变频电机用耐电晕绝缘材料的应用研究进展

变频电机用耐电晕绝缘材料的应用研究进展

1.前言

脉宽调制(PWM)技术的发展与进步，使电动机的交流调速技术日益成熟。交流调速电机是由变频器、电动机和连接电缆组成，与直流调速电机相比，它具有节能、体积小、易于维护等优点，在电力机车、船舶、冶金等领域获得了广泛认可。起初，人们将变频器直接应用于普通电机上，原本在工频交流条件下使用15年的电机，在安装变频器后运行一至二年甚至几个月就出现了绝缘损坏这种情况在国内外均有出现。

为了延长变频电机的使用寿命，研究人员曾提出了以下3种解决方案：

第一，缩短变频器与电机之间电缆的长度以降低过充电压;

第二，增加电磁线绝缘层厚度，并在线圈两端接口和不同相间增加额外的绝缘材料; 第三，使用具有耐电晕腐蚀能力的绝缘电磁线。

尽管第一种方案可以在一定程度上减小电机端子上的尖峰过电压，但不能消除电压在绕组上的极不均匀分布，对延长电机的使用寿命方面效果不明显。

第二种方案可以在一定程度上延长电机的寿命，但是在增加电机绝缘尺寸的同时无疑减小了铜铁率，降低了散热速度;此外，一旦绝缘尺寸改变，整个电机制造中的生产装备、工艺参数等都需重新设计，这些都是电机制造者所不希望出现的。因此，耐电晕绝缘材料制备和应用成为电机绝缘领域研究的热点。本文在分析变频电机绝缘材料破坏机理的基础上，评述了国内外在变频电机耐电晕绝缘材料方面的研究成果及存在的问题，提出了今后耐电晕绝缘材料的研究重点。

2 电机绝缘的工作环境及破坏机理

2.1 电压

变频调速电机是由变频器、电缆和电机组成的。变频器的核心控制部件有BJT(双极晶体管)、IGBT(绝缘栅)等多种类型，其中IGBT具有驱动简单、易于保护和高速开关等优点，成为场控电力电子器件的主流产品。IGBT的高开关速度建立在快导通和快关断的基础上，最高可达30---40 k Hz，正常工作情况下为20 kHz。变频器的输出波形是具有陡上升沿和陡下降沿(0.1---0. 5l A s)的脉冲波，正是由于这种脉冲电压不同于工频正弦电压，从而对变频电机绝缘的工作环境造成了一系列的影响。当变频器将工频正弦波转化成脉冲波以后，该列脉冲波从变频器通过电缆传到电机的接线端，由于电缆与电机之间的阻抗不匹配将产生反射波。反射波反馈又产生二次反射，二次反射波与原始脉冲电压波叠加，当叠加的脉冲电压传输到电机时，就会产生一个尖峰电压。尖峰电压的大小取决于电缆的长度和脉冲电压的上升沿时间。通常电缆长度增加时，电线两端都产生过电压，电机端的过电压幅值随电缆长度增加而增加，并趋于饱和。当变频电机的绝缘线圈中通过脉冲电流时，短上升沿时间的脉冲波引起电压在线圈中的分布不均。据Rhudy,Tang等在模拟电动机定子绕组上进行了电压波形的测量、分析，表明在电动机定子绕组的首端几匝上承担了约80%过电压幅值，这样绕组首匝处承受的匝间电压超过工频交流电压条件下平均匝间电压的10倍以上！！！

2.2 破坏机理

尽管在使用变频器后，电机首匝附近的电压比工频交流条件下提高了10倍以上，虽然仍远低于绝缘的击穿电压，但是已经超过了局部放电起始电压。日本、美国和西欧等一些发达国家的学者对变频电机绝缘材料的破坏机理进行了广泛研究，并逐步达成了共识，认为局部放电是造成变频电机绝缘过早破坏的主要原因，而介质损耗发热、空间电荷、电磁激振以及振动等多种因素的存在加速了材料的老化过程。

