電機(jī)絕緣損壞

    在交流變頻電動(dòng)機(jī)的推廣應(yīng)用過程中,曾出現(xiàn)大批交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)絕緣早期損壞的情況。許多交流變頻電機(jī)運(yùn)行的壽命只有1～2年,有的只有幾個(gè)星期,甚至在試運(yùn)行中電機(jī)絕緣就出現(xiàn)損壞,而且通常發(fā)生在匝間絕緣,這給電機(jī)絕緣技術(shù)提出了新的課題。實(shí)踐證明,過去幾十年研究發(fā)展起來的工頻正弦波電壓下的電機(jī)絕緣設(shè)計(jì)理論不能適用于交流變頻調(diào)速電機(jī)。需要研究變頻電機(jī)絕緣的損壞機(jī)理,建立交流變頻電機(jī)絕緣設(shè)計(jì)的基本理論,制定交流變頻電機(jī)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

    1電磁線的損壞

    1.1局部放電和空間電荷

    目前,變頻調(diào)速交流電機(jī)均采用IGBT(絕緣柵二極管)技術(shù)PWM(Pulsewidthmodulation-脈寬調(diào)制)變頻器控制。其功率范圍約是0.75～500kW。IGBT技術(shù)可以提供上升時(shí)間極短的電流,其上升時(shí)間在20～100μs,所產(chǎn)生的電脈沖有極高的開關(guān)頻率,達(dá)到20kHz。當(dāng)一個(gè)快速上升沿電壓從變頻器到電機(jī)端時(shí),由于電機(jī)和電纜的阻抗不匹配,產(chǎn)生一個(gè)反射電壓波。這個(gè)反射波返回變頻器,并再感應(yīng)出另一個(gè)由于電纜和變頻器阻抗不匹配而產(chǎn)生的反射波加在原始電壓波上,從而在電壓波前沿產(chǎn)生一個(gè)尖峰電壓。尖峰電壓的大小取決于脈沖電壓的上升時(shí)間和電纜的長(zhǎng)度[1]。

    通常電線長(zhǎng)度增加時(shí),電線二端都產(chǎn)生過電壓,電機(jī)端的過電壓幅值隨電纜長(zhǎng)度增加而增加,并趨于飽和,而電源端的過電壓比電機(jī)端的過電壓小,并且?guī)缀跖c電纜長(zhǎng)度無關(guān)。試驗(yàn)表明,過電壓產(chǎn)生于電壓上升沿和下降沿處,并發(fā)生衰減振蕩,其衰減服從指數(shù)規(guī)律,振蕩周期隨電纜長(zhǎng)度而增加。對(duì)PWM驅(qū)動(dòng)脈沖波形有二種頻率,其一是開關(guān)頻率。尖峰電壓的重復(fù)頻率與開關(guān)頻率成正比。另一是基本頻率,直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在每一個(gè)基本頻率開始時(shí),脈沖極性從正到負(fù)或從負(fù)到正,在這一時(shí)刻,電機(jī)絕緣承受著一個(gè)二倍于尖峰電壓值的全幅電壓。另外,在一個(gè)散嵌繞組的三相電機(jī)中,不同相的相鄰二匝之間的電壓極性可能會(huì)不同,全幅電壓的躍變也有可能達(dá)到二倍于一個(gè)尖峰電壓值。據(jù)測(cè)試,PWM變頻器輸出的電壓波形,在380/480V交流系統(tǒng)中,在電機(jī)端測(cè)得的尖峰電壓值為1.2～1.5kV,而在576/600V的交流系統(tǒng)中,測(cè)得的尖峰電壓值達(dá)到1.6～1.8kV。非常明顯,在此全幅電壓作用下,繞組匝間產(chǎn)生表面局部放電。由于電離作用,在氣隙中又會(huì)產(chǎn)生空間電荷,從而形成一個(gè)與外加電場(chǎng)反向的感應(yīng)電場(chǎng)。當(dāng)電壓極性改變時(shí),這個(gè)反向電場(chǎng)與外加電場(chǎng)方向一致。這樣,一個(gè)更高的電場(chǎng)產(chǎn)生,它會(huì)導(dǎo)致局部放電的數(shù)量增加,最終引起擊穿。測(cè)試表明,作用于這些匝間絕緣的電沖擊大小取決于導(dǎo)線特定的性能和PWM驅(qū)動(dòng)電流的上升時(shí)間。若上升時(shí)間小于0.1μs,則將有80%的電勢(shì)加在繞組的前二匝上,即上升時(shí)間越短,電沖擊就越大,匝間絕緣的壽命就越短[1]。

    1.2介質(zhì)損耗發(fā)熱

    當(dāng)E超過絕緣體臨界值時(shí),其介質(zhì)損耗迅速增加。當(dāng)頻率增加時(shí),局部放電隨之增加,結(jié)果產(chǎn)生熱量,這些熱量則引起更大的漏電流,從而使Ni上升更快,即電機(jī)溫升上升,絕緣加速老化?？傊?在變頻電機(jī)中正是由于上述局部放電、電介質(zhì)加熱、空間電荷感應(yīng)等因素的共同作用引起電磁線的過早損壞[1]。

    2主絕緣、相絕緣和絕緣漆的損壞

    如前所述,采用PWM變頻電源,使變頻電機(jī)的端子處出現(xiàn)振蕩電壓幅值增加。因而,電機(jī)的主絕緣、相絕緣和絕緣漆承受更高的電場(chǎng)強(qiáng)度。據(jù)測(cè)試,由于變頻器輸出端電壓上升時(shí)間、電纜長(zhǎng)度和開關(guān)頻率等因素的綜合影響,上述端電壓峰值可超過3kV。另外,當(dāng)電機(jī)繞組匝間發(fā)生局部放電時(shí),會(huì)使絕緣中分布電容所儲(chǔ)存的電能變?yōu)闊帷⒎?、機(jī)械和化學(xué)能,從而使整個(gè)絕緣系統(tǒng)劣化,絕緣的擊穿電壓降低,最終導(dǎo)致絕緣系統(tǒng)被擊穿[1]。

    3循環(huán)交變應(yīng)力造成的絕緣加速老化

    采用PWM變頻電源供電,使變頻電機(jī)可以在很低的頻率、較低的電壓下以及無沖擊電流情況下起動(dòng),并可以利用變頻器所提供的各種方式進(jìn)行快速制動(dòng)。由于變頻電機(jī)可實(shí)現(xiàn)頻繁的起動(dòng)制動(dòng),使電機(jī)絕緣頻繁地處于循環(huán)交變應(yīng)力作用下,使電機(jī)絕緣加速老化[1]。

    普通異步電機(jī)中存在的由于電磁激振力、機(jī)械傳動(dòng)等引起的振動(dòng)等問題在變頻電機(jī)中變得更為復(fù)雜。變頻電源中含有的各種時(shí)間諧波與電磁部分固有的空間諧波相互干涉,形成各種電磁激振力。同時(shí),由于電機(jī)工作頻率范圍寬,轉(zhuǎn)速變化大,當(dāng)其與機(jī)械部分的固有頻率相一致時(shí),出現(xiàn)共振。在電磁激振力和機(jī)械振動(dòng)影響下,電機(jī)絕緣受到更加頻繁的循環(huán)交變應(yīng)力作用,加速了電機(jī)絕緣的老化[1]。