变频调速电机耐冲击电压和耐电晕的绝缘结构研究.docx
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变频调速电机耐冲击电压和耐电晕的绝缘结构研究
变频调速电机耐冲击电压和耐电晕的绝缘新构研究
2017年12月
目录
变频调速电机耐冲击电压和耐电晕的绝缘新构研究0
A.耐冲击电压和耐电晕的绝缘结构特点1
1.绝缘结构组分材料的耐冲击、耐电晕和相容性研究2
2.电机绕组与外引线连接部位及其邻近区域耐冲击、耐电晕绝缘结构的研究4
3.低压大功率变频调速电机绝缘工艺的研究8
B.低压大功率变频调速电机绝缘结构耐冲击、耐电晕测试方法与评价研究11
1.耐电晕试验设备对试验结果的影响11
2.耐电晕寿命与局部放电之间的关系研究12
3.绝缘工艺对耐电晕能力的影响研究12
4.研究结论13
A.耐冲击电压和耐电晕的绝缘结构特点
变频器供电的电机端电压的特性取决于下列几个方面：
★变频器的操作电压；
★变频器的结构和控制体系；
★变频器和电动机之间的滤波器；
★变频器和电动机之间的电缆长度；
★电机绕组的设计参数。
从变频器供电的电机端电压的特性可见，变频电源对绝缘的影响主要有：
★变频电源具有较高的脉冲重复频率使得绝缘的介质损耗tgδ增大；
★变频电源具有较高的脉冲冲击电压及脉冲沿直线传播时由反射引起的电压升高，使得绝缘结构承受更高的介电应力；
★变频电源的脉冲具有陡峭的快速上升时间dV/dt，使得由电容充放电引起的空间电荷积累，在绝缘表面引起电晕放电（PD局部放电）。
低压大功率电机一般采用散嵌绕组的设计。
相对于小功率电机，低压大功率电机的线圈的匝数很少，线圈匝间承受的匝间电压要比小功率电机的匝间电压高很多倍甚至几十倍。
此外，由于大功率电机的绕组电流大，它将会在绕组间产生很大的相互电磁作用力，绕组端部也将承受的较大电磁相互作用力，这些作用力使得绕组的导体间有发生相对位移的倾向，因而绕组的绝缘承受较大的机械应力。
针对上述低压大功率变频电机绝缘结构的特点，开展了下列的研究：
1.绝缘结构组分材料的耐冲击、耐电晕和相容性研究
对适合大功率变频电机电磁线的耐电晕能力研究，研究绝缘材料在耐电晕、高机械强度、以及与漆的相容性等，以提高整个绝缘结构的耐冲击、耐电晕性能。
研究资料显示，耐电晕电磁线与一般电磁线的耐电晕能力存在显著的差异，漆层厚度对耐电晕寿命的影响不是很大，而耐电晕漆层与一般漆层的耐电晕能力差异很大。
图1为耐电晕电磁线与一般电磁线的耐电晕寿命对比。
H—厚漆层T—加厚漆层Q—超厚漆层H-Qs—耐电晕厚漆层
图1电磁线的耐电晕寿命对比
图2不同线规的电磁线的耐电晕寿命
图2为五种不同线规的耐电晕电磁线在脉冲上升时间50ns，脉冲频率20kHz，脉冲占空比50％，试验温度155°C，电压（双极）±1250V及±1500V下，进行的耐电晕寿命试验的结果（每试样取五个点平均值）。
试验结果表明，脉冲电压的高低对绝缘耐电晕寿命有较大影响，而不同线规的电磁线耐电晕寿命的差异相对较小。
为此，对21种来自不同生产厂家的Φ0.8mm线规的耐电晕电磁线（每试样取五个点平均值）进行的耐电晕寿命筛选试验，试验在脉冲上升时间50ns脉冲频率20kHz脉冲占空比50％，试验温度90°C，电压（双极）±1250V及±1500V下进行，试验结果表明17#、18#、19#耐电晕涂层的电磁线有较好的耐电晕性能（见图3）。
图3相同线规在不同电压下的耐电晕寿命
图4不同生产厂家的电磁线耐电晕寿命
对采用相同耐电晕涂层材料的A、B两个样品的耐电晕电磁线进行耐电晕寿命的对比试验。
为了更能代表大功率变频电机的电磁线，取直径为Ф1.30mm的电磁线进行试验，试验在脉冲上升时间50ns、脉冲频率20kHz、脉冲占空比50％，试验温度155°C，电压（双极）±1250V下，试验结果表明，A电磁线样品的耐电晕寿命要明显好于B电磁线样品（见图4）。
