摘要：为了全面研究在高频方波脉冲电压下高速铁路电机绝缘的失效与老化机理现状，要对电机绝缘结构设计补充相应理论性原理，本文对高速铁路变频电机绝缘的老化特性进行探究。将普通与纳米复合薄膜在高频方波脉冲下进行老化，然后借助扫描电镜对其表面变化特征进行分析，对实验材料进行测试分析之后对获取的试验结果进行探析。
关键词：高速铁路；变频电机；绝缘；老化特性
在高速铁路变频调速牵引电机中主要应用PWM变频电源，在逆变器中不间断输出高频方波脉冲将会导致变频电机绝缘发生损坏，从相关研究成果中能看出，电机绝缘发生过早损坏的主要原因是因为脉冲方波下局部放电问题影响。高频方波脉冲电压基本频率较高，对绝缘材料老化、失效机理等会产生较大影响，在现阶段变频电机绝缘设计中要全面转变传统工频、直流电机绝缘设计理论。从相关研究中能看出，当前应用无机纳米填充材料能对有机绝缘材料进行改性，提升绝缘耐高频脉冲电压的整体冲击。
一、试验装置及试样概述
本文研究的试验所采取的电极是依照ASTM-2275标准进行设计，主要应用不锈钢材质电极，其中电极主要是二电极系统，主要是由电机绝缘支撑、上下电机部分构成，上下电极分别为圆柱形棒状与圆形，绝缘部分是云母板，上下电极直径分别是Ф25mm、Ф40mm。在实验过程中选取适应的显微镜对薄膜表面与横截面基本形貌进行观察。试验测试中应用的电压为20kV，因为聚酰亚胺薄膜不具有导电性，所以应用电显微镜在观察过程中会不断产生较多的电荷积累，在观察之前可以在试样中喷涂金膜，能提升视觉观察效果，提升观察物立体感。再应用高能电子束轰击方式，对薄膜横截面与表面形态变化情况进行重点研究。在试样材料中主要选取常见的普通薄膜与纳米复合薄膜[1]。
二、试验方法与相关数据分析
在试验开展过程中，要将普通和纳米复合薄膜放置在脉冲方波电场40kV/mm中进行试验。对其频率进行控制，设为1kHz，将温度控制在80℃中能逐步加快其老化速度。在不同老化时间段，比如30min与60min中对两种试验薄膜试样分别进行剩余击穿场强试验，然后对老化前后薄膜表面以及整体变化形态进行分析。击穿电压实验中要应用工频正弦电压，对试验环境温度进行控制，在600V/s的升压速率基础上升压直至试样击穿。有相关研究表明，将绝缘材料放置在规定电场强度中，被击穿概率在一定时间范围中会实效。可以得出威布尔分布表达式：
在表达式中，F（E）主要代表累计实效概率。E是试验击穿场强；β表示具体形状参数值。
三、试验结果讨论
（一）老化对表面形貌产生的影响
在试验中普通与纳米复合薄膜在老化前和老化后不同时间段内会呈现出不同的形貌变化图，老化之前的普通薄膜平面整体表现均匀，还是各项性能平衡的材料。老化之后由于受到有机相高温炭化作用与挥发作用影响，导致薄膜表面开始出现不同程度的沟痕与纹理。其中纳米复合薄膜老化之前平整度较高，表面呈现出连续性的深色，深色是有机相。还含有较多浅色球形颗粒，是无机纳米粒子，有机相对无机粒子产生包裹作用。经过全面老化之后，各类有机物开始被烧灼，在表面露出不同的絮状物，随着时间推移，薄膜表面开始被絮状物全部代替，和普通薄膜老化之后的表面形貌存在较大差异性。从普通薄膜与纳米负荷薄膜中能看出，大多数普通薄膜都是应用相同材料，其中可以将纳米复合薄膜分为三层组成结构，其中上下两层主要是无机纳米粒子掺杂在其中，中间层和非纳米薄膜横截面形貌之间大体相同[2]。
（二）老化对剩余击穿场强的影响
从试验过程中能看出，普通薄膜与纳米复合薄膜在实际老化前与老化后剩余击穿场强存在一定差异。#1老化0min，击穿场强为29.83；#1老化30min,击穿场强为28.29；#1老化60min,击穿场强为26.14；#2老化0min,击穿场强为28.26；#2老化30min；击穿场强为27.56；#2老化60min，击穿场强为26.17。从各项数据中能看出，聚酰亚胺击穿场强受到老化影响将会降低，但是普通聚酰亚胺击穿场强随着老化时间会逐步下降。不同试验老化之后介电强度产生较大差异的主要原因是由于纳米粒子添加导致电介质耐局部放电性能不断提升[3]。对于普通薄膜材料来说，在老化过程中产生电晕放电将会对分子链产生不同程度的化学降解，沟槽与纹理差异明显。如果放电对聚合物产生的破坏作用较大，将会导致击穿场强下降。对于纳米复合薄膜材料，受到老化作用影响，会逐步对电晕材料进行侵蚀，在薄膜表面中产生絮状结构主要是诸多纳米粒子遗留产生。其中纳米粒子对带电粒子会产生一定撞击作用，对聚合物全面侵蚀进行有效抑制。由于放电路径能得到有效延伸，能降低绝缘材料腐蚀速率，对材料寿命产生影响[4]。
结语
综合上述，本文对纳米复合薄膜以及普通薄膜进行老化，分析试验老化之后不同形貌变化特征。通过老化之后普通薄膜与纳米复合薄膜表面会产生较大差异，在纳米复合薄膜表面上会产生诸多絮状物。普通试样击穿场强会随着时间变化下降，纳米粒子的不断添加对电粒子能有效撞击，导致绝缘材料老化速度降低。
参考文献
[1]何景彦,吴广宁,高波等.基于介质损耗分析研究变频电机绝缘老化特性[J].高压电器,2008,44(3):243-245.
[2]吴广宁,周力任,郭小霞等.采用tanδ表征变频电机绞线对绝缘老化特性的研究[J].高电压技术,2010,36(7):1625-1629.
[3]何景彦,吴广宁,高波等.用介质损耗分析变频电机匝间绝缘老化特性[J].高电压技术,2007,33(8):165-168.
[4]江宁,彭佳,罗杨等.基于介电参量研究变频电机的绝缘老化机理[J].绝缘材料,2016(7):55-60.
论文作者:郭大鹏,牛玉龙,李斌寅,刘冠芳
论文发表刊物:《电力设备》2018年第26期
论文发表时间:2019/1/16
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