重复脉冲电压对变频电机匝间绝缘破坏影响机理研究

Energy conservation and emission reduction is the basic state policy. Adopting converter technology is one of the most important methods to increate energy efficiency level. In order to avoid insulation early failure and increase the reliability of the inverter-fed motors, repetitive impulsive voltage must be used to evaluate the corona resistance performance of the turn-to-turn insulation in inverter-fed motors. Based on our previous research results, the discharge inception, discharge process and the effects of impulsive parameters on insulation aging mechanism were studied under repetitive impulsive voltages with different parameters to: reveal the influence and mechanism of space charge and gas ionization on initial electrons generation and thus, construct initial electron probability model at impulsive voltages of different rise times, frequencies, duty cycles and polarities; verify the relationship between the repetitive impulsive voltage parameters and space charge accumulation, initial electron of electron avalanche, discharge physical/chemical process, discharge time/frequency features and erosion/breakdown areas; find out the influencing laws of impulsive voltage on endurance evaluation for insulation corona resistance performance and interpret the nonlinear relation between frequency and endurance results. The research results can provide experimental and theoretical basis for insulation evaluation for inverter-motor insulation under repetitive impulsive voltages.

节能减排是我国基本国策，采用变频技术提高电机能效水平是节能减排战略的重要组成部分。为避免变频电机绝缘早期失效、提高变频驱动可靠性，必须利用重复脉冲电压评估电机匝间绝缘耐电晕性能。项目组基于前期取得的研究成果，拟对重复脉冲电压参数对变频电机匝间绝缘起始放电产生、放电过程及绝缘破坏机理的影响展开系统研究，旨在：揭示具有不同参数的重复脉冲电压下，空间电荷和气体电离对初始电子产生影响机理，建立电压上升时间、重复频率、占空比、脉冲极性对变频电机匝间绝缘起始放电产生和发展过程的物理模型；探明重复脉冲参数与放电过程中表面电荷积累、电子崩初始电子产生、放电物理化学过程、放电时频域特性和腐蚀击穿区域的关联性；找出重复脉冲参数对变频电机匝间绝缘耐电晕寿命评定结果的影响规律，解释重复脉冲频率与耐电晕寿命的非线性关系，从而为基于重复脉冲电应力评估变频电机匝间绝缘耐电晕性能提供理论和实验依据。

变频电机已广泛应用于高速铁路、新能源汽车、舰船潜艇驱动等领域。变频电机绝缘系统受到高频、重复脉冲电压的影响而加速老化，早期失效现象时有发生。对此，应利用重复脉冲电压，对变频驱动的低压散绕电机和高压成型电机绝缘系统，分别进行局部放电起始放电电压和耐电晕寿命测试 ，并据此改善绝缘性能，确保电机服役中不出现局部放电或局部放电存在时绝缘系统耐电晕寿命满足要求。不同于传统正弦电应力下的绝缘测试和评估技术，重复脉冲电压下：重复脉冲波形参数对表面电荷分布及局部放电的统计特性影响尚不明确；重复脉冲参数对绝缘破坏过程、绝缘寿命影响及机理解释尚不清楚。项目搭建了最短上升时间为20 ns、最高峰峰电压为20kV、基他各参数在较宽范围可调的重复方波脉冲电压发生装置；设计了在0.8 〜1.5 GHz具有较好信噪比特性的阿基米德平面螺旋天线，解决了极陡脉冲电压下局部放电检测的技术难题。利用以上平台，研究了不同电压参数下脉冲电源干扰和局部放电时频统计特性、变频电机绝缘起始放电电压及绝缘寿命影响规律及机理。研究发现：重复脉冲电压下局部放电时频能量随着电压上升时间的减小而增大，认为等待初始电子产生时快速变化脉冲引起的激发电压升高改变了局部放电时频特性； 频率增大会引起小幅值、低相位的放电产生，较小占空比会导致局部放电统计谱图不对称分布；小于50ns时陡脉冲电压下的过电压是导致不同上升时间下局部放电起始放电电压测试结果差异的主要原因， 认为等待初始电子的延迟是不同过电压下局部放电起始放电电压变化的主要原因； 重复脉冲电压频率与电机漆包绝缘寿命存在非线性关系：在较低频率下，相对较少的脉冲既可导致绝缘击穿，提出方波脉冲频率对局部放电幅值和相位的改变是造成这种非线性关系的主要原因 。项目研究结论为变频电机绝缘系统在重复脉冲电压参数下绝缘性能的测试及可靠性评估、新一代电力电子驱动电机绝缘系统的设计、关键耐电晕材料的国产化提供理论和实验依据。