基于介电特征参量分析的变频电机匝间绝缘老化特性研究

连续高压双极性脉冲方波电压幅值、频率和工作温度与变频调速牵引电机匝间绝缘的寿命有着密切关系.本文对模拟变频电机匝间绝缘的绞线对试样在不同电压幅值、频率、温度下进行加速老化试验,测试其介质损耗角正切值和试样电容随电压的变化特性.通过介质损耗产生机理分析和方波脉冲作用机理研究,结果表明:老化初期,局部放电起始放电电压随电压升高而升高,基本上不受频率的影响,其与空间电荷积累有关.温度在稍微变化(变大)的情况下对绝缘的影响都是很大的.脉冲方波幅值、频率和外界温度具有协同效应,一种因素的增强和减弱都会改变其他因素对绝缘影响的趋势.     

变频电机的匝间绝缘电老化机理

结合近年来国内外的文献资料,对变频电机匝间绝缘过早破坏机理进行了系统的阐述。变频电机的匝间电压特性与普通电机有着显著的不同,由此引起的局部放电是导致匝间绝缘快速老化的根本原因,而由局部放电产生的电子轰击、臭氧氧化等作用直接造成了匝绝缘的过早破坏。提高变频电机使用寿命的方法之一就是提高绝缘材料高温条件下的耐局部放电能力,即提高绝缘材料在较高温度下的耐臭氧侵蚀能力和耐空间电荷的破坏能力。     

基于时域介电法的变压器油纸绝缘老化特征参量分析

为提取表征油纸绝缘老化状态特征参量,将时域介电法更好地应用于油纸绝缘老化状态无损检测,在实验室条件下对不同老化程度的油纸绝缘试样进行极化去极化电流法(PDC)试验,并求得其等效模型参数;然后提出系统极点Pi作为油纸绝缘老化特征参量,并建立其与油纸绝缘老化状态关系;最后验证了系统极点用于评估油纸绝缘老化程度评估的可行性。研究结果表明:扩展Debye模型参数对油纸绝缘老化程度比较敏感,特别是时间参数大于1000 s的极化支路,其时间常数随着老化时间的增加而呈现递增规律;对于时间常数大于1000 s的极化支路,极点与绝缘纸聚合度之间存在指数函数关系,且极点值越小的极化支路,拟合优度越高;优化得到的系统相对极点P与聚合度之间存在更好的指数函数关系,且此参数不受变压器几何尺寸的影响。极点验证试验验证了系统极点应用于变压器老化状态评估的可行性。     

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。     

热老化对变压器油纸绝缘介电响应特征参量影响的研究

基于介电响应理论的回复电压法、极化去极化电流法和频域谱法,作为无损的诊断技术正逐渐被应用于变压器油纸绝缘的状态评估。但是研究结果表明其测量结果会受测量过程中诸多因素的影响。在一个复杂的油纸绝缘系统中,水分在油纸之间的分布,迁移和平衡过程取决实际运行温度和老化程度。只有充分理解绝缘系统在温度和老化影响下的物理变化过程,才能更加准确的分析测量结果。本文引入了一种描述变压器油纸绝缘系统介电特性的电路模型,研究了该模型中各参数值的确定方法,最后设计了130℃下加速热老化试验和变温试验,分别在不同老化程度和不同温度下对试品进行了介电响应测量,根据测量结果分别研究了热老化和温度对介电谱法测量的影响;并基于介电响应测量曲线提取了介电响应特征参量,深入研究了热老化和温度对介电响应特征参量的影响规律。     

变频电机用电磁线绝缘电老化性能分析和表征

通过对变频电机用绝缘电磁线进行高频脉冲电老化试验,研究了绝缘电磁线的电老化寿命及其变化规律。采用电子能谱仪和显微镜对绝缘电磁线表面在电老化过程中的析出物进行了成分分析和形貌表征。结果表明:绝缘电磁线在施加一定电压条件下会出现局部放电,其寿命随施加电压的增加呈指数式衰减,在电老化过程中电磁线绝缘表面有白色析出物质,对试样表面析出物进行能谱分析发现C、O、Mg、Si、Ca增加较多,击穿点周围C、F、Cu元素含量大幅度增加。新试样表面平坦且没有杂质,而经过电老化后的电磁线试样表面团聚物堆积、凹凸不平。     

变频电机电磁线绝缘膜电树枝化击穿机理研究

阐述了调速牵引电机中电磁线绝缘破坏的问题及电树产生和发展的机理。以完好的和含有杂质的变频电机用电磁线为试样,在高压下老化直至击穿,对击穿点进行扫描电镜和能谱分析。试验结果表明,两试样的击穿均为树枝状击穿,金属杂质的存在降低了绝缘膜的电气强度。     

