高频方波脉冲下变频电机绞线对的局部放电特性分析

基于脉冲电流传感器建立了一套方波脉冲下的局部放电测试系统,并对模拟变频电机匝间绝缘的绞线对试样进行局部放电试验。测试并分析了脉冲电压的频率和上升时间对局部放电起始放电电压、平均放电量和放电次数的影响,探讨了绞线对在方波脉冲电压下的局部放电机理,为更深入地研究方波脉冲电压下绝缘老化机理打下了坚实的基础。     

重复脉冲上升时间对变频电机绝缘局部放电特征的影响

为研究重复脉冲电压上升时间对变频电机绝缘的局部放电特征影响规律,基于超高频天线、检波技术和宽带、高速数据采集和传输技术设计了重复脉冲电压下变频电机绝缘局部放电检测系统。研究了变频电机匝间绝缘在不同上升时间重复脉冲电压下的局部放电统计特性并对其机理进行了分析。结果表明:在微秒级的上升时间下,脉冲电压极性快速翻转导致变频电机绝缘薄弱处空间电荷电场和外部电场叠加,易超过局部放电起始电压,从而产生次数较多的小幅值放电,且放电幅值随着上升时间的减小而增大,但单个周期放电总量逐渐减少。因此设计耦合传感器时应根据重复脉冲上升时间和局部放电脉冲频域能量分布特点,设计高频响应较好的传感器,避免脉冲电源干扰使测试灵敏度降低,从而得到准确反映电机绝缘水平的PDIV和RPDIV。     

重复脉冲过电压对变频电机绝缘局部放电起始电压及熄灭电压的影响研究

研究重复方波电压参数对变频电机绝缘局部放电起始电压(partial discharge inception voltage,PDIV)和局部放电熄灭电压(partial discharge extinction voltage,PDEV)的影响规律,有利于I型变频电机的绝缘性能评估。利用微控制器(microcontroller unit,MCU)的可编程控制及"示波器+微控制器+高压直流电源"的信号控制反馈链路,实现了变频电机绝缘PDIV及PDEV的自动测试系统;利用该系统,在不同上升时间的重复脉冲电压下,通过大量实验研究得到了双极性重复脉冲过电压对I型变频电机匝间绝缘PDIV及PDEV的影响规律及机理解释。结果表明:无论重复脉冲电压波形是否存在过电压,PDEV均小于PDIV;当重复脉冲电压波形由无过电压变化到有过电压时,PDIV及PDEV均增大,而PDIV与PDEV的差值减小。分析放电机理,认为过电压下较高的瞬时电场强度导致的场致发射是促使第一次放电产生的主要原因;借助于重复脉冲电压下局部放电相位谱图(partial discharge phase resolved,PRPD)的测试结果,认为无过电压下单周期内较多的放电次数对表面电荷积累的影响可能是导致PDIV和PDEV变化的主要因素。研究结论有望为重复脉冲电压下变频电机PDIV及PDEV的测试结论评估提供实验依据和机理解释。     

基于介质损耗分析研究变频电机绝缘老化特性

变频牵引调速电机匝间绝缘承受来自逆变器的连续高压脉冲方波的作用,其老化机理与工频正弦电压作用下具有很大差异。笔者通过采用两种电压源对模拟变频电机匝间绝缘和对地绝缘的绞线对试样进行老化试验,测量了tanδ随老化时间的变化趋势,分析了电压形式对匝间绝缘和对地绝缘介质损耗产生和发展的作用机理。试验结果表明:脉冲电压下,匝间绝缘内部有放电发生时,放电与空间电荷协同作用使绝缘缺陷迅速增多;无放电时空间电荷反复注入和抽出造成绝缘损伤。交流电压下绝缘介质发热主要由局部放电造成,而脉冲电压下主要是由空间电荷所导致。对地绝缘由于其绝缘结构,呈现槽放电现象,空间电荷的引入大大加速了绝缘的老化。     

