PWM脉冲电压下电磁线绝缘老化机理分析

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PWM脉冲电压下电磁线绝缘老化机理分析

第 27 卷 第 24 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.27 No.24 Aug. 2007
2007 年 8 月 Proceedings of the CSEE ©2007 Chin.Soc.for Elec.Eng.
文章编号：0258-8013 (2007) 24-0024-06 中图分类号：TM835 文献标识码：A 学科分类号：470⋅40
PWM脉冲电压下电磁线绝缘老化机理分析
周 凯，吴广宁，邓 桃，吴建东，佟来生
(西南交通大学电气工程学院，四川省 成都市 610031)
Study on Insulation Aging Properties of Magnet Wire Under PWM Voltages
ZHOU Kai, WU Guang-ning, DENG Tao, WU Jian-dong, TONG Lai-sheng
(Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, Sichuan Province, China)
ABSTRACT: It has been observed that voltage waveforms generated by power electronic converters may affect significantly the reliability of electric motor insulation. The electrical characterization of magnet wire for electric motor has been investigated through aging tests under different aging time. The space charge parameters (e.g., the amount of charge, trap energy level) in magnet wire under pulse width modulated (PWM) voltages were investigated by thermally stimulated current (TSC) to understand the relationship between trap parameter and aging time. In addition, partial discharge parameters (e.g., inception voltage, repetition frequency, phase distribution of discharge number) have been measured. In particular, relationship between aging time and the parameters of the TSC curve are observed in the specimen. Relationship between PD parameters and space charge accumulation has also been observed. These phenomena, if confirmed, could be used to develop new materials for PWM voltage applications.
KEY WORDS: PWM pulse; trap; thermally stimulated current; activation energy; partial discharge
摘要：随着电力电子技术的发展，脉宽调制(PWM)电源得到了广泛应用。由于该电源输出电压是一系列脉冲电压，有可能导致变频电机绝缘过早破坏。目前，有关高压连续脉冲电压下绝缘材料失效机理各方观点尚未达成一致；过去的研究大多停留在宏观水平，主要是定性的实验研究，缺少微观定量分析的支持。针对上述问题，该文对变频电机定子绝缘的电磁线进行了老化实验。在此基础上，通过热刺激电流和脉冲下局部放电参数的关系，揭示了老化时间和陷阱参数(如峰值位置、陷阱能级)的联系。同时测量了局部放电参数(如起始放电电压、最大放电量、放电相位分布)随老化时间的变化。上述工作的开展，为更深入的脉冲电压下绝缘老化机理研究打下了坚实的基础。
关键词：PWM脉冲；陷阱；热刺激电流；活化能；局部放电
0 引言
变频调速牵引电机系统广泛应用于高速电气化铁道、舰艇、起重机等领域，其使用脉宽调制(PWM)变频电源，原理如图1(a)所示。变频器输出的连续脉冲如图1(b)所示，其波形不再是工频正弦电压，而是一系列脉冲形式的电压，这有可能导致变频电机绝缘过早损坏，该问题已经引起了国内外学者的广泛关注[1-2]。但就脉冲下绝缘的失效机理，各方观点尚未一致，更没有形成统一的理论。过去的研究大多处于宏观水平，采用了定性的实验研究，其结论缺少微观、定量研究的支持[3-4]。
聚合物的电老化过程中，材料将会发生许多结构的变化，引发更多的陷阱。因此，陷阱密度的增加，可以作为判定聚合物电老化程度的一个有效参数[5-10]。由于空间电荷与聚合物中的陷阱或缺陷有密切的关系，因此通过测量空间电荷并与其他研究
(a)变频器原理图
(b)变频器输出波形
图1 变频器原理和输出波形
Fig. 1 Schematic diagram and output waveform of inverter