基于频域介电特征参量的电容性套管油纸绝缘老化评估初探

套管故障是引起变压器停运的主要原因之一,已成为目前保证电网的安全运行需亟待解决的问题。由于绝缘纸吸水性远大于绝缘油,研究水分对油纸电容式套管绝缘纸加速热老化过程中相关特性的影响,为其老化状态及受潮情况的评估提供理论依据,将具有重要的实际意义。实验结果表明:老化时间与油浸纸介损在特征区间的积分值符合线性规律,水分同介损在特征区间的积分宽度符合线性规律,说明介损积分值的所体现的信息不仅包含老化程度,还包含固体绝缘水分含量大小的信息,由此计算受潮情况下加速老化因子,并通过绝缘老化状态进行绝缘寿命损失率的计算t_(loss)=(F_(EQM)×t_(EQ))/(100L_p)。     

变频牵引电机定子绕组绝缘老化特性研究

对比测量了不同运行年限的变频牵引电机的定子绕组绝缘诊断参数,包括绝缘电阻、介质损耗因数、局部放电起始电压(PDIV)、剩余击穿电压等特征参数,以及沿绕组不同部位的绝缘材料取样进行了热失重分析(TGA)来研究绝缘老化特征。介电性能测量结果表明,与新电机相比,运行后定子绕组的绝缘介电性能有不同程度的下降,出槽口附近绝缘的老化程度高于槽内。TGA分析结果表明,使用了长达10年的牵引电机定子绕组绝缘性能略有下降,且线圈下层边的绝缘老化比上层边明显。     

基于时域介电法的油纸绝缘复合电老化性能

换流变压器油纸绝缘系统在运行中需要承受复合电压,其绝缘老化特性与普通电力变压器有着显著的区别,然而相关研究明显不足。为了得到不同复合电压下油纸绝缘的绝缘老化规律,对油纸结构采用实验室加速复合电老化方法,测量不同老化阶段油纸结构的极化去极化电流和绝缘纸的聚合度,结合时域介电法和聚合度对油纸结构的绝缘特性进行了研究。研究结果表明:随着老化时间的增加,PDC曲线整体向上移动,极化电流稳定值不断增加,去极化电流趋向于零,同时油纸聚合度不断下降;随着交流电压百分数的增加,对油纸聚合度的影响从靠近高压侧的油纸向中间层油纸不断加剧。最后提出一种将时域介电法和聚合度相结合的换流变压器油纸绝缘无损检测方法,本研究将为油纸绝缘在复合电压下老化机理及换流变压器绝缘设计提供参考。     

基于介电模量检测的油纸绝缘老化评估方法研究

老化是影响油纸绝缘设备绝缘强度的重要原因之一。在试验和理论分析的基础上,文中将一个新的参量——介电模量引入油纸绝缘老化状态评估,并针对不同老化程度油浸纸板试样开展宽频范围内介电模量谱测量;与频域介电谱相比较,介电模量对于油纸绝缘系统绝缘结构老化/劣化的微观机理的表征具有新的特征,其介电模量谱在低频范围内出现了明显的弛豫峰,并深入分析了水分含量与弛豫峰的相应关系及产生原因。为消除现场测量中现场环境温度可能引起的影响,通过试验和拟合表明温度对介电模量的影响规律符合Arrhenius方程,可通过计算予以校正。通过文中的研究结论,介电模量可以作为现场评估油纸绝缘系统老化程度的有效方法。     

基于介电响应的植物油纸绝缘热老化特性研究

为研究植物油浸渍绝缘纸在热老化过程中的介电响应特性与老化程度的关系,制备了植物油纸绝缘试样并对其进行加速热老化试验,在不同的老化阶段对试样进行聚合度测量和介电响应测试,分析其介电响应的变化规律,并提取不同老化阶段介电响应的多个特征量。然后对特征量进行主成分分析(PCA),得到一维特征量(X1),并与聚合度建立关系。结果表明:随着热老化的进行,吸收电流和电导电流均随老化程度的加深逐渐增大,在工频附近,油纸的介质损耗因数也随老化程度的加深而增大;所获得的一维特征量(X1)与聚合度的相关性高,为绝缘纸聚合度的测量提供一种新思路。     

基于Havriliak-Negami介电模型的油纸绝缘老化参数提取

电力变压器是电能传输中最重要的设备之一,检测变压器老化状态具有重要意义。为了对变压器内油纸绝缘的老化状态进行有效评估,文中通过频域介电谱法(FDS)研究了不同老化程度下油纸绝缘的介电特性,并通过引入Havriliak-Negami(H-N)模型建立了特征参量与老化时间之间的关系,最后将此方法应用于现场变压器的测试,进行了验证。结果表明:随着老化程度的加深,FDS曲线在高、低频段变化不明显,中频段显著增大,总体曲线呈“枣核”状;依据H-N模型提取的特征参量与老化程度具有良好的对应关系;对现场变压器的应用验证了此方法对于评估变压器老化状态的可行性。     

