電機絕緣損壞

    電機絕緣損壞

    在交流變頻電動機的推廣應用過程中,曾出現大批交流變頻調速電動機絕緣早期損壞的情況。許多交流變頻電機運行的壽命隻有1～2年,有的隻有幾個星期,甚至在試運行中電機絕緣就出現損壞,而且通常發生在匝間絕緣,這給電機絕緣技術提出了新的課題。實踐證明,過去幾十年研究發展起來的工頻正弦波電壓下的電機絕緣設計理論不能適用於交流變頻調速電機。需要研究變頻電機絕緣的損壞機理,建立交流變頻電機絕緣設計的基本理論,製定交流變頻電機的工業標準。

    1電磁線的損壞

    1.1局部放電和空間電荷

    目前,變頻調速交流電機均采用IGBT(絕緣柵二極管)技術PWM(Pulsewidthmodulation-脈寬調製)變頻器控製。其功率範圍約是0.75～500kW。IGBT技術可以提供上升時間極短的電流,其上升時間在20～100μs,所產生的電脈衝有極高的開關頻率,達到20kHz。當一個快速上升沿電壓從變頻器到電機端時,由於電機和電纜的阻抗不匹配,產生一個反射電壓波。這個反射波返回變頻器,並再感應出另一個由於電纜和變頻器阻抗不匹配而產生的反射波加在原始電壓波上,從而在電壓波前沿產生一個尖峰電壓。尖峰電壓的大小取決於脈衝電壓的上升時間和電纜的長度[1]。

    通常電線長度增加時,電線二端都產生過電壓,電機端的過電壓幅值隨電纜長度增加而增加,並趨於飽和,而電源端的過電壓比電機端的過電壓小,並且幾乎與電纜長度無關。試驗表明,過電壓產生於電壓上升沿和下降沿處,並發生衰減振蕩,其衰減服從指數規律,振蕩周期隨電纜長度而增加。對PWM驅動脈衝波形有二種頻率,其一是開關頻率。尖峰電壓的重複頻率與開關頻率成正比。另一是基本頻率,直接控製電機的轉速。在每一個基本頻率開始時,脈衝極性從正到負或從負到正,在這一時刻,電機絕緣承受著一個二倍於尖峰電壓值的全幅電壓。另外,在一個散嵌繞組的三相電機中,不同相的相鄰二匝之間的電壓極性可能會不同,全幅電壓的躍變也有可能達到二倍於一個尖峰電壓值。據測試,PWM變頻器輸出的電壓波形,在380/480V交流係統中,在電機端測得的尖峰電壓值為1.2～1.5kV,而在576/600V的交流係統中,測得的尖峰電壓值達到1.6～1.8kV。非常明顯,在此全幅電壓作用下,繞組匝間產生表麵局部放電。由於電離作用,在氣隙中又會產生空間電荷,從而形成一個與外加電場反向的感應電場。當電壓極性改變時,這個反向電場與外加電場方向一致。這樣,一個更高的電場產生,它會導致局部放電的數量增加,最終引起擊穿。測試表明,作用於這些匝間絕緣的電衝擊大小取決於導線特定的性能和PWM驅動電流的上升時間。若上升時間小於0.1μs,則將有80%的電勢加在繞組的前二匝上,即上升時間越短,電衝擊就越大,匝間絕緣的壽命就越短[1]。

    1.2介質損耗發熱

    當E超過絕緣體臨界值時,其介質損耗迅速增加。當頻率增加時,局部放電隨之增加,結果產生熱量,這些熱量則引起更大的漏電流,從而使Ni上升更快,即電機溫升上升,絕緣加速老化。總之,在變頻電機中正是由於上述局部放電、電介質加熱、空間電荷感應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,使變頻電機的端子處出現振蕩電壓幅值增加。因而,電機的主絕緣
、相絕緣和絕緣漆承受更高的電場強度。據測試,由於變頻器輸出端電壓上升時間、電纜長度和開關頻率等因素的綜合影響,上述端電壓峰值可超過3kV。另外,當電機繞組匝間發生局部放電時,會使絕緣中分布電容所儲存的電能變為熱、幅射、機械和化學能,從而使整個絕緣係統劣化,絕緣的擊穿電壓降低,最終導致絕緣係統被擊穿[1]。

    3循環交變應力造成的絕緣加速老化

    采用PWM變頻電源供電,使變頻電機可以在很低的頻率、較低的電壓下以及無衝擊電流情況下起動,並可以利用變頻器所提供的各種方式進行快速製動。由於變頻電機可實現頻繁的起動製動,使電機絕緣頻繁地處於循環交變應力作用下,使電機絕緣加速老化[1]。

    普通異步電機中存在的由於電磁激振力、機械傳動等引起的振動等問題在變頻電機中變得更為複雜。變頻電源中含有的各種時間諧波與電磁部分固有的空間諧波相互幹涉,形成各種電磁激振力。同時,由於電機工作頻率範圍寬,轉速變化大,當其與機械部分的固有頻率相一致時,出現共振。在電磁激振力和機械振動影響下,電機絕緣受到更加頻繁的循環交變應力作用,加速了電機絕緣的老化[1]。