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手段配合，可以从微观角度来分析绝缘材料老化和击穿的原因[11-14]。热刺激电流法可以测量空间电荷的相关陷阱参数，但目前国内外研究者用于工频和直流条件下的绝缘特性研究较多[15]。同样，局部放电作为一种有效的绝缘评估手段已经得到广泛应用，其成果主要是在工频电压下取得的[16-17]。本文利用热刺激电流和脉冲下局部放电测量相结合的办法，试图找出局部放电、材料陷阱和老化时间的联系，从绝缘材料的微观领域研究高压连续脉冲下聚合物的损坏机理。
1 实验
1.1 样本
样本采用变频牵引电机用电磁线，电容量为37.4pF，其绝缘结构如图2所示，电极周围采用杜邦公司KAPTON CR 100薄膜1/3叠包绕制，该膜为纳米复合聚酰亚胺膜，总厚度75μm，在两层膜的交界处采用纳米绝缘漆填充，外层采用云母和玻璃丝带绝缘包绕，整个电磁线在真空条件下浸漆以消除界面间的微小气泡。
杜邦Kapton FCR膜 绝缘漆 外绝缘 电极
图2 电磁线绝缘结构
Fig. 2 Insulation configuration of magnet wire
1.2 老化条件
将样本置于100℃下热老化，同时施加双极性脉冲，脉冲频率10kHz，占空比0.5，脉冲上升时间100ns，电场强度17.5kV/mm．，每个老化周期20h，直到最后击穿。每隔两个周期后将样本取出，分别测试热刺激电流和局部放电。
1.3 局部放电和空间电荷测量
采用脉冲电流法测量局部放电，在老化后以500MHz的采样速率采样10次，对10次数据进行统计，作为1个老化周期的数据。由于脉冲条件下对局部放电采样的频率很高，而且存在许多干扰，因此需要对其滤波处理[18-20]，采用小波包滤波后的结果如图3所示。分别对上升沿和下降沿采用滤波算法和统计分析发现，变化趋势类似，因此本文仅采用上升沿的统计结果。
420103050 70 90 t/μsU/kV
(a)脉冲
25155103050 70 90 t/μsU/mV PD
(b)PD
图3 局部放电信号
Fig. 3 Signal of partial discharge after
filtering and original signal
给不同老化程度的样本分别施加1500V直流电压，100℃下极化20min，关闭加热器，通过强制风冷将样本迅速冷却到室温，断开极化电压后将样本两端短路一定时间，直到观察到通过微电流计电流衰减至0或接近0为止，以消除杂散电荷和界面电荷的影响，以4℃/min升高温度，同时记录温度和电流数据，从而得到TSC曲线。
按照上述方法实际测量的TSC曲线如图4中曲线(4)所示，该曲线是一条复合曲线，包含了多个峰，需要对其进行峰分离。本文采用高斯拟合方法，通过对图4中曲线进行分离，得到TSC曲线峰如图4中曲线(1)和(2)所示。根据文献[9]采用的方法进行计算，在曲线上升部分取三个点进行计算，可分别得到两个峰的活化能。
I/pA 5030104020406080 100 T/℃120 140 2 3 4 1
1—分离后的1峰；2—分离后的2峰；3—拟合曲线；4—原始曲线
图4 实际的TSC测量曲线
Fig. 4 Example of TSC measurement
2 结果
2.1 热刺激电流测试结果
分别测试老化1、3、5、6个周期后的TSC曲线如图5所示，随着老化时间的增长，每条曲线的峰值温度向高温部分偏移，陷阱数量随着老化时间而增加，但是在老化后期却增加不多。对每条曲线
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进行峰分离并分别计算活化能，结果如表1所示。
1T I/pA 80 40 0 60 20 40 60 80 100 T/℃120 140 3T 5T 6T
图5 不同老化时间的TSC测量曲线
Fig.5 Results of TSC after different aging time
表1 峰值温度和活化能计算结果
Tab. 1 Peak Temperature and activation
energy of each peak
1峰温度/℃
2峰温度/℃
2峰活化能/eV
1峰活化能/eV
1
84.5
117.3
1.175
0.28
3
84.9
121.7
1.16
0.29
5
84.7
123.8
1.14
0.507
6
92.6
127.4
1.15
0.445
文献[21]认为对于纳米杂化聚酰亚胺，其2峰的形成主要由于无机纳米填料与聚酰亚胺分子间界面相互作用形成，而1峰主要是材料中的偶极子极化所致，未老化的非纳米样本的TSC峰如图6所示，该峰位置和纳米样本中1峰的位置基本一致，而且根据实验，该峰位不随极化电压大小而改变，与极化电压呈线性关系，说明该峰为偶极子极化所导致。
I/pA 25 15 0 20 10 5 20 60 80 100 T/℃120 140 40 未老化的 非纳米样本
图6 未老化的非纳米样本TSC测量结果
Fig. 6 Result of TSC for common polyimide
magnet wire without aging
低温度峰值的活化能随着时间而增加，说明老化使材料分子的整体活动能力增强，使绝缘的整体破坏作用有增强的趋势，但高温度峰值的活化能随着时间增加在老化后期有所减小，说明老化时间的增加使纳米相与有机相之间的相互作用有所减弱。峰值温度的增加说明材料中出现了能级更深的陷阱。
2.2 局部放电实验结果
局部放电起始放电电压测量结果如图7所示，随老化时间增长，局部放电起始放电电压总体有下
21# UPDIV/kV 老化时间/h 080 120 4035#1.401.201.301.100.901.00
图7 不同老化时间的PDIV 测量结果
Fig. 7 Results of PDIV after different aging time
降趋势，但在某些部分有波动，这可能和样本气隙形状的变化有关。最大放电量测量结果如图8所示，最大放电量总体上随着时间增长而有上升趋势，但不同的样本最大放电量的变化趋势不完全相同。因此，很难通过最大放电量和起始放电电压了解不同样本的老化程度。
通过对脉冲下局部放电次数不同周期的相位相关统计分析结果如图9和10所示。