变频电机用聚酰亚胺薄膜电老化特性研究

为研究变频电机用耐电晕型聚酰亚胺材料耐局部放电老化机理,采用电导电流法分别测量了普通聚酰亚胺薄膜(100HN)和耐电晕型聚酰亚胺薄膜(100CR)电晕老化前、经10kV/mm、20kV/mm电晕强度8h老化后的电老化阈值。结果表明,2种薄膜的电老化阈值随电老化强度的增加而减小,且耐电晕型薄膜的电老化阈值始终高于普通膜的阈值;在2种薄膜的空间电荷限制电流区内,耐电晕型薄膜的电流增长率较大,说明其中含有更多的浅陷阱,测试结果与其170°C下退极化电流测试结果一致。这些浅陷阱有效调节了聚酰亚胺薄膜中电场的分布,改善其耐电晕性能。     

变频电机绝缘损坏机理及增强措施

通过分析变频电机绝缘的特殊性,提出了变频电机绝缘损坏的原因,并重新设计了绝缘结构方案:采用无气隙绝缘、匝间绝缘、主绝缘结构来避免其损坏。同时选择合理的绕组制造工艺,来保障变频电机的可靠运行。     

热老化对变频牵引电机电磁线绝缘电性能影响的研究

为研究牵引电机电磁线线圈绝缘的降解影响因素,将电磁线在300℃下进行热老化试验,分析其介质损耗因数、电容、电流增量、绝缘电阻及击穿电压等电性能随老化时间的变化规律。结果表明:试样的介质损耗因数、电容和电流增量随热老化时间的延长呈增大趋势,绝缘电阻呈减小趋势,击穿电压变化不明显,不能用剩余击穿电压等效其剩余寿命,而诊断指数可以作为评判电磁线老化程度的一个新参数。     

变频电机绝缘失效机理及测试技术研究现状

以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带电力电子器件的使用将进一步提升未来电力电子装置的效率和功率密度,使电力转换更加灵活可控。电机驱动是电力电子应用最早和最成功的领域,变频器和交流电机组成的变频电机系统已成为当代电力驱动的主流。然而,未来宽禁带器件的使用,将使变频电机绝缘系统承受更高频率、更快变换速度、更高电压的高频脉冲电压冲击,给现有较多的成型绝缘系统带来严峻挑战,传统正弦和直流电压下的绝缘检测、评估及预测技术不再适用于变频电机绝缘系统。本文首先对变频电机绝缘失效机理进行了总结,着重阐述了PWM电压应力及环境参数对变频电机绝缘局部放电统计特性及耐电晕绝缘寿命的影响规律;然后,结合IEC相关标准讨论了国内外行业关注的低压散绕电机PDIV测试及耐电晕寿命评估技术;最后,针对未来电力电子技术对变频电机绝缘系统的挑战,对现行标准存在的问题进行反思,并展望了未来变频电机绝缘领域应关注的重点。     

变频电机与绝缘

近十年来,变频调速电机得到迅速发展,开关技术也由采用GTO或GTR走向IGBT（绝缘栅双极性晶闸管）。随着IGBT调速装置的大量采用,电机的绝缘问题变得十分突出。1997年《IEEEIndustryApplicationsMagazine》提到,已发现在IGBT脉宽调制（PWM）传动系统中运行的普通标准型电机,在使用几个月甚至几周内就发生损坏。用于变频调速系统中的电机绝缘结构面临新的挑战。1变频电机的绝缘问题在以变频器供电的电机系统中,电机的输入电压及电流不再是具有恒定频率的正弦波,而是以非正弦波形式供电,而且当电动机与调速装置之间的连接电…     

变压器油纸绝缘的介电响应特性研究——加速热老化的介电谱

为了研究变压器油纸绝缘老化的介电响应特征量,本文对油纸绝缘试品进行了加速热老化,并在老化的不同阶段开展了相同试验温度下的极化、去极化电流(PDC)和频域谱(FDS)试验。在PDC试验数据的基础上,引入时域介电谱理论,提取其峰值和峰值时间常数作为老化特征量,研究了该特征量与绝缘老化的关系。结果表明,绝缘老化使PDC试验的极化及去极化电流曲线均明显上移,FDS试验的复电容实部和虚部曲线在低频段均向右上平移,时域介电谱曲线则向左上方平移,这是由于老化引起水分、有机酸等含量的增加以及对纤维素结构的破坏,提高了油纸绝缘间夹层介质界面极化的强度和响应速度而造成的。在本文的试验条件下,油纸绝缘的时域介电谱对其老化反应灵敏,可定量反映油纸绝缘老化程度的变化情况,其峰值和峰值时间常数可考虑用作表征油纸绝缘老化程度的特征量。