我们再取A、B两个厂家生产的Ф1.25mm电磁线进行全面对比试验，试验结果见表1。
表1Ф1.25mm电磁线的试验结果对比
涂层厚度（um）
单向刮破力（N）
伸长率（%）
柔韧性（15%,1D）
刮漆（次）
热冲击（1D,220℃）
A试样（Avg）
90
30.33
41.1
不开裂
142
pass
B试样（Avg）
80
28.08
40.7
不开裂
156
pass
软化击穿（2min.@380℃）
击穿电压（kV）
PDIV（V）
630V，
PD（pC）
20kHz155℃±1250V耐电晕寿命（Hrs）
A试样（Avg）
pass
15.44
616
51
389
B试样（Avg）
1个样品1'52"击穿
14.15
593
197
0.19
上述试验数据表明，A样品的常规试验数据均与B样品相当，但在软化击穿、PDIV、PD及耐电晕寿命方面A样品明显好于B样品。
我们根据低压大功率变频电机的特性，选取了a、b、c、d、e五种耐电晕性能较好的Φ1.0mm电磁线分别浸A浸渍漆、B浸渍漆、C浸渍漆和D浸渍漆,研究电磁线与浸漆后的耐电晕性能。
试验在脉冲上升时间50ns，脉冲频率20kHz，脉冲占空比50％，试验温度90°C，电压（双极）±1500V下。
试验结果表明（每试样取五个点平均值）：
b电磁线与A漆、B漆；d电磁线与A漆；e电磁线与A漆、B漆、D漆相结合后有较好的耐电晕性能（见图5）。
图5绝缘结构耐电晕试验
通过上述研究表明，选择生产工艺稳定的电磁线厂家，其电磁线的耐电晕寿命将明显要好。
而浸渍漆与电磁线的相容性也对耐电晕寿命有着较大的影响。
合适的电磁线与浸渍漆的组合，将大大提高低压大功率变频电机绝缘结构的耐电晕寿命。
2.电机绕组与外引线连接部位及其邻近区域耐冲击、耐电晕绝缘结构的研究
由于变频器输出的电压波形不同于正弦交流电压波形，变频器输出的电压是具有极快上升沿和极快下降沿的方波。
根据传导和行波理论，脉冲波在传播过程中遇到阻抗的突变，将会发生波的反射。
由于电动机的阻抗远大于电缆的阻抗，因此在电缆末端（即电动机接线端子）产生最高相当于额定电压2倍的尖峰过电压。
尖峰过电压脉冲的上升沿时间短，电压上升速率dv/dt非常高，其在电动机定子绕组的分布极不均匀。
尖峰脉冲电压相当于频率极高的交流电压的冲击，因此电机铁心中的损耗是相当可观的，再加上导体的电阻损耗和绝缘的介质损耗，所以波在电机绕组中传播时其衰减和变形都很显著。
当波沿着电机绕组传播时，其最大的纵向电位梯度将出现在绕组的首端。
由行波理论推导可得出，作用在匝间绝缘上的电压如下：
（kV）
式中：
——绕组一匝的长度（m）；
——平均波速（m/μs）；
——前进波的波前陡度dv/dt（kV/μs）。
由上式可知，匝间电压与进波的波前陡度dv/dt成正比，与绕组一匝的长度成正比。
低压大功率电机的绕组一匝的长度很长，是小功率电机的几倍甚至几十倍。
而且低压大功率电机的绕组匝数很少，绕组首尾匝将承受比小功率电机绕组高得多的尖峰过电压的冲击，实际上，散嵌绕组线圈的第一匝和最后一匝可能是彼此相邻，匝间电压几乎等于线圈承受的全部电压，因而更需要加强绝缘。
据国内外研究资料表明，在电动机定子绕组的首、尾匝上承担了大部分的过电压幅值，绕组首匝处承受的匝间电压超过平均匝间电压的10倍以上。
这也是低压大功率电机通常发生绕组局部绝缘击穿，特别是绕组首匝附近的匝间绝缘击穿的原因。
从绕组匝间绝缘损坏的机理，我们研究对低压大功率变频电机绕组首末匝采取加强绝缘。
在绕组首、末匝采取增加一层绝缘套管的加强匝间绝缘方法，即：
在绕组嵌线时，将所需的合适尺寸的绝缘套管套在绕组的两根引出线上（也可在绕线时将套管预先套在引出线上），绕组的首个线圈嵌线入槽后，再将套好的首匝绝缘套管顺引出线推入线圈的槽内，其进入槽内直线部分的长度应超过1/3铁心长度，然后再嵌绕组的其余线圈，绕组的末个线圈的尾匝嵌线入槽后，重复上述工艺推入尾匝绝缘套管，绕组其他线圈的嵌线操作与常规电机的嵌线工艺一致。