对于35号样本，没有老化时局部放电次数最少，而且放电次数的相位分布比较窄。随着老化时间的增加相位分布逐渐变宽，而且放电次数也在增加，在老化到6周期，在10℃相位后(即脉冲平顶区域)出现许多放电，该样本在老化到130h出现了击穿。
21# Qmax/nC 老化时间/h 35# 080 40120 534210
图8 最大放电量测试结果
Fig. 8 Results of maximum discharge quantity
放电次数 放电相位/(°) 失效时间：130h 040 20 6045253515 5−50h 40h 120h
图9 第35号样本的局部放电相位随老化时间分布
Fig. 9 Phase distribution of discharge
number of the 35 specimen
第 24 期 周 凯等： PWM脉冲电压下电磁线绝缘老化机理分析 27
放电次数 放电相位/(°) 失效时间：150h 0 40 20 60 45 25 35 15 5 −5 0h 40h 120h
图10 第21号样本局部放电相位随老化时间分布
Fig. 10 Phase distribution of discharge
number of the 21 specimen
对于21号样本，随着老化时间增加，局部放电的相位分布也在逐渐变宽，但该样本的放电次数在老化后期却有所减少，在2周期出现了大于10°的高相位放电，和6周期的高相位放电数据比较发现，尽管在老化开始阶段也有可能出现高相位放电，但2周期的高相位放电幅值比6周期放电的幅值低1倍左右，而且放电数量也较少。
综合比较其他样本的放电相位分布结果，放电次数相位分布总是随着老化时间而逐渐变宽，但放电次数并不会一直增加，而高相位(大于10°)放电次数和幅值增加是绝缘失效前的一个危险信号。
3 讨论
从热刺激电流测量结果可知，随老化时间增长，峰值温度往更高的温度偏移，在开始阶段总的陷阱电荷量增长较快，但是在老化后期陷阱电荷量却增加不多，这可能由于局部放电导致无机纳米填料与有机物的界面作用减弱导致陷阱数量增加不多，而且其中可能出现一些低分子产物相互作用，形成了更高能级的陷阱。峰值温度的增加被认为是局部放电发展更加剧烈、产生高能量粒子或更强的化学反应，破坏聚合物能级更高的分子键或产生更强的氧化还原反应，并由此产生部分较大结构的分子链，从而使聚合物产生能级更深的陷阱。
从局部放电结果可以看出，随老化时间的增长，无论是最大放电量、放电次数还是起始放电电压没有随时间呈线性增长的趋势，因为样本不同，局部放电的发生和发展也存在很大差别，发现其变化规律非常困难。通过相位相关分析，随脉冲下老化时间的增长，放电相位呈现展宽趋势，尤其在脉冲平顶区域附近出现了更多放电，这些放电的出现对聚合物的破坏和失效时间有着很强的联系；因为这些放电出现可能与气隙形状和尺寸变化有关。如气隙沿电场方向发展形成较尖锐的气隙形状或尺寸沿着电场方向变大，这两种情况都能导致气隙内部的局部电场不均匀程度增加，气隙内的部分放电的起始放电电压增大，而导致这些放电能量较高，对聚合物的破坏作用愈强。
结合TSC和局部放电结果综合分析，在老化后期，局部放电产生的高相位放电和聚合物陷阱能级的加深存在联系。因为这些高相位放电的出现，说明绝缘材料中局部的放电发展非常剧烈，其放电的能量很高，对聚合物高能级分子键的破坏作用增强，导致绝缘局部破坏作用增强，局部缺陷进一步发展，但由于这些放电次数较少，因此导致TSC曲线的2峰峰值增加不多，而峰值温度持续增加；因为脉冲电压频率很高，导致放电的局部发展剧烈，而不像频率较低的工频电压下的老化，对绝缘的局部破坏作用相对较弱。因此，脉冲电压下的绝缘的快速失效是由于频率增加，局部产生更多的高能量放电和更强的化学反应，从而导致局部缺陷快速发展，最后迅速击穿。
为了进一步证明上述观点，通过在脉冲电压和工频电压下的老化，施加相同的峰峰值电压，老化温度相同，对两个不同的样本分别老化100h；为了消除样本不同带来的结果差异，通过老化后的峰值电流减去未老化的峰值电流来说明工频下老化和脉冲下老化热刺激电流峰值的差异。从图11中可看出，在脉冲电压下老化后，峰值1即低温度出现的电流峰值并没有因为脉冲老化而增加，相反脉冲电压下老化后的陷阱电流峰值反而比工频电压下降低；但是在高温度的陷阱电流峰值即峰值2却比工频下老化大。这说明脉冲电压下绝缘的快速损坏不是因为浅陷阱增加所致，主要和高温区的陷阱有关。从前面的分析可以知道高温度出现的陷阱增加
I/pA 试样1 工频电压下老化100h705060301004020脉冲电压下老化100h 1峰2峰试样2
图11 脉冲和工频下老化后的TSC电流峰值
Fig. 11 Amplitude of TSC under PWM
pulse and AC 50Hz voltages
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主要是因为在脉冲电压下老化后更容易产生放电能量很高的局部放电和更强的化学反应，对绝缘的局部破坏作用增强，使缺陷局部发展迅速而最终导致破坏。
4 结论
试样陷阱数量的增加和老化时间并不是一个线性关系，可能会出现陷阱增加不多的趋势，但总体上峰值温度向更高的能级偏移。
在脉冲下对局部放电测试结果说明高相位放电的出现是一个危险信号，是绝缘破坏的先兆。因为这些放电的出现对材料的局部破坏作用更大，形成更深的陷阱。
热刺激电流测量结果说明在脉冲电压下电磁线绝缘的整体老化程度并不是一个线性增加的趋势，而可能是绝缘的局部破坏作用更为明显，因为频率的增加导致相同时间下的局部放电次数比50Hz正弦电压多很多倍，因此局部放电可能从绝缘的薄弱处开始发展，而由于放电密集，更容易产生高能量局部放电，破坏高能级分子键和产生更强的化学反应，导致绝缘局部的破坏作用增强，最终导致击穿。从不同样本的老化失效时间来看具有很大的分散性，往往相差几倍，因此，笔者认为PWM脉冲下的老化和样本的本身缺陷有很大的关系，一旦绝缘存在缺陷就很容易发展从而导致迅速击穿。
参考文献