重复脉冲占空比对变频电机绝缘局部放电统计特性的影响

研究脉冲电压参数对局部放电(partial discharge,PD)统计特性的影响规律,有利于I型变频电机绝缘性能评估时得到客观结论。该文采用漆包线单点试样,通过双极性脉冲电压下的大量实验,研究了占空比(0.005%~50%)对PD统计特性的影响规律,并根据脉冲电压下的局部放电机制分析了占空比对局部放电幅值和相位作用机制。研究表明:电压持续时间小于100μs时,局部放电发生概率较低,放电幅值较小,放电不对称,下降沿附近干扰信号严重,导致PD信号提取信噪比降低,影响了变频电机绝缘性能测试的准确性。当脉冲持续时间大于100μs时,PD统计特性基本对称。因此,根据相关标准进行变频电机绝缘检测时,宜采用持续时间超过100μs的重复脉冲电压。     

重复脉冲频率对变频电机绝缘PDIV及PDEV影响研究

重复脉冲电压下局部放电起始放电电压(PDIV)及局部放电熄灭电压(PDEV)是评估低压变频电机绝缘性能的重要参数。为研究重复脉冲频率对变频电机绝缘PDIV及PDEV的影响规律,利用上升时间为100ns、持续时间为200 ns的正极性重复脉冲,在5 Hz～5 kHz内对变频电机匝间绝缘的PDIV及PDEV进行了大量测试。结果表明:随着重复脉冲频率的增加,产生初始电子的概率增大,PDIV和PDEV均呈减小趋势。放电产生后绝缘表面局部温度升高及表面电荷衰减,可能是PDEV随频率增加而减小的重要原因。据此,在重复脉冲电压下进行变频电机绝缘的PDIV及PDEV测试时,适当提升脉冲频率有利于激发绝缘薄弱点放电,进而得到更为客观的测试结果。     

变频电机绝缘的局部放电检测技术

为解决陡上升/下降沿脉冲方波电压下变频电机绝缘局部放电(PD)检测的信号提取问题,对比研究了高频电流传感器和超高频法测试中局部放电和脉冲电源干扰的时域和频域特性。针对2种信号的不同特征,提出了抑制脉冲电源干扰、提高信噪比的方法。研究结论认为,依据IEC标准进行变频电机局部放电检测时,超高频法在局部放电起始放电电压测试和脉冲信号提取中表现出较高信噪比(S/N)性能,可优先选用。相关系数分析方法可作为局部放电脉冲是否淹没在脉冲电源干扰中的有效判据,联合采用相关系数分析和sym2小波提取技术后,宽频电流测试法仍可在需要的场合作为变频电机绝缘局部放电检测的有效补充。     

脉冲频率及环境温度对变频电机绝缘耐电晕寿命影响研究

为研究脉冲频率及环境温度对变频电机绝缘耐电晕寿命的影响,在低频50 Hz和高频10 k Hz、上升时间和下降时间固定为25 ns的双极性对称重复脉冲电压及不同环境温度下,对变频电机匝间绝缘进行耐电晕寿命实验,研究不同重复脉冲电压频率下环境温度对变频电机耐电晕性能的影响规律。结果表明:相同环境温度下,电压频率的升高对放电试样有明显的温升效应;低频下,放电发生后,试样放电点表面温度随着环境温度的改变而改变;高频下,放电发生后,试样放电点表面温度在环境温度基础上有明显的温升效应。耐电晕测试结果中的放电能量统计显示,常温下局部放电主导的电老化可能是变频电机绝缘失效的主要原因,而高温高频下绝缘破坏是电热联合老化作用的结果。     

用介质损耗分析变频电机匝间绝缘老化特性

变频电机匝间绝缘承受来自逆变器的连续高压脉冲方波的作用,为探讨工频正弦电压作用下具有很大差异的老化机理,通过采用工频正弦和高压脉冲方波两种电压源对模拟变频电机匝间绝缘的绞线对试样进行了电热联合老化对比试验,测量损耗角正切tanδ随老化时间的变化趋势,并结合热刺激电流测量结果,分析了电压形式对匝间绝缘介质损耗产生和发展的作用机理。试验结果表明:绝缘内部有放电发生时,放电与空间电荷协同作用使绝缘缺陷迅速增多;无放电时空间电荷反复注入和抽出造成绝缘损伤。两者都导致高压方波脉冲老化下绝缘材料的tanδ高于工频正弦老化下的tanδ;高压方波脉冲下空间电荷可能是导致绝缘材料最后击穿的原因。     

