交流變頻電機絕緣的試驗和應用

名稱:交流變頻電機絕緣的試驗和應用
摘要交流變頻調速電機絕緣早期損壞是局部放電、空間電荷、電介質損耗發熱、電磁激振和振動等多種因素共同作用的結果。設計交流變頻電機絕緣結構時，必需選用耐電暈的電磁線；選用耐電暈的絕緣材料和低揮發份無溶劑樹脂，形成「無氣隙絕緣」，提高絕緣結構的整體性。目前我廠變頻電機的製造已經起步，且市場前景良好。變頻電機的絕緣性能基本上能夠滿足用戶的使用要求。但目前國內製造的用於變頻電機的電磁線和絕緣材料與國外同類產品相比尚有較大的差距。今後應大力進行這方面的研究開發工作，並進行有關變頻電機的絕緣結構壽命評定的試驗研究工作。
隨著電力電子技術及新型半導體器件的迅速發展，交流調速技術得到不斷地完善和提高。性能逐步完善的變頻器的問世，以其良好的輸出波形，優異的性能價格，使其日益擴大交流調速的市場，從而使交流調速得到廣泛應用。例如：鋼廠用於軋鋼的大型電動機和中、小型輥到電動機；鐵路及城市軌道交通用牽引電機；電梯電機；集裝箱起吊設備用起重機；水泵和風機用電；壓縮機、家用電機用電機等都相繼使用交流變頻調速電機，取得了良好的效果。
採用交流變頻調速電機比直流調速電機具有顯著的優點主要是：
（１）調速容易、節能。
（２）交流電機結構簡單、體積小慣量小，造價低、容易維修、內用。
（３）可以擴大容量、實現高轉速和高電壓運行。
（４）可以實現軟啟動，實現快速制動。
（５）無火花、防暴、環境適應能力強。
近期內，國際上變頻調速轉動以每年１３％－１６％增長率發展，並有逐步取代大部分直流調速轉動的趨勢。由於以恆頻。恆壓供電進行特性設計和結構設計的普通非同步機應用於變頻調速系統時，畢竟存在這很大的局限性。應此，國外有關廠商都有專用的變頻交流電動機系列推出，推向市常這些變頻專用的非同步電動機根據使用的場合和使用要求的不同，在設計上有側重：有低噪音、低震動用的電機；有提高低速轉矩特性的專用電機；有高速專用電機；有帶測速發電機的電機以及矢量控制專用電機等。值得注意的是：隨著交流變頻電動機的廣泛使用，國內外都相繼出現大批交流變頻調速電動機絕緣早期順壞的現象，許多交流變頻電機運行的壽命只有１－２年，有的甚至只有幾個星期以至於在試運行中電機絕緣就出現損壞，而且損壞通常發生在匝間。對此，引起國內外學者和專家的特別關注。這也是電力逆變技術的發展應用給電機絕緣技術提出的新課題。實踐證明，過去年幾十年研究和制定的與工頻正玄波電機有關的絕緣設計理論，不能適用於交流變頻調速電機。需要研究變頻電機絕緣的損壞機理，制定關於交流變頻電機絕緣設計的基本原理，建立交流變頻電機的工業標準和導則。
我廠於８０年代末期即開始研製開發交流變頻電機。１９９６年ＹＴＳＰ交流變頻電機即通過上級部門組織的鑒定，投入批量生產。為了解決變頻電機的絕緣問題，１９９７年９月上海市科委正式下達項目，由上海交通大學和我廠共同進行了「變頻電機絕緣技術關鍵問題的研究」。本文主要敘述我廠在交流變頻電機的研究、開發、製造，特別是１９９７年以來，我廠在交流變頻電機的絕緣方面所進行的試驗和應用工作。
１變頻電機絕緣的損壞機理
１．１電磁線的損壞
