脈沖電壓對變頻防爆電機(jī)絕緣壽命的影響

近幾年，變頻防爆電機(jī)的使用越來越多，但是經(jīng)常出現(xiàn)變頻電機(jī)繞組匝間燒毀、破壓、軸承電蝕、抱軸等異常現(xiàn)象。用戶常認(rèn)為是電機(jī)制造質(zhì)量問題，事實上，造成變頻電機(jī)故障的系統(tǒng)問題比較多。本文將根據(jù)變頻電機(jī)故障損傷機(jī)理，提出問題并分析，找出解決問題的措施。

變頻防爆電機(jī)事故損傷機(jī)理

許多文獻(xiàn)和理論界均認(rèn)為變頻電機(jī)絕緣老化機(jī)理為:變頻器中快速開關(guān)器件（如IGBT）作為逆變和主動整流的器件，在變頻器兩側(cè)會形成陡上升沿方波脈沖電壓（dv/dt大于1 kV/ms）。由于連接變頻器與電機(jī)定子或轉(zhuǎn)子的傳輸電纜過長，電纜與電機(jī)線圈的波阻抗不匹配，從而產(chǎn)生了重復(fù)脈沖尖峰過電壓，作用于電機(jī)繞組線圈，導(dǎo)致絕緣中局部放電的產(chǎn)生,這樣就加速發(fā)電機(jī)絕緣系統(tǒng)的老化,進(jìn)而影響電機(jī)絕緣系統(tǒng)的壽命及可靠性。

變頻電源中含有的各次時間諧波與電動機(jī)電磁部分的固有空間諧波相互干涉,形成各種電磁激振力，當(dāng)電磁力波的頻率和電動機(jī)機(jī)體的固有振動頻率一致或接近時,將產(chǎn)生共振現(xiàn)象,從而引起繞組端部產(chǎn)生振動、位移、絕緣磨損、引線接頭開焊等,這會給電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和 絕緣結(jié)構(gòu)帶來疲勞并加速老化。

變頻防爆電機(jī)常見問題及分析

根據(jù)對收集資料的統(tǒng)計分析，變頻電機(jī)絕緣損傷機(jī)理及常見問題如下：

2.1  軸承電腐蝕或抱軸問題

變頻電機(jī)的軸承電腐蝕問題， 至今仍為一個世界級難題，一般軸承壽命不足18個月，在此期間損壞率25%；平均兩年損壞率達(dá)到65%,甚至造成繞組報廢。變頻電機(jī)一般采用絕緣軸承，軸承仍出現(xiàn)電蝕或抱軸,主要原因為軸 承的游隙是一個電容，由于變頻器產(chǎn)生大量的諧波，電容通高頻，存在電蝕現(xiàn)象不足為奇。此外， 變頻器供電時會有零點漂移，經(jīng)電機(jī)軸承構(gòu)成零序回路，由此產(chǎn)生流經(jīng)軸承的軸電流，也對軸承產(chǎn)生電腐蝕,進(jìn)而出現(xiàn)抱軸現(xiàn)象。

2.2 繞組燒毀

變頻電機(jī)繞組燒毀一般發(fā)生在首末匝、相間或線圈出槽口處,既有電機(jī)設(shè)計的原因，也有用戶使用的原因,現(xiàn)分析如下：

變頻電機(jī)是通過變頻器驅(qū)動的，而變頻器可分為低壓、中壓、高壓，其額定電壓范圍分別為：110 -415 V、660 ~2 300 V、3 ~ 10 kV_o 中低壓電動機(jī)速度調(diào)整普遍應(yīng)用IGBT（絕緣柵雙極型功率管）電壓型脈寬調(diào)制器（PWM）變頻器;而大功率高壓（3 kV及其以上）變頻領(lǐng)域一般采用交直交、 IGBT和IBCT多電平變頻器，減少了脈沖或降低了脈沖波上升沿時間，降低了對絕緣的破壞程度。 一般低壓變頻器的脈沖峰值在500 -750 V,該類電機(jī)使用壽命相對長些，脈沖電壓對絕緣壽命影響并不大;而中壓變頻器的脈沖幅值在1 200 ~ 3 000 V,脈沖電壓經(jīng)過反射疊加后，最大值可達(dá) 2 400 ~6 000 V,因此，該類電機(jī)如果不采取措施,使用壽命相對短些;措施不當(dāng)時，繞組短期運行燒毀較多。