基于局部放电统计参量的脉冲电压下绝缘老化分析

主要针对匝间和对地绝缘电磁线在脉冲电压下老化后的局部放电特征进行了研究.通过不同老化时间的局部放电相位相关分析,在高频脉冲电压下老化后放电次数相位分布出现明显的"放电丛"现象,并通过工频老化后的局部放电结果对此加以证实.通过两种不同电磁线老化特征对比,匝间绝缘和对地绝缘呈现不同的放电特征,匝间主要以内部气隙放电为主,而对地绝缘电磁线则以槽放电为主.此外,测量和分析了局部放电统计参量(如偏斜度、峭度、不对称度等)随老化时间的变化,结果表明平均放电量的偏斜度和老化时间有着一定联系.为更深入地研究脉冲电压下绝缘老化机理打下了坚实的基础.     

Relation between space charge accumulation and partial discharge activity in enameled wires under PWM-like voltage waveforms

It has been observed that voltage waveforms generated by power electronic converters may affect significantly the reliability of electric motor insulation. Since partial discharges are considered to be the main cause of the reliability loss, new enamel insulations for magnet wires are being developed in order to withstand better stress amplification. The electrical characterization of these insulating materials is often carried out through aging tests which may provide estimation of life under different stress levels and conditions. However, deeper investigation of aging phenomena due to supply voltage waveforms is needed, especially regarding the relation between aging factors and stress conditions. This paper deals with this topic, showing experimental evidences of relation between partial discharge quantities (e.g., inception voltage, repetition frequency, amplitude) and electrical properties, associated with charge accumulation, which can be directly evaluated through space charge measurements. Characterization of insulating materials and comparison of materials candidate for application in power electronic waveform environment can be carried out resorting to the methodology proposed here. This approach can provide, therefore, a useful feedback to wire manufacturers regarding, e.g., the choice of additive nature and enamel components for magnet wires in power-electronic controlled motors.     

纳米复合绝缘材料的热剌激电流测试研究

研究纳米复合聚酰亚胺薄膜热剌激电流(TSC)测试的影响因素和陷阱参数计算方法，并对不同样本和不同老化条件下的TSC结果进行分析。通过对不同的测试条件(包括不同的数据平滑方法、极化温度，极化电压、极化时间等因素)的TSC曲线特征分析，研究不同测试条件对纳米复合绝缘样本TSC测量结果的影响，并用高斯拟合对TSC曲线进行峰分离和陷阱参数计算。根据这些结论，对不同样本和老化条件下的热刺激电流特征进行分析和比较，得到热刺激电流和PWM脉冲电压下绝缘微观特征之间联系。结果表明，测试条件对TSC结果有明显影响，合适的测试方法有助于研究纳米复合聚酰亚胺薄膜在PWM电压作用下的微结构变化。     

空间电荷对脉冲电压下局部放电影响

研究了空间电荷对双极性脉冲电压下局部放电行为的影响。通过等温松弛法测量了纳米和非纳米聚酰亚胺膜的陷阱能级和密度,表明纳米材料中大量界面区的存在导致其陷阱密度和电导率比非纳米材料大;此外,通过测量不同频率和上升时间下的局部放电参量(平均放电量和放电次数等)表明,频率的增加和上升时间的缩短导致PD放电活动增强,纳米材料的放电活动低于非纳米材料。通过不同材料的陷阱参数测量结果,分析了纳米和非纳米材料在脉冲电压下PD特征的不同,其PD特征受到材料陷阱参数的影响。     

Analysis and discussion on conduction current based on simultaneousmeasurement of TSC and space charge distribution