（１）局部放電和空間電荷。目前，變頻調速交流電機均採用ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄｇａｔｅｂｉｐｏｌｅｒｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ絕緣柵二極體）技術ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ脈寬調製）變頻器控制。其功率範圍大約是０．７５－５００ＫＷ。ＩＧＢＴ技術可以是提供上升時間極短的電涌，其上升時間是２０－１００ｍｓ，所產生的電脈衝有極高的開關頻率。達到２０ｋＨｚ。當一個快速上升沿電壓從變頻器導電機終端電纜時，由於電機和電纜的阻抗不匹配，產生一個反射電壓波。這個反射波返回變頻器，並在感應出另一個由於電纜和變頻器阻抗不匹配而產生的反射波加在原始電壓波上，從而在電壓波前沿產生一個尖鋒電壓（見圖１所示）。尖鋒電壓的量級取決於脈衝電壓的上升時間和電纜的長度。
通常電纜長度增加時，電纜兩端都產生電壓。電機端的過電壓幅值隨電纜長度增加而增加，並趨於飽和。而電源端的過電壓比電機端的過電壓小，並幾乎與電纜長度無關。試驗證明，過電壓開始產生於電壓上升沿和下降沿處，併發生衰減振蕩，其衰減服從於指數規律，振蕩周期隨電纜長度而增加。
對ＰＷＭ驅動脈衝波形有二種頻率，其一是開關頻率，它表示脈衝速度。尖鋒電壓的重複頻率與開關頻率成正比。另一個是基本頻率，直接控制電機的轉速。在每一個基本頻率開始時，脈衝極性從正到負或從負到。所以，在這一時刻，電機絕緣承受著一個由二倍於尖鋒電壓值的全幅電壓。另外，在一個散嵌繞組的三相電機中，相鄰二匝可能會分屬不同的相，由於在二個相鄰二匝種的電壓極性可能會不同，全幅電壓的躍變也有可能達到二倍於單個尖鋒電壓值。根據測試在電機端看ＰＷＭ變頻器輸出的電壓波形、在一個３８０／４８０Ｖ系統中，測得的尖鋒電壓值為１．２－１．５ＫＶ，而在５７６／６００Ｖ的交流系統中，測得的尖鋒電壓值為１．６－１．８ＫＶ。非常明顯，在此全副電壓作用下，繞組匝間產生表面局部放電。由於電離作用，在空氣縫中又會產生空間電荷，從而形成一個與外加電場反向的感應電常當電壓極性改變時，這個反向電場與外加電場方向一致。這樣，一個更高的電場產生，它會導致局部放電的數量增加，最終引起穿擊。測試表明，作用於這些匝間絕緣的電衝擊嚴酷程度取決於導線特定的性能和ＰＷＭ驅動電流的上升時間。如果上升時間小於０．１ｍｓ，那麼將有８０％的電勢加在繞組的前二匝上，即上升時間越短，電衝擊就越大，匝間絕緣的壽命就越短。
（２）快速上升，下降沿脈衝產生電介質加熱，導致絕緣加速老化。在正玄電壓下，每單位體積的損耗是：
Ｎｉ＝ｅ０Ｅ２ｗ２ｔ（ｅＳ－ｅ０）／（１ｗ２－ｔ２）
公式中，ｅ－空氣的介電常數，Ｅ—外加電場常數，ｗ－２ｐｆ，ｔ－鬆弛時間常數。
假設＜１，則ＮＩ與ｗ２成正比。當Ｅ超過絕緣體臨界值時，其介質損耗速度迅速增加，結果產生熱量，這些熱量則引起更大的漏電流，從而Ｎｉ使更為上升，即電流升溫上升，絕緣加速老化。
總之，在變頻電機中正是由於上述局部放電，電介質加熱，空間電荷感應等因素的共同作用引起電磁線的過早老化。
１．２主絕緣、相絕緣和絕緣漆的損壞
如前所說，採用ＰＷＭ變頻電源，使變頻電機的端子處出現幅值增加的振蕩電壓。因此，電機的主絕緣、相絕緣和絕緣漆承受更高的電場強度。根據測試，由於變頻器輸出端電壓上升時間，電纜長度和開關頻率等因素的綜合影響，上述端電壓峰值可能超過３ＫＶ。另外，當電機繞組匝間發生局部放電時，會使絕緣中分佈電容所儲存的能量變為熱，輻射以及機械和化學能，從而劣化為整個絕緣系統，大大降低絕緣的擊穿電壓，直到擊穿電壓達到所加電壓的水平，以至於最終發生整個絕緣系統的損壞和故障。
