1 前言

在接下來(lái)將給大家介紹發(fā)生絕緣損壞的原因及應(yīng)用于變頻器下對(duì)電機(jī)絕緣的要求。

2 絕緣損壞的原因

2.1 概述

主要有三類針對(duì)絕緣損壞的可能性：

在電機(jī)端出現(xiàn)的電壓反射，將在相間造成較高的尖峰電壓（），其決定于電纜長(zhǎng)度及電壓上升時(shí)間，在前面的推文中討論過(guò)，最大可達(dá)直流母線電壓的2倍；

作用于相間的電壓強(qiáng)度主要由槽分隔器起到絕緣作用

繞組與疊層鐵芯之間出現(xiàn)較高的尖峰電壓（）

作用于槽內(nèi)繞組的電壓強(qiáng)度主要由槽襯起到絕緣作用

匝間出現(xiàn)非常之高的電壓強(qiáng)度（），決定于電機(jī)端相對(duì)于電機(jī)外殼的電壓變化和上升時(shí)間

產(chǎn)生匝間故障的主要原因在于延定子繞組電壓分布不一致造成的，入射電壓的極短上升時(shí)間是造成壓分布不一致的原因。對(duì)于成型繞組電機(jī)來(lái)講，由于在槽內(nèi)各匝均勻分布，所以繞組中傳遞上升率很高的入射電壓所產(chǎn)生不均勻電壓分布影響很小。

圖2-1 幾個(gè)電壓強(qiáng)度作用的繞組位置

圖2-2 不存在和存在反射下的相間（UCC）電壓（UR為額定電壓）

圖2-3 2-電平變頻器與正弦供電對(duì)比下的電壓強(qiáng)度

在圖2-3中顯示了2-電平PWM變頻器與電網(wǎng)直接（正弦波）供電的相間及相對(duì)地的電壓強(qiáng)度的對(duì)比，電網(wǎng)（正弦波）供電為100%的情況下，那么在變頻器供電下的相間可達(dá)200%的電壓強(qiáng)度，而相對(duì)地將超過(guò)200%。

這樣會(huì)極大的影響電機(jī)繞組的絕緣壽命，若要獲得與在正弦波供電下同樣的使用壽命，必須確保在運(yùn)行過(guò)程中，在繞組間，特別是匝間不能出現(xiàn)顯著的局部放電的情況。

2.2 匝間絕緣故障的分析

由于定子繞組材料和浸漆的非一致性，在浸漆絕緣層中產(chǎn)生孔洞，如圖2-4

• 圖2-4 絕緣層中的孔洞 )* *

在匝間絕緣之間出現(xiàn)的孔洞是絕緣問(wèn)題的根本原因。此類故障機(jī)制是一類非常復(fù)雜的稱之為局部放電的現(xiàn)象。

局部放電在滿足下面條件時(shí)，所釋放能量較低：

作用電機(jī)繞組的峰值電壓遠(yuǎn)低于絕緣系統(tǒng)的實(shí)際擊穿電壓；

在孔洞處建立的局部電場(chǎng)強(qiáng)度不足以超過(guò)氣隙擊穿強(qiáng)度（局部放電起弧電壓）

當(dāng)絕緣系統(tǒng)持續(xù)遭受局部放電，絕緣系統(tǒng)強(qiáng)度逐漸下降，絕緣材料過(guò)早老化情況將出現(xiàn)。老化過(guò)程進(jìn)一步侵蝕絕緣材料，從而在放電位置的絕緣材料厚度逐漸減小，直至絕緣材料的抗擊穿電壓能力削弱到低于作用于電機(jī)繞組的峰值電壓的水平，此時(shí)絕緣擊穿出現(xiàn)。

一些調(diào)研也已驗(yàn)證了基于作用于電機(jī)繞組的峰值電壓，上升時(shí)間，局部放電的概率及絕緣壽命等因素的絕緣系統(tǒng)模型的相關(guān)性。

局部放電起弧電壓同樣受溫度影響。電機(jī)的溫度上升是由于電機(jī)的運(yùn)行損耗帶來(lái)的，同時(shí)受到作用于電機(jī)繞組的電壓脈沖的高頻諧波影響。

相關(guān)報(bào)告研究表明：溫升達(dá)到80K將使局部放電的起弧電壓削減約10%（相當(dāng)于更容易發(fā)生局部放電，因?yàn)槠鸹‰妷航档土耍?。局部放電發(fā)生的情況下，由于起弧電壓的降低，將導(dǎo)致絕緣系統(tǒng)老化加速。

2.3 變頻器運(yùn)行下的限值要求

為在絕緣方面保證變頻器與電機(jī)的匹配性，必須了解由變頻器產(chǎn)生的電壓強(qiáng)度及繞組的絕緣（如圖2-1）的能力。相間電壓強(qiáng)度在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（比如IEC60034-17）中描述了限值要求。我們?cè)谇懊嫱莆闹杏懻摿穗妷悍逯祻?qiáng)度與上升時(shí)間的關(guān)系，這里再次明確一下：

上升時(shí)間Tu在0.01 μs ~0.4μs：相間電壓允許的限值非常依賴上升時(shí)間以及電機(jī)大小。陡峭的脈沖電壓邊沿，將在相繞組的第一個(gè)線圈中產(chǎn)生很大的電壓差。匝間與繞組的設(shè)計(jì)決定了允許的電壓限值；

上升時(shí)間Tu>0.4/0.5 μs：此時(shí)與上升時(shí)間及電機(jī)尺寸基本無(wú)關(guān)，允許的限值基本為常數(shù)。此時(shí)，槽及相繞組的絕緣決定了允許的電壓限值。

圖2-5 西門子采用的DURIGNIT2000絕緣系統(tǒng)在允許的運(yùn)行溫度下允許的限值

圖2-5顯示了采用西門子標(biāo)準(zhǔn)變頻器（當(dāng)前輸出電壓脈沖的電壓變化率為3kV/μs~6kV/μs）驅(qū)動(dòng)低壓電機(jī)所允許的電壓限值，其中A對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)絕緣，B對(duì)應(yīng)的是特殊絕緣（對(duì)應(yīng)的電壓范圍如表2-1）

表2-1 絕緣電壓范圍

1）根據(jù)IEC60038，允許電壓波動(dòng)上限為+10%；Udc-perm對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定的直流母線電壓）

3 結(jié)論

在本文中給大家介紹了電機(jī)繞組絕緣出現(xiàn)問(wèn)題的幾個(gè)方面，并重點(diǎn)分析了繞組匝間絕緣損壞的原因及相關(guān)的影響因素。同時(shí)給出了在西門子變頻器驅(qū)動(dòng)下采用西門子絕緣系統(tǒng)的相關(guān)允許限值及影響因素。