以Kaufhold为代表的研究人员通过在不同电压，频率，温度，脉冲电压波形下对聚酞亚胺为绝缘材料的电磁线进行测试，发现当存在局部放电时，绝缘材料在较短时间内就会被击穿，而不存在局部放电时，即使在很高的电应力和热应力下，介质老化两年以上也没有出现击穿现象。Kaufhold认为变频电机中绝缘材料的破坏机理是由于局部放电引起的。Kaufhold的结论受到了众多人的支持，Hwang等人研究了25种变频电机用电磁线的局部放电的起始电压、损耗因子后认为，得到的结论与Kaufhold的结论完全相同。Beekman, Metzler等人研究表明，绝缘材料的耐电晕能力不同会导致变频情况下绝缘寿命不同，这间接说明局部放电是变频电机绝缘材料破坏的主要原因。

3 耐电晕绝缘材料的研究现状

3.1耐电晕漆包线漆

尽管绝缘材料研究人员通过在聚合物中填充无机填料的方法提高其耐电晕性能，但是由于早期无机填料制造技术只能达到微米级或亚微米级，采用这种填料填充的漆包线漆生产的漆包线表面粗糙，无法满足漆包线的表面技术要求。进入20世纪90年代后，随着纳米材料制备技术的逐渐成熟，人们开始将纳米粒子填充到具有较高耐温等级的漆包线漆中，制成耐电晕漆包线漆。采用这种耐电晕漆作为漆包线的外层(二层绝缘结构)或中间层(三层绝缘结构)，可使漆包线的耐电晕性能提高5一100倍。其中，最为典型的就是Dupont公司生产的耐电晕漆，采用邃克改性聚醋亚胺树脂为基体，以纳米SiO2为填料，这种漆包线漆作为漆包线的涂层，大幅度提高了其耐电晕性能。据美国专利US4935302介绍，在绝缘漆中添加粒度为5-500nm的氧化铬，或氧化铁和氧化铬的混合物，填充量约为10%一30%，可以大大提高耐电晕能力。Jiang等人提出了在聚酷亚胺、聚酞胺酸亚胺等漆包线漆中添加a型氧化铝和r氧化铝的混合物，使耐电晕能力提高3-4倍。美国的PhelpsDodge公司研制开发的耐电晕电磁线X8358采用三层绝缘结构，中间层为二氧化钦、氧化铝、氧化硅、氧化锌、氧化铁等无机氧化物填充的耐电晕层，在脉冲测试中表现出良好的耐电晕性能。经过近几年的发展，目前能生产供变频电机使用的新型漆包线漆的厂家有:美国P D George公司，Phelps Dodge公司，Dupont公司，法国Nexans公司，意大利Syntel公司和德国Herberts公司等。 近年来，国内在变频电机用耐电晕漆包线漆的研制方面，开展了大量工作。哈尔滨理工大学雷清泉院士课题组、西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室和上海电器科学研究所以及上海电缆研究所的科研人员分别从不同的角度对该课题进行了研究，取得较大的进展，有些成果正在向企业转化，但耐电晕漆产品由于存在某些问题尚未得到规模化生产。如四川东材科技集团有限公司承担的国家“十五”科技攻关项目交流变频电机专用屏蔽漆包线漆，上海电器科学研究所和上海电缆研究所研究的成果在常熟豪威富公司进行了小规模生产，尽管使漆包线的耐电晕性能得到一定程度的提高，但耐电晕性能分散性大，其根本原因在于纳米粒子在聚合物中没有得到有效的分散，大多仍以团聚体形式存在。

3.2 耐电晕薄膜

均苯型聚酸亚胺薄膜以其优异的耐热、机械、电气性能在高性能电机中有广泛的应用。1994年，美国Dupont公司在聚酞亚胺前体中填充了纳米氧化铝粒子，成功开发了耐电晕性能优异的Kapton CR薄膜。据杜邦公司专利介绍，Kapton CR薄膜就是先将气相氧化铝和N, N一二甲基乙酞胺制成稳定的悬浮体，然后再与聚酞胺酸溶液混合，经热亚胺化制得。该薄膜在变频电机制造中主要有两个用途:其一，在Kapton CR上复合Telfon FEP后，绕包烧结在铜扁线上，作为其电晕防护层。试验表明，KaptonFCR薄膜在20 kV的工频交流电条件下，耐电晕老化寿命可超过100 000 h，而在同样条件下普通聚酞亚胺薄膜只有200 h。该耐电晕薄膜绕组线已得到ABB和西门子的认可，并已成功应用于高速列车的牵引电机上。我国株洲电力机车研究所与常熟豪威富集团公司合作，用Kapton CR聚酞亚胺薄膜绕包并烧结在铜线上，应用于1020 kW，电压19 …… 此处隐藏：4474字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……