１．３頻繁的起制動、電磁激振力和震動系統的循環交變應力造成電機絕緣的加速老化
採用ＰＷＭ變頻電源供電，使變頻電機可以在很低的頻率和較低的電壓下以及無衝擊電流情況下啟動，並可以在利用變頻器所提供的各種方式進行快速制動。即由於變頻電機可實現頻繁的起制動，使電機絕緣處於循環交變應力作用，電機絕緣加速老化。
在普通非同步電機中業已存在由於電磁、機械、通風等因素引起的噪音、振動等問題。對於變頻電機，由於採用ＰＷＭ電源，噪音、振動等問題變得更為複雜。變頻電源中含有的各次時間諧波與電磁部分固有空間諧波相互干預，形成各種電磁激振力。同時，由於電機工作頻率範圍寬，轉速變化大，當與機械部分各種結構的固有頻率相一致時，共振很有可能出現。在此電磁激振力和震動影響下，電機絕緣再次處於循環交變應力作用，加速電機絕緣老化。
２．變頻電機絕緣的加強措施
根據上述變頻電機絕緣損壞機理，變頻電機絕緣結構加強措施主要是：選用合適的電磁線；獲得無氣隙絕緣；改善整個絕緣結構的整體性，提高機械強度，採用合理的加工工藝。
２．１電磁線的選用
如前所述，變頻電機中的電磁線處於由大量諧波與瞬態變化的脈衝電壓作用下，使電磁線早期損壞。因此，電磁線的絕緣性能對變頻電機絕緣結構可靠性的影響尤為重要。
對於功率在３００ＫＶ以下的變頻電機，一般均採用圓漆包線。對圓漆包線的質量，需要注意的是：１）耐熱性；２）軟化擊穿；３）漆膜連續性；４）介損曲線；５）耐脈衝電壓性能；６）柔軟性。根據上述要求，對Ｆ？Ｈ級變頻電機，目前國內可供選擇的漆包線主要是ＱＺＹ－２和Ｑ（ＺＹ／ＸＸ）－２，但試驗表明，ＱＺＹ－２漆包線質量分散性較大，同樣的ＱＺＹ－２漆包線其ｔｇ？－ｔ曲線相差較大，且其在高溫時的ｔｇ？值較大，這是對變頻電機是不利的（見圖２所示），而Ｑ（ＺＹ／ＸＸ）－２漆包線其ｔｇ？值明顯低於ＱＺＹ－２。可以看出選用Ｑ（ＺＹ／ＸＸ）－２漆包線是有利的。
對變頻電機用的漆包線，國內目前均已採用專用的特殊漆包線，據悉，其耐脈衝衝擊電壓性能較Ｑ（ＺＹ／ＸＸ）－２提高２００倍。為了解國內外漆包線的差距，我廠對進口ｆ１．０６變頻電機專用漆包線與國產Ｑ（ＺＹ／ＸＸ）－２漆包線進行了對比試驗，試驗結果見表１所示。
試驗結果表明：
（１）進口漆包線與國產漆包線相比其電阻值基本相似，但特別柔軟，這說明銅材的質量由較大的差異，漆包線柔軟使線圈繞線方便，容易成形；嵌線方便，減少了由於敲打受損的幾率，應該說這是很有利的。國產漆包線的柔軟性不僅比國外差而且處於不穩定狀態。
（２）進口漆包線的軟化擊穿性能優於國產漆包線，且國產漆包線的軟化擊穿試驗結果分散性較大，說明漆包線漆的內在質量存在較大差異。
（３）進口漆包線的「漆膜連續性」性能明顯優於國產。漆膜連續性指標在很大程度上反映出漆包線的質量分散性，它取決於銅絲的表現質量，漆包線漆的質量，塗漆工藝，塗漆設備的性能，環境清潔度等因素的綜合影響。據悉，進口漆包線採用「在線檢測」設備，嚴格控制漆包線的「針孔」，以確保漆包線的質量。這是值得借鑒的。
（４）共頻穿擊電壓與溫度的關係試驗表明，進口漆包線的穿擊電壓隨著溫度的升高有明顯的下降（下降４３％），而國產漆包線僅下降１１％－１４％；但進口漆包線耐脈衝性能卻高於國產漆包線，即為滿足變頻電機的耐脈衝擊穿電壓的要求，進口漆包線是犧牲了一部分漆包線的高溫擊穿強度，但提高了耐脈衝擊穿電壓的性能，這是值得深思的。