由于我國標(biāo)準(zhǔn)目前對變頻器的脈沖電壓峰-峰值沒有規(guī)定,變頻器制造廠隨機(jī)性大,例如，額定電壓690 V的變頻器，其輸出電壓經(jīng)檢測所包含的脈沖電壓峰峰值在2 000 -6 000 V之間，較高的脈沖電壓極易損傷繞組絕緣,影響繞組使用壽命。由于脈沖電壓的作用，線圈表面電阻、縱向電容對端部放電的影響不能忽略,可能影響表面 碳化。

由于變頻電源產(chǎn)生過電壓、脈沖電壓、脈沖頻率、脈沖上升速率和共振因素作用于電機(jī)繞組絕緣，形成高電場強(qiáng)度、局部放電、介質(zhì)發(fā)熱、空間電荷感應(yīng)、電磁激振等，造成電機(jī)絕緣早期損壞。

不同脈沖電壓下對變頻防爆電機(jī)絕緣壽命的影響測試

依據(jù)并參照GB/T 21707—2008《變頻調(diào)速用三相異步電動機(jī)絕緣規(guī)范要求》，受試驗裝備影響,大多采取模擬試驗方法,對電磁線、薄膜等 材料進(jìn)行耐脈沖電壓壽命試驗，其中每種情況下取5 ~6個試樣進(jìn)行驗證。

3.1不同上升時間的脈沖電壓對普通電磁線與耐電暈電磁線的絕緣壽命試驗

在試驗條件：20 kHz,峰峰值3 kV,溫度155℃±2℃，脈沖上升時間為200 ns 時，我們對普通電磁線和耐電暈電磁線進(jìn)行了壽命試驗研究，檢測結(jié)果為:普通電磁線耐脈沖電壓壽命在9 ~ 18 min,而耐電暈電磁線耐脈沖電壓壽命在 50 ~ 120 h_o

在試驗條件:20 kHz,峰峰值3 kV,溫度155℃±2℃，脈沖上升時間為50 ns時，我們對普通電磁線和耐電暈電磁線進(jìn)行了壽命試驗研究,檢測結(jié)果為:普通電磁線耐脈沖電壓壽命在5 ~ 14 min,而耐電暈電磁線耐脈沖電壓壽命在35 ~60 h 以上。

以上測試結(jié)果表明，耐電暈電磁線耐脈沖電壓壽命優(yōu)于普通電磁線耐脈沖電壓壽命,其平均壽命不低于普通電磁線壽命的100倍;變頻器輸出脈沖電壓的脈沖上升時間越快，電磁線的壽命越短。

3.2不同溫度下脈沖電壓對變頻防爆電機(jī)絕緣壽命的影響測試

在試驗條件:20 kHz,峰峰值3 kV,溫度90 ℃ ±2℃，脈沖上升時間為50 ns時,對普通電磁線和耐電暈電磁線進(jìn)行了壽命試驗研究，檢測結(jié)果為:普通電磁線耐脈沖電壓壽命在20 ~60 min,而耐電暈電磁線耐脈沖電壓壽命在70 ~ 150 h以 。

以上測試結(jié)果與3.1結(jié)果相比,表明:溫度降低，耐電暈電磁線和普通電磁線耐脈沖電壓壽命提升,平均壽命提高2倍左右。

3.3  不同峰峰值電壓下對變頻電機(jī)絕緣壽命的影響測試

在試驗條件：20 kHz,峰峰值2. 1 kV,溫度 155℃±2℃，脈沖上升時間為50 ns時,對耐電暈電磁線進(jìn)行了壽命試驗研究，檢測結(jié)果為:耐電暈電磁線耐脈沖電壓壽命在120 h以上。