A new analysis of conduction current distributed in dielectrics based on simultaneous measurements of thermally stimulated current (TSC) and time dependent space charge distribution is proposed. A new system pulsed electro-acoustic (PEA) method has been developed to enable simultaneous measurement of the TSC and the dynamic space charge and electric field distributions as a function of temperature within insulators. With the new system, the relationship between the TSC and the time dependent electric field distribution in electron beam (e-beam) irradiated PMMA has been investigated. From the time dependent electric field, the displacement current in dielectrics is obtained. The TSC is a typical external current which is represented as an addition of the displacement current and a conduction current in dielectrics. This paper makes it clear that the conduction current as a function of position is determined by the simultaneous measurement of the external current and the dynamic space charge distribution     

Partial discharge inception and propagation characteristics of magnet wire for inverter-fed motor under surge voltage application

In inverter-fed motor coils, surge voltages with the rise time of several tens or hundreds of nano-second may cause partial discharge (PD) and degradation of electrical insulation performance of the inverter-fed motor coils. This paper discusses PD inception characteristics as well as PD propagation characteristics after PD inception for magnet wire of inverter-fed motor under surge voltage application. Experimental results firstly revealed that PD inception voltage (PDIV) decreased with the increase in the length of enamel-coated wire, which was evaluated in terms of the stressed wire contact length under surge voltage application, i.e. size effect. We proposed a regression line for the size effect on PDIV for the electrical insulation design of inverter-fed motor coils. Secondly, PD propagation characteristics were also investigated under the higher voltage application, and their mechanisms were discussed in terms of generation probability of initial electrons, space charge behavior in the wedge-shaped air gap, charging on the enamel surface and so on     

连续方波脉冲下的局部放电测量分析系统

本文对连续脉冲电压下局部放电的测量分析系统进行研究.分析了不同铁芯材料传感器的响应特性,并用小波包对高低频干扰信号的提取方法进行了研究.在此基础上,通过对脉冲电压下局部放电分析,进一步研究各种统计参量的统计方法和特征,并对样本老化时间和统计参量的关系也进行了验证.通过这些研究,表明该系统对脉冲电压下局部放电的提取和统计是有效的.上述工作的开展,为更深入地研究脉冲电压下绝缘老化机理打下了坚实的基础.     

不同热老化程度油纸绝缘介质在直流电场中的空间电荷特性

为理解油纸绝缘介质的热老化程度与其体内空间电荷特性间的关系,对由#25矿物变压器油和普通植物纤维素绝缘纸组合而成的油浸绝缘纸试样进行加速热老化试验,应用电声脉冲（PEA）法测量了不同热老化程度下试样在直流电场（20 kV/mm）作用时和作用后的空间电荷密度分布图像,讨论了热老化程度对试样内部空间电荷分布及电荷总量的影响。结果表明：随着油浸绝缘纸试样热老化程度的加深,外加直流电场时试样中部空间电荷注入量呈增大趋势,电荷密度到达极值所需时间延长;去压后试样内部积聚电荷消散所需时间明显延长,将致使材料内部场强畸变时间增加。研究得到去压后试样内空间电荷密度极值及电荷总量与消散时间呈现指数衰减关系,可用衰减时间常数τ来表征不同老化状态油纸绝缘的电荷消散能力。该研究成果为进一步评价油纸绝缘介质在不同热老化程度下的空间电荷特性提供了参考依据。     

Failure mechanism of winding insulations in inverter-fed motors

The failure of magnet wires under repetitive pulses as seen in inverter-fed motors cannot be attributed to a single factor but is a result of the combined effects of partial discharge, dielectric heating, and space charge formation. Voltage overshoots produced by PWM drives may be above discharge inception voltage. Partial discharge may therefore be present in inverter-fed motors. In addition to partial discharge, pulses with a fast rise time and high frequency enable the insulation to generate local dielectric heating, which increases the local temperature. The degradation rate of the insulation is therefore increased. Furthermore, the fast rise and fall of pulses make it possible for space charges to accumulate in the winding insulation and on its surface