根據上述試驗情況，我廠對變頻電機用漆包線的漆膜厚度及其均勻性予以特殊關注，嚴格控制其質量，一方面加強進廠檢驗，另一方面我廠規定大幅度提高所有變頻電機嵌線后（白胚）的匝間試驗電壓。不合格則不得進入下工段繼續加工。實踐證明，我廠製造的變頻電機出廠后，情況良好。
對於３００ＫＷ以上的變頻電機，由於採用整嵌組繞，理論上分析在相同工作電壓下，其匝間承受的衝擊電壓較散嵌組繞有所改善。但由於其工作電壓較高，一般為１０００Ｖ以上，因此，匝間衝擊電壓幅值是較高的。一般來說，對於３００ＫＷ以上的變頻電機，均採用聚醯亞胺薄膜包燒結導線，國外也有專門用於變頻電機的耐高頻脈衝的聚醯亞胺薄膜包燒結導線，類似的薄膜包燒結導線國內也正在研究、開發。
２．２無氣隙絕緣
如前所說，變頻電機絕緣結構中如果存在氣隙，在高頻脈衝電壓的作用下，在空氣隙中會產生空間電荷，導致局部放電的增加，最終引起絕緣損壞。為了取得無氣隙絕緣，主要關鍵是選擇合適的浸漬漆，確定浸漬乾燥工藝。
（１）浸漬漆的選擇。日前，Ｆ、Ｈ級浸漬漆大致分為有溶劑漆；苯乙烯型無溶劑漆，低揮發份聚酯型無溶劑樹脂。對於有溶劑漆，由於含有５０％左右的溶劑，在烘培過程中溶劑大量揮發，固化后，僅有４５％的固體含量，繞組間含有大量氣隙，不能使用。對於苯乙烯型無溶劑樹脂，含有大約３０％的苯乙烯單體，在高溫固化時，也約有２０％的揮發物，同樣，也不能形成無氣隙絕緣。低揮發份聚酯型無溶劑樹脂是國際上第三代浸漬樹脂，其固化速度快，固化過程中揮發物小於５％。採用適當的浸漬工藝，基本上可以形成「無氣隙絕緣」。我廠對國產進口的低揮發份聚酯型無溶劑樹脂及苯乙烯型無溶劑樹脂進行了性能對比試驗（詳見表２所示）。試驗證明，國產的聚酯型無溶劑樹脂的性能步低於同類型的進口樹脂，我廠用此樹脂製造變頻電機，效果良好。
（２）浸漬工藝的選用。常用的浸漬工藝大致分為：１）沉浸－烘培固化；２）滴浸－旋轉固化；３）真空壓力沉浸－烘培固化（簡稱ＶＰＩ工藝）；４）真空壓力沉浸，旋轉烘培固化。
對於浸漬工藝，適用於一般要求的電機。對於交流變頻電機，由於電機品種規格較多，電機工件大小差異較大，故不能採用滴浸或滾浸工藝，較為合適的是採用真空壓力沉浸工藝，真空壓力沉浸工藝能使浸漬樹脂滲透到位。嵌線后，在白胚情況下，必需嚴格按照匝間衝擊試驗標準進行試驗，以確保電氣絕緣性能可靠。
２．３提高絕緣結構整體機械強度
如前所說，由於電磁激振力以及振動等影響，變頻電機絕緣結構應儘可能提高其整體機械強度。為此，在選用絕緣材料時，應充分注意選用容易放到電機絕緣結構中的各個部位，充分填充繞組間的「空隙」，做到「無氣隙」絕緣。採用ＶＰＩ工藝必須採用低揮發份浸漬樹脂，同時，也要求浸漬樹脂有較長的儲存期。為了防止低揮發份浸漬樹脂在烘培，固化過程中流失，採用ＶＰＩ工藝以及旋轉烘培固化工藝，則可以得到十分完善的「無氣隙絕緣」。
２．４採用合理的繞線、嵌線等加工工藝
對於變頻電機，對電磁線的質量以及絕緣結構整體性等均有較高的要求。因此，對於繞線、嵌線、綁紮等加工工藝必須嚴加管理，特別是在繞線、嵌線過程中防止損傷導線，嵌線過程應保證槽絕緣、相絕緣放置到位。相絕緣應採用容易被絕緣漆浸透的材料；線圈端部應加強綁紮、固定，確保端部成為一個整體，採用ＶＰＩ及旋轉烘培固化工藝，也有利於提高絕緣結構整體機械強度。
