摘要：随着我国高速铁路的快速发展，高速机车普遍采用变频调速交流传动系统，而变频调速牵引电机是高速机车的核心技术之一，其安全、可靠性直接影响高速机车的性能。由于半导体开关器件技术的发展，使得PWM变频调速技术在交流传动领域得到广泛的应用。
关键词：变频牵引电机；绝缘；高频脉冲；聚酰亚胺；局部放电；
高频方波脉冲电压下局部放电的测量分析是研究脉冲电压下绝缘失效机理的重要手段。
一、试样和局部放电测量系统
1.试样和试验电极。试样包括普通聚酰亚胺薄膜、国内某厂生产的聚酰亚胺纳米复合薄膜、普通聚酰亚胺薄膜和聚酰亚胺纳米复合薄膜绕制的电磁线。选用ASTM－2275标准推荐的绝缘薄膜局部放电测试用电极。对试样＃2的扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析图如图1所示。从图1中可以看到，聚酰亚胺纳米复合薄膜的表面比较平整均匀。能谱分析表明，纳米添加物为SiO２。
图1试样＃2的扫描SEM图
图2试样＃2的能谱分析图
2.局部放电测量系统.高频脉冲方波下的局部放电信号测量系统如图3所示，该系统由高频脉冲电源发生器、试样、脉冲电流传感器（ICS）、示波器、计算机组成，整个测量装置的上限频率为200MHz。脉冲电流传感器由同轴电缆与示波器相接，并接有一积分电阻R。采集的信号由GPIB接口与计算机相连。针对高频陡脉冲方波下局部放电信号弱，频谱宽，干扰强的特点，专门设计了一个高频脉冲电流传感器（ICS），该传感器具有频带宽，响应速度快、动态特性优良等特点。传感器输出信号由示波器采集，并传送到计算机存储，以便对采集信号做进一步分析处理。
图4为高频脉冲方波下的局部放电测量信号。利用小波包对信号多层分解、阈值滤波、重构，就可以提取出脉冲方波感应信号和局部放电信号。由于脉冲电压上升沿和下降沿的统计规律基本一致，因此仅给出上升沿的局部放电统计结果。以500MHz的采样频率采样20次，对20次数据进行统计，得到平均放电量、放电次数等统计参量。
图3 高频脉冲下的局部放电测量系统
图4 高频陡脉冲方波下的局部放电
二、试验结果及讨论
1.电磁线的耐电晕寿命试验和分析。根据IEC 62068标准对电磁线试样＃3和＃4进行了耐电晕寿命测试，试验条件：高频脉冲电压峰值为2KV，脉冲频率为20kHz，脉冲上升时间为400nｓ，温度为90°