[1] Kaufhold M．Electrical stress and failure mechanism of the winding insulation in PWM-inverter-fed low-voltage induction motors [J]．IEEE Trans. on Industrial Electronics，2000，47(2)：396-402．
[2] Fabiani D，Montanari G C，Contin A．Aging acceleration of insulating materials for electrical machine windings supplied by PWM in the presence and in the absence of partial discharges[C]．IEEE ICSD，Eindhoven，The Netherlands，2001，283-286．
[3] Yin Weijun．Failure mechanism of winding insulations in inverter-fed motors[J]．IEEE Trans. on Electrical Insulation Magzine，1997，13(6)：18-23．
[4] 何恩广．纳米TiO2填料对变频电机耐电晕电磁线绝缘性能的影响[J]．电工技术学报，2003，18(1)：72-76．
He Enguang．Influence of nano TiO2 filler on the corona-resistant magnetic wire insulation performance of inverter-fed motor [J]．Transaction of China Elctrotechnical Society，2003，18(1)：72-76(in Chinese)．
[5] 尹毅，屠德民，李明，等．用等温电流法研究自由基清除剂的作用机理——聚合物电老化陷阱理论的实验验证[J]．中国电机工程学报，2000，20(3)：13-15,25．
Yin Yi，Tu Demin，Li Ming，et al．Study on the action mechanism of the free radical scavenger with isothermal-current-decay method-an the free radical scavenger with isothermal-current-decay method-an Experimental verification of trap theory for electrical aging in polymer[J]．Proceedings of the CSEE，2000，20(3)：13-15，25 (in Chinese)．
[6] 王新生，屠德民．以光老化验证聚烯烃击穿的陷阱理论[J]．电工技术学报，1994，2：43-47．
Wang Xinsheng，Tu Demin．Verification of trap theory of polymer breakdown by photo aging[J]．Transaction of China Elctrotechnical Society，1994，2：43-47(in Chinese)．
[7] 吕亮，方亮，王霞，等．硅橡胶中空间电荷的形成机理[J]．中国电机工程学报，2003，23(7)：139-144．
Lü liang，Fang Liang，Wang Xia，et al．Formation mechanism of space charge in silicone rubber[J]．Proceedings of the CSEE，2003，23(7)：139-144(in Chinese)．
[8] Zhang Y，Lewiner J，Alquie C，et al．Evidence of a strong correlation between space charge build-up and breakdown in cable insulation under dc stress[J]．Proc．Jicable’95，Versailles，France，1995，22-29：562-569．
[9] Dissado G，Mazzanti G，Montanari G C．The role of trapped space charges in the electrical aging of insulating materials[J]．IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation，1997，4(1)：496-506．
[10] 王霞，吴超一，何华琴，屠德民．茂金属聚乙烯改性低密度聚乙烯中空间电荷的机理研究[J]．中国电机工程学报，2006，26(7)：158-162．
Wang Xia，Wu Chaoyi，He Huaqin，et al．Study on mechanism of space charge in low density polyethylene modified by metallocene catalyzed polyethylene[J]．Proceedings of the CSEE，2006，26(7)：158-162(in Chinese)．
[11] Hudon C，Amyot N．Evidence of charge injection resulting from fast pulse operation of inverter drivers[C]．IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena，1998，714-718．
