频率对漆包线局部放电特性的影响
About the Influence of the Frequency on the Partial Discharge Characteristics of Enamelled Wires

摘要：由于高频开关在例如变频器中的应用日益增多，人们对高频电压对绝缘材料的影响这个问题的关注也日趋增多。

对于电绝缘系统的质量测试和评估，大多采用局部放电（PD）测量法。作为绝缘质量的指标，通常采用局部放电开始电压（PDIV）和熄灭电压（PDEV）以及在某一电压下的表现电荷。
人们普遍认为50Hz局部放电试验是不能简单地与高频局部放电试验等同的。因此，需要在高频电压下进行测量。为进行这种测量，还研制了一种强力的高频高压电源。
本文中我们将给出在100kHz～3MHz不同频率下的PD试验结果。讨论双股扭绞漆包线的PDIV和寿命，并和50Hz下的数据做了比较。
我们的测量表明，PDIV受试验电压源特性很大的影响。如果考虑到这一因素，在200kHz～3MHz的频率范围内，PDIV近于常数。但是关于PD过程中漆包线的寿命，则随频率的二次方减小。
1 引言
在最近的10年中，在变频器或开关式电源中，快速高功率开关的应用日趋增多。在变频器用于可调式速度驱动器（ASD:adjustable speecl drive）日益增多的同时，这些驱动器中感应电机的故障率也明显增大。显然，高频脉冲电压对绝缘漆造成的应力比50/60正弦电压的强。图1表示ASD中的电压波形的示意图。我们可以清楚地知道，甚至在开关频率仅升到20kHz时，对绝缘漆也存在由电压的陡沿和振荡所产生的高频应力。因此，高频电压对绝缘漆的影响已引起人们广泛的关注。

图1 ASD电机中带有过冲和振荡的方波电压
由于PD对绝缘材料的寿命有明显的影响，因此，需要对由快速开关所产生的高频电压应力进行PD测量。
PD对ASD中的电机寿命的影响已由有关作者做了阐述[3，4，10]。大多数论文涉及电压波形对绕组导线寿命的影响[4]。虽然在某些论文中检测了频率的影响[2，3，9]，但是还未见到检测了宽频范围，至少是由用于ASD中的快速开关逆变器所引入的高频的影响的论文。本文将研究这方面的问题。
2 实验装置
2.1 电压源
由于对脉冲电压应力做的PD特性研究产生了一些相关问题[7]，我们用正弦电压做了试验。在试验中，制作了两台试验电压源：共振式变压器（resonance transformer）（图2）和电子管放大器（图3）；将结果做了比较。

图2 试验电压源：共振式变压器

图3 试验电压源:电子管放大器
共振式变压器的优点是所占的空间小和所花的成本低；缺点是每个频率需要一个变压器，低的输出功率和大约500kHz的频率上限。
测试表明，甚至按照IEC 60851[1]绕制的双股扭绞线样品，对这类电压源也可能是一个太重的负载。因此，研制了电子管放大器用于高频测量。这个电子管放大器作为电压源有一个优点：容许大的耦合电容，这意味着有高的灵敏度和可能驱动大负载。另一个优点是可获得100kHz～3MHz的输出频率。其缺点是比较复杂和电子管需要大的空间和功耗。
参考资料[6]中对这两种电压源做了更详细的比较。对于本文提出的高频测量已采用电子管放大器；对50Hz测量，则采用共振式变压器。
2.2 PD检测
测量是通过观测流过试验样品的电流在测量电阻器上的电压降（，例子见图6和图7）进行的。由流过试验样品的电容电流所产生的电压被一个带阻滤波器所阻塞。为了观测此电压采用一个数字式存储示波器（DSO），其带宽为100MHz。连同测量电路的带宽，得到63MHz的总带宽[8]，因此，实现了所谓的超宽带（UWB）测量。用适当的脉冲发生器对每一频率进行校准。
3 测量
3.1 局部放电
在我们的研究中，采用三种不同的漆包线在不同频率下进行了检测。头两种是同一厂家生产的不同牌号，仅在直径上有所不同：漆包线1为0.65mm；线2为0.375mm。第三种为标准牌号，线径为0.375mm。正如从图4可看到的，在200kHz～3MHz的频段内，所有漆包线的PDIV，几乎都接近恒定。对线1和线2，在200kHz～50Hz的范围内PDIV有所增大；对于线3，在50Hz下也可观测到PDIV的增大。

图4 PDIV与频率的关系（最低频为50Hz）
这里，我们必须考虑到50Hz下的值是用不同的装置测得的，这可能引起结果的某些偏差。不过，这种差异不会象测得的那么大。
3.2 寿命
对于寿命检验，采用了与前面一样的漆包线。在测量PDIV后，马上将测试电压升高超过PDIV10%，然后测量击穿所需的时间。
与PDIV值相对恒定不同，寿命随频率的上升呈近于二次方减小（见图5）。

图5 双股扭绞线的击穿时间与频率的关系
4 讨论
4.1 PDIV
漆包线2和3之间PDIV的差异可容易地用不同的绝缘层来说明；线1的PDIV比线2的高可用线1直径较大来说明：线1四周的场强较小，因此PDIV较高。
50Hz下PDIV的升高可用测试设备不同来解释。然而，关于线1和线2的PDIV的频率特性（图4），高频下PDIV确实可能有下降。因为线1和线2的这一差异约为25%，而线3则看来不很明显，所以这一结果应该用更多的不同漆包线样品来检验。
4.2 寿命
说明线1的PDIV比线2高的理由，同样可说明线1的寿命比线2的高。正如从图6和图7可以看到的，尽管测试电压都比PDIV提高10%，但线1上的PD强度（PD脉冲高度≈460mV）明显地比线2的（≈700mV）低。图6和图7均取自加测试电压后10秒。

图6 漆包线1的PD（上为试验电压，下为），≈460mV

图7 漆包线1的PD（上为试验电压，下为），≈700mV
另一个要解释的结果是漆包线的寿命不随频率的升高而成比例地下降。这一特性可以用内成比例出现的PD脉冲所产生的应力来说明。
在参考资料[5]中观测到，对于脉冲电压，寿命呈指数下降，还阐述了PDIV与脉冲的上升时间和下降时间的关系。
参考资料[9]中阐述了寿命随频率的上升而分段二次方下降：250Hz～5kHz，5kHz～10kHz。
这两个参考资料中均未给出说明。因此，我们必须找到导致漆包线寿命下降比所预测的小的原因。
图8表示其中的一个原因，该图取自用一台不合适的高阻抗电压源在2MHz下的测量。可以看到，在每个PD后测试电压降低约50μs。寿命测量不应用这种设备进行。然而，在所用的设备中未出现这样的电压降低。

图8 在2MHz下PD时的电压下降
另一种解释可能是由空间电荷引起的场均衡（field egualization）。在较低的频率下，会有比较高频率下多的均衡时间。在这种情况下，不研究漆包线（其中有许多不同的因素需要考虑），而采用比较简单的配置（其中我们可研究影响PD的不同参数）可能是有用的。
5 结论
根据我们的测量，有很多迹象表明，200kHz～3MHz的频率不会对PDIV有明显的影响。这可能意味着，电压上升时间也不会对PDIV有任何影响。
低频下PDIV增大这一现象必须进行严密的验证：用不同的漆包线反复测量。
随频率的上升，寿命呈二次方下降还未得到解释。为了说明这一结果，我们必须学习很多的关于在高频电压应力下PD机制的知识。