以上測試結(jié)果與3.1結(jié)果相比，隨著脈沖電壓的降低,電磁線耐脈沖電壓壽命提高明顯。另據(jù)文獻(xiàn)報道:脈沖電壓低于750 V,在155 ℃ ±2 ℃，壽命試驗時間大于6 000 h_o

3.4  脈沖電壓對普通薄膜和耐電暈薄膜的絕緣壽命試驗

本次試驗首先對云母帶進(jìn)行試驗，由于云母的耐電暈性好，試驗時間較長,亞胺薄膜補(bǔ)強(qiáng)的云母帶，耐脈沖壽命均大于或等于70 h,杜邦公司 Kapton CR薄膜補(bǔ)強(qiáng)的云母帶與國產(chǎn)亞胺薄補(bǔ)強(qiáng)的云母帶相比，同等試驗條件下(該試驗條件不能等同于采用不同材料時的電機(jī)運行溫升)，其耐脈沖壽命高出10 h左右,表現(xiàn)并不明顯，主要原因是云母的耐電暈性好而掩飾了 Kapton CR薄 膜的耐電暈性。但由于Kapton CR薄膜與國產(chǎn)亞 胺膜相比，具有良好的導(dǎo)熱性、較高的擊穿電壓和耐沖電壓性能，同等厚度下，其電氣強(qiáng)度高、電機(jī)溫升低，對電機(jī)絕緣壽命增加起到關(guān)鍵作用。為了探討杜邦公司Kapton CR薄膜與國產(chǎn)亞胺薄耐電暈性能，組織不同的亞胺薄膜材料進(jìn)行試驗對比，其測量結(jié)果見表1。

表1不同亞胺薄膜耐脈沖電壓壽命試驗記錄

從表1試驗數(shù)據(jù)看出，0. 025 mm厚Kapton CR薄膜耐脈沖電暈壽命比國產(chǎn)0. 05 mm厚的普通亞胺薄膜耐脈沖電暈壽命還長，同等厚度下，其 耐脈沖電暈壽命折合國產(chǎn)亞胺薄膜耐脈沖電暈壽命14倍左右，折合國產(chǎn)耐電暈亞胺薄膜耐脈沖電暈壽命的8倍左右；國產(chǎn)耐電暈亞胺薄膜耐脈沖電暈壽命約折合普通亞胺薄膜耐脈沖電暈壽命的 2?3倍左右。顯然，在成型繞組采用Kapton CR 薄膜有利于提高繞組運行壽命，并提高其安全性。

提高變頻防爆電機(jī)使用壽命措施

綜上所述，變頻電機(jī)在使用后常見問題主要 表現(xiàn)在以下方面:繞組匝間，常發(fā)生在繞組線圈端部和出槽口，應(yīng)為脈沖電壓或電磁激振力所致;繞組相間擊穿,常發(fā)生在每相首個極相組引出端或首末槽內(nèi)部,主要為沖擊電壓作用下局部放電引起介質(zhì)發(fā)熱所致;變頻電機(jī)的軸承電腐蝕主要為諧波電壓、高頻沖擊電壓或變頻器零點漂移等引起的軸電流所致。針對上述問題，建議采取措施如下：

4.1  變頻電機(jī)的軸承電腐蝕

在采取絕緣軸承情況下，要求用戶使用濾波器，減少軸向電流。一般變頻器通過簡單的“電 感”濾波，效果不好，很難將有害波形濾掉。濾波器選擇L、C元件組成的結(jié)構(gòu)效果好。根據(jù)變頻器的控制原理，濾波器一般有dv/dt濾波器、電壓和電流型濾波器或諧波濾波器，必須根據(jù)變頻器的工作原理選用。經(jīng)過dv/dt濾波器，進(jìn)入繞組的dv/dt變得平緩，減少對繞組絕緣的沖擊，這一點必須與用戶進(jìn)行交流，以便匹配，同時，應(yīng)定期檢測變頻器的零點漂移是否出現(xiàn),減少對軸承和繞組的損傷。