[12] Mazzanti G，Montanari G C，Alison J M．A space charge based method for the estimation of apparent mobility and trap depth as markers for insulation degradation_theoretical basis and experimental validation [J]．IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation，2003，10(3)：187-197．
[13] Fabiani D，Montanari G C．Relation between space charge accumulation and partial discharge activity in enameled wires under pwm-like voltage waveforms[J]．IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation，2004，11(3)：393-405．
[14] 党智敏，亢婕，屠德民．EAA改性XLPE中空间电荷和电树、水树的关系[J]．中国电机工程学报，2001，21(7)：5-8．
Dang Zhimin，Kang Jie，Tu Demin．Relationships of space charge accumulation with electrical and water treeing in XLPE modified by EAA[J]．Proceedings of the CSEE，2001，21(7)：5-8(in Chinese)．
[15] Abou-Dakka M，Bulinski A．Space charge development and break- down in XLPE under DC field[J]．IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation，2004，11(1)：41-49．
[16] 乐波，李俭，用最大放电量增加率评定定子绝缘老化状态[J]．高电压技术，2001，27(1)：1-3．
Yue Bo，Li Jian．Study on the evaluation of aging condition of stator insulation based on the increasing rate of maximum PD quantity [J]．High Voltage Engineering，2001，27(1)：1-3(in Chinese)．
[17] 张晓虹，张亮，乐波，等．基于局部放电的矩特征分析大电机主绝缘的老化[J]．中国电机工程学报，2002，22(5)：94-98．
第 24 期 周 凯等： PWM脉冲电压下电磁线绝缘老化机理分析 29
Zhang xiaohong，Zhang Liang，Yue Bo，et al．Analysis on aging condition of stator winding insulation of generator based on the moment characteristics of partial discharge[J]．Proceedings of the CSEE，2002，22(5)：94-98(in Chinese)
[18] Tong Laisheng，Wu Guangning，Liu Xi．Relationship of partial discharge and insulation life[C]．International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis，Changwon，Korea，2006：662-665．
[19] 王晓蓉，杨敏中，严璋．电力设备局部放电测量中抗干扰研究的现状和展望[J]．电网技术，2000，24(6)：41-45．
Wang Xiaorong，Yang Minzhong，Yan Zhang．Review and prospect of rejecting interference in partial discharge measurement of power equipment[J]．Power System Technology，2000，24(6)：41-45(in Chinese)．
[20] 淡文刚，陈祥训，郑健超．采用小波分析与神经网络技术的局部放电统计识别方法[J]．中国电机工程学报，2002，22(9)：1-6．
Dan Wengang，Chen Xiangxu，Zheng Jianchao．Classification of partial discharge distribution patterns using wavelet transform and neural network[J]．Proceedings of the CSEE，2002，22(9)：1-6(in Chinese)．
[21] 王暄，赵晓旭，雷清泉．复合热激电流曲线陷阱参数的计算[J]．电工技术学报，2000，15(4)：84-87．
Wang Xuan，Zhao Xiaoxu，Lei Qingqua．Calculation of the trapping parameters of composite thermally stimulated current curve [J]．Transaction of China Elctrotechnical Society，2000，15(4)：84-87(in Chinese)．
收稿日期：2007-02-28。
作者简介：
周 凯(1975—)，男，博士研究生，主要从事空间电荷测量及对聚合物影响的研究；
吴广宁(1969—)，男，教授，博士生导师，主要从事高电压与绝缘技术方向的研究；
邓 桃 (1982—)，女，硕士研究生，目前主要从事高速机车牵引电机绝缘性能的研究。

福娃

很不错，感谢西莫，给我们初学者一个很好的平台。