阻抗，反射系數(shù)為負(fù)荷特性阻抗）。針對(duì)電纜其電感L0是很小的（有時(shí)為了提高匹配程度，采用集中電感的方式提高電纜的特性阻抗），而分布電容C0較大，因此，ZL一般很小，而電機(jī)線圈為集中電感線圈，電感大、分布電容小，因此有Zd>>Zl，并且，頻率增加時(shí)，電纜受L0、C0的影響，wL0增加幅度較小，wC0增加幅度較大，造成ZL更小，所以PWM電壓傳輸過程中，反射系統(tǒng)，即產(chǎn)生全反射。在傳輸節(jié)點(diǎn)處，電機(jī)輸入端為電壓波波峰效應(yīng)，電流波則成波谷效應(yīng)。由此可見，PWM脈沖電壓波的傳輸過程中，由于傳輸電纜的阻抗遠(yuǎn)小于電機(jī)和逆變器的阻抗，使反射波量加到電機(jī)入端，理論上電機(jī)入波同波過程承受接近2倍的工作電壓。3變頻電機(jī)的熱效應(yīng)除了普通電機(jī)的熱效應(yīng)外，變頻電機(jī)絕緣承受著PWM脈沖電壓帶來的熱效應(yīng)，明顯的集膚效應(yīng)和絕緣介質(zhì)自身發(fā)熱的熱效應(yīng)。（1）集膚效應(yīng)，由于PWM脈沖電壓的頻率較高，電機(jī)的集膚效應(yīng)較為明顯，且該集膚效應(yīng)不同于普通電機(jī)僅在起動(dòng)時(shí)較為突出，而是較高的運(yùn)行電壓的頻率使該熱效應(yīng)始終存在。特別是在電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組導(dǎo)體中猶為明顯，其損耗加大，發(fā)熱嚴(yán)重，定子繞組中也存在著一定的集膚效應(yīng)，因此，變頻電機(jī)因?yàn)槊黠@的集膚效應(yīng)造成的發(fā)熱較普通電機(jī)大。（2）絕緣介質(zhì)的自身發(fā)熱，變頻電機(jī)中因PWM的調(diào)制作用，使得絕緣介質(zhì)中的電耦極子頻繁地轉(zhuǎn)動(dòng)，使得絕緣材料的電應(yīng)力增加，從而造成介質(zhì)損耗的增大和介質(zhì)的發(fā)熱，電機(jī)的絕緣程度因熱疲勞而過早地降低。這種自身發(fā)熱不同于普通電機(jī)泄漏電流流過絕緣介質(zhì)造成的發(fā)熱，而是其內(nèi)部電偶極子頻繁轉(zhuǎn)動(dòng)造成的發(fā)熱。目前有機(jī)絕緣材料的固有頻率一般為幾十千赫茲到幾百千赫茲，PWM電壓制頻率最高已達(dá)幾十千赫茲，接近于絕緣材料固有頻率的下限，隨著IGBT、IGCT開關(guān)元件的運(yùn)用，電壓頻率將越來越高，介質(zhì)損耗將增大，絕緣自身的發(fā)熱趨于嚴(yán)重。假設(shè)當(dāng)PWM調(diào)制頻率繼續(xù)增大到接近絕緣材料的固有頻率，絕緣材料就會(huì)象微波加熱有機(jī)食品一樣被加熱，這是現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)對(duì)電機(jī)絕緣技術(shù)提出的問題。當(dāng)然，今后將納米級(jí)的無機(jī)絕緣材料填充改性聚酰亞胺樹脂而制成的絕緣材料產(chǎn)品將能徹底解決這個(gè)問題，現(xiàn)階段主要采用性能優(yōu)異的H級(jí)聚酰亞胺類絕緣材料和無機(jī)絕緣材料來滿足變頻電機(jī)的要求。4變頻電機(jī)絕緣局部放電局部放電是造成變頻電機(jī)絕緣損壞的主要原因之一。一般局放對(duì)絕緣產(chǎn)生的破壞作用大致有幾種基本形式：（1）由于局放時(shí)，電子和離子的撞擊，造成表面的侵蝕，再加上能量消耗產(chǎn)生局部過熱，造成高聚物裂解；（2）由于局放中產(chǎn)生的臭氧與其它產(chǎn)物和絕緣材料起化學(xué)反應(yīng)，使絕緣材料性能劣化；（3）由于局放產(chǎn)生的紫外線、軟X射線與輻射，使絕緣材料變質(zhì)，其中以（1）、（2）種形式是最常出現(xiàn)的破壞形式。一般來說，表面局放都比較劇烈，電子撞擊介質(zhì)的能量（超過10ev）足以使高聚物的鏈斷裂（C-H鏈為3.5ev，C-C鏈為6.2ev），表面局放使空氣中O2、H2O容易生成臭氧、硝酸，絕緣材料與這些生成物起化學(xué)反應(yīng)而變質(zhì)。在脈沖波作用下，隨著頻率的增加，空間電荷積累效應(yīng)更加明顯，脈沖電壓極性變化時(shí)，空間積累電荷的極性滯后于脈沖極性變化，反向電場(chǎng)的疊加，使得局放起始電壓下降，放電量增大，單位時(shí)間放電次數(shù)增加，電壓脈沖幅值的升高，局放放電量和放電次數(shù)增加；溫度的升高，使得局部放電起始電壓降低，平均放電量增加。試驗(yàn)表明，在常用調(diào)制頻率的PWM波作用下，當(dāng)電壓達(dá)到700V時(shí)，一般絕緣材料由于其中雜質(zhì)或氣隙將會(huì)發(fā)生局部放電。在380V的變頻電機(jī)中，其脈沖幅值已達(dá)500V以上，加上反向電場(chǎng)疊加和脈沖波行波效應(yīng)以及熱效應(yīng)，足以使絕緣中的雜質(zhì)和氣隙發(fā)生局部放電。變頻電機(jī)采用聚酰亞胺系列絕緣材料和采用真空壓力無溶劑浸漆（VPI）的出發(fā)點(diǎn)就是靠材料的性能和“無氣隙”浸漬來減少雜質(zhì)和氣隙，而納米級(jí)絕緣材料因?yàn)槠浔砻骐妼?dǎo)率較大，可以較好地疏導(dǎo)駐留電荷，使反向電場(chǎng)疊加作用減小，無機(jī)絕緣材料則因?yàn)槠潆x子的瞬間極化使駐留電荷極性與脈沖極性保持同步或超前。當(dāng)然，無