图6首匝不加强型模型线圈图7首匝加强型模型线圈
我们制作了2种类型的模型线圈，首匝加强和首匝不加强，模型线圈A：
首匝不加强型，套管不伸入槽内（见图6）；模型线圈B：
首匝加强型，套管伸入槽内一半（见图7）。
模型线圈的制作材料：
Φ0.8mm电磁线,C漆、D漆；槽绝缘和相绝缘0.025mmNMN；F级聚丙烯绝缘套管。
我们对模型线圈A（首匝不加强型）和模型线圈B（首匝加强型）分别浸C漆、D漆，每组4个试样，共16个试样。
测量其在工频下的PDIV（局部放电起始电压）及浸漆前后的变化。
图8的试验结果表明，绕组浸漆后其匝间绝缘的PDIV有非常明显的提高。
在工频电压下，匝间加强绝缘的模型线圈的PDIV比匝间未加强绝缘的模型线圈的PDIV有所提高，但由于采用工频电源测量PDIV，所以数据提高的不明显，这是因为采用工频电源未能具有由高频脉冲电源所引起的波反射所致。
图8绕组加强绝缘的PDIV
为了保证匝间加强绝缘的工艺可行性，我们进行了匝间加强绝缘的工艺验证。
选定了两台非常接近低压大功率变频电机的Y315L2-8，110kW和Y355L2-4，315kW电机定子，做绕组首尾匝绝缘加强的工艺验证试验。
第一台工艺验证的电机参数：
Y315L2-8，110kW，槽满率：
78.9%；线规：
5-Φ1.4mm，1-Φ1.5mm；铁心长450mm；每槽线数：
18；跨距1-9；
验证的工艺数据：
选取的套管长度：
350mm；入槽内长度：
200mm；套管直径：
Φ6mm。
第二台工艺验证的电机参数：
Y355L2-4，315kW，槽满率：
78.9%；
线规：
5-Φ1.5mm，11-Φ1.6mm；
铁心长530mm；每槽线数：
8；跨距1-16；
验证的工艺数据：
选取的套管长度：
570mm；图9Y315L2-8，110kW工艺验证样机
入槽内长度：
350mm；套管直径：
Φ12mm。
图10Y315L2-8，110kW工艺验证样机图11Y355L2-4，315kW工艺验证样机
图9、图10、图11是工艺验证的样机照片。
工艺验证试验的结果表明：
低压大功率变频电机的首尾匝绝缘加强，其绝缘加强的工艺是可行的。
3.低压大功率变频调速电机绝缘工艺的研究
低压大功率变频调速电机的绕组端部将会承受较大电磁作用力，因而需要加强绕组绝缘的机械强度。
低压大功率变频调速电机要求绝缘结构整体性好、耐热性高、不含气隙，绝缘工艺合适与否将直接影响到绝缘结构的耐冲击、耐电晕及耐机械作用力的性能，因而根据低压大功率变频调速电机的特点研究合适的绝缘工艺是非常重要。
研究主要分VPI1次加普通浸漆1次和普通浸漆2次。
我们取H132定子进行模拟工艺试验。
试验材料：
耐电晕电磁线Φ0.8mm，A浸渍漆、B浸渍漆；槽绝缘和相绝缘0.025mmNMN；F级聚丙烯绝缘套管。
浸漆工艺分别为：
1#试样——A漆沉浸2次；2#试样——B漆VPI1次沉浸1次；3#试样——A漆VPI1次沉浸1次；4#试样——C漆沉浸2次；5#试样——D漆沉浸2次。
从图12中可以看出，VPI1次沉浸1次的挂漆量明显高于沉浸2次的挂漆量。
B漆的挂漆量也明显要高于A漆的挂漆量。
由此可以看出，采用VPI浸漆工艺有着良好的填充性，能保证绕组绝缘的机械强度、不含气隙。
另外，从图67局部放电测量中相应地也可以看到，挂漆量高的定子其PDIV也高，放电电量也越小；挂漆量低的定子其PDIV也低，放电电量也就越大。
图12挂漆量的对比
图13局部放电
上述试验表明，电机采用VPI浸漆1次沉浸1次的浸漆工艺有着较高的挂漆量和耐电晕性能。
研究固化工艺对绝缘寿命的影响，我们取H132定子进行模拟工艺试验，试验材料
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