4.2  繞組匝間及出槽口處匝間或破壓

在解決繞組匝間及出槽口處匝間或破壓問題時，除要求用戶選擇合適的濾波器外,電機(jī)制造商應(yīng)采取以下措施,能有效地提高繞組使用壽命。

變頻電機(jī)槽數(shù)和槽形的選擇，要考慮漏抗對諧波和電機(jī)特性的影響，最好與用戶、變頻器制造商多方溝通交流,減少諧波和降低脈沖電壓，避免絕緣加速老化。

采用軟繞組時，電磁線使用耐電暈漆包線，加強(qiáng)首末匝絕緣，要VPI浸烘兩次,最好使用不含溶劑的絕緣漆。繞組端部涂刷快干膠，不僅能夠填充繞組線之間間隙,而且利于繞組固定，一方面對繞組出槽口進(jìn)行固定，消除槽口電應(yīng)力作用引起的局部放電而造成的匝間；另一方面是對繞組

端部的固定加強(qiáng)，減少因電磁激振引起的繞組受力變形，進(jìn)而損傷絕緣，能延長繞組使用壽命。

采用硬繞組時，不僅可以解決繞組端部固定問題,而且可解決線匝之間交叉現(xiàn)象和漆包電磁線之間存在間隙的問題，提高了耐脈沖電暈?zāi)芰Γ?對于容量較大的變頻電動機(jī)，采用成型線圈時，最好采取防暈處理。定子線圈鼻部要加墊NO- MEX410,加強(qiáng)匝間絕緣，減少該處應(yīng)力擊穿現(xiàn)象。 線圈成型后，線圈直線部分排間加墊0. 2 mm厚 H級環(huán)氧坯布,坯布長度和線圈直線長一致，寬度與線圈實際高度一致，減少排間間隙引起的局部發(fā)電，提高使用壽命。

4.3 標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一

盡快統(tǒng)一制定變頻器與電機(jī)配套使用的輸出電壓標(biāo)準(zhǔn)，尤其是限制變頻器輸出中所含脈沖電壓的峰峰值及上升沿變化率問題,對解決電機(jī)絕緣損傷是非常關(guān)鍵的。

結(jié)論

5.1  耐電暈電磁線耐脈沖電壓壽命比較高

優(yōu)于普通電磁線耐脈沖電壓壽命，其平均壽命不低于普通電磁線壽命的100倍，散繞類變頻防爆電機(jī)繞組線采用耐電暈漆包線等措施，能提高電機(jī)使用壽命。

5.2   變頻器電源輸出品質(zhì)影響電機(jī)使用壽命

變頻器輸出脈沖電壓的脈沖上升時間越快, 電機(jī)的絕緣壽命越短;變頻器輸出的脈沖電壓越高，電機(jī)的絕緣壽命越短。因此，用戶在使用和購買變頻器時，一定要關(guān)注這些參數(shù)。

5.3  變頻器輸出的諧波影響絕緣壽命

變頻器輸出的諧波會增加電機(jī)溫升或與繞組導(dǎo)體產(chǎn)生電磁共振應(yīng)力，而溫度對變頻電機(jī)絕緣壽命影響較大,隨著溫度升高，電機(jī)絕緣壽命將縮短;電磁共振應(yīng)力將破壞導(dǎo)體絕緣,易造成匝間燒毀。

5.4 消除變頻驅(qū)動對電機(jī)絕緣有害影響的方法

解決辦法有兩種,一是增大快速上升時間和減小脈沖電壓峰峰值;二是改進(jìn)絕緣系統(tǒng)本身。 對于前者，可以采取合適的濾波器、變壓器、電抗器或多級轉(zhuǎn)換器，也可以減少供電電纜長度,以降低快速上升時間脈沖電壓幅值，延長上升沿時間。 對于后者，可采取耐電暈材料和增加防暈措施,減少局部放電量和介質(zhì)發(fā)熱,提高絕緣使用壽命。

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