２．５控制變頻器到電機終端的聯結電纜長度、避免局部放電，延長電機壽命
如前所說，由於阻抗的不匹配，隨著聯結電纜長度增強，電機終端的過電壓幅值隨之增加，這有助於引起局部放電。為此，對於變頻電機的製造廠，應充分了解所使用的各種變頻電源，確定聯結電纜的極限長度，並告之用戶，以便儘可能減小電機端的過電壓幅值，避免局部放電，延長電機壽命。
３變頻電機的防潮試驗
按照上述變頻電機的加強措施，我廠任意抽取ＹＴＳＰ－１６０（１５ＫＷ、３８０Ｖ、Ｆ級）兩台；ＶＭ－１６０（１２．５ＫＷ、３４０Ｖ、Ｆ級）兩台；ＹＳＧ１３２Ｍ１－６（１．７ＫＷ、３８０Ｖ、Ｈ級）兩台，進行６晝夜（２５－４０Ｃ）防潮試驗。防潮試驗見表３所示。
試驗結果表明，變頻電機的防潮性能良好，滿足防潮電機標準要求。
４變頻電機的製造
交流變頻調速三相電機的研製、開發工作，我廠於８０年代末期開始，當時為了適應機床行業製造數控機床的需要，我廠研製、開發應用於數控機床主軸系統和伺服系統的三相非同步電動機。進入９０年代后，市場信息表明：以變頻調速電機與變頻電源配套的交流變頻調速系統有廣泛的發展前景。為此，我廠意識到這是一個機會，我廠藉助於開發交流主軸電機和伺服電機的技術優勢，繼續抓緊進行了研製開發工作。開發了一種對各個行業都適用，有優良性能價格比的交流變頻調速電機系列。為此，我廠於１９９３年開始ＹＴＳＰ系列變頻調速三相非同步電動機的試製、開發。１９９４年起又開始進行專門用於鋼廠傳動設備的ＹＳＧ系列輥道用變頻調速三相非同步電動機的試製。經過幾年的努力ＹＴＳＰ系列、ＹＳＧ系列分別於１９９６年和１９９８年通過鑒定，並投入批量生產。另外自１９９６年以來，為滿足電梯和港口起重行業的需要，試製、批量生產ＶＭ系列電梯用交流變頻調速電機。據不完全統計，我廠於１９９６年以來，變頻電機產值基本上以４０％以上的速度增長。
２０００年變頻電機產量達４６００台，總功率為８．４萬ＫＷ，產值達到５０００萬元。據不完全統計至２０００年，我廠總計已經製造交流變頻電機１４，５６５台，其中至少有２０％以上電機已運行三年以上。據統計，使用過程中，因匝間擊穿引起電機早期損壞比例小於０．２％。實踐證明，我廠生產的變頻電機電器絕緣性能處於受控狀態。另外，我廠製造的ＹＴＳＰ變頻電機和ＹＴＳＺ交流變頻起重電機（絕緣系統Ｈ級）於２０００年１月通過ＵＬ和ＣＳＡ認可，認證號：ＵＬ；ＦＩＬＥ：Ｅ２０４８５８。
５結論
（１）變頻電機絕緣損壞，並非一個因素造成，而是局部放電、介質損耗發熱、空間電荷感應、電磁激振和振動等多種因素共同作用的結果。
（２）設計變頻電機絕緣結構時，必須考慮選用耐電暈的電磁線、絕緣漆和絕緣材料，形成「無氣隙絕緣」注意電機升溫偏高，加強絕緣結構的機械強度及整體性；以提高其耐機械振動和頻繁起止動的能力等多種因素，才能設計合格的絕緣結構。
（３）通過一系列的試驗，實際生產中的應用及用戶的使用結果表明，我廠目前生產的變頻電機的絕緣性能基本上能夠滿足用戶的使用要求，質量處於受控狀態。
（４）目前國內製造的電磁線、絕緣材料與國外用於變頻電機材料相比其性能上有較大的差距，今後應深入研究，開發適用於變頻電機的電磁線和絕緣材料，並開發測試絕緣材料在高頻率條件下性能測試設備，並開展變頻電機絕緣結構的壽命評定試驗研究工作，使變頻電機絕緣的試驗研究工作，提高到一個新的水平。