1 前言

在接下來將給大家介紹發生絕緣損壞的原因及應用于變頻器下對電機絕緣的要求。

2 絕緣損壞的原因

2.1 概述

主要有三類針對絕緣損壞的可能性：

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

作用于相間的電壓強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較高的尖峰電壓（）

作用于槽內繞組的電壓強度主要由槽襯起到絕緣作用

匝間出現非常之高的電壓強度（），決定于電機端相對于電機外殼的電壓變化和上升時間

產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間是造成壓分布不一致的原因。對于成型繞組電機來講，由于在槽內各匝均勻分布，所以繞組中傳遞上升率很高的入射電壓所產生不均勻電壓分布影響很小。

圖2-1 幾個電壓強度作用的繞組位置

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比下的電壓強度

在圖2-3中顯示了2-電平PWM變頻器與電網直接（正弦波）供電的相間及相對地的電壓強度的對比，電網（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200%的電壓強度，而相對地將超過200%。

這樣會極大的影響電機繞組的絕緣壽命，若要獲得與在正弦波供電下同樣的使用壽命，必須確保在運行過程中，在繞組間，特別是匝間不能出現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的孔洞是絕緣問題的根本原因。此類故障機制是一類非常復雜的稱之為局部放電的現象。

局部放電在滿足下面條件時，所釋放能量較低：

作用電機繞組的峰值電壓遠低于絕緣系統的實際擊穿電壓；

在孔洞處建立的局部電場強度不足以超過氣隙擊穿強度（局部放電起弧電壓）

當絕緣系統持續遭受局部放電，絕緣系統強度逐漸下降，絕緣材料過早老化情況將出現。老化過程進一步侵蝕絕緣材料，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繞組的峰值電壓的水平，此時絕緣擊穿出現。

一些調研也已驗證了基于作用于電機繞組的峰值電壓，上升時間，局部放電的概率及絕緣壽命等因素的絕緣系統模型的相關性。

局部放電起弧電壓同樣受溫度影響。電機的溫度上升是由于電機的運行損耗帶來的，同時受到作用于電機繞組的電壓脈沖的高頻諧波影響。

相關報告研究表明：溫升達到80K將使局部放電的起弧電壓削減約10%（相當于更容易發生局部放電，因為起弧電壓降低了）。局部放電發生的情況下，由于起弧電壓的降低，將導致絕緣系統老化加速。

2.3 變頻器運行下的限值要求

為在絕緣方面保證變頻器與電機的匹配性，必須了解由變頻器產生的電壓強度及繞組的絕緣（如圖2-1）的能力。相間電壓強度在相關標準（比如IEC60034-17）中描述了限值要求。我們在前面推文中討論了電壓峰值強度與上升時間的關系，這里再次明確一下：

上升時間Tu在0.01 μs ~0.4μs：相間電壓允許的限值非常依賴上升時間以及電機大小。陡峭的脈沖電壓邊沿，將在相繞組的第一個線圈中產生很大的電壓差。匝間與繞組的設計決定了允許的電壓限值；

上升時間Tu>0.4/0.5 μs：此時與上升時間及電機尺寸基本無關，允許的限值基本為常數。此時，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絕緣系統在允許的運行溫度下允許的限值

圖2-5顯示了采用西門子標準變頻器（當前輸出電壓脈沖的電壓變化率為3kV/μs~6kV/μs）驅動低壓電機所允許的電壓限值，其中A對應的標準絕緣，B對應的是特殊絕緣（對應的電壓范圍如表2-1）

表2-1 絕緣電壓范圍

1）根據IEC60038，允許電壓波動上限為+10%；Udc-perm對應的穩定的直流母線電壓）

3 結論

在本文中給大家介紹了電機繞組絕緣出現問題的幾個方面，并重點分析了繞組匝間絕緣損壞的原因及相關的影響因素。同時給出了在西門子變頻器驅動下采用西門子絕緣系統的相關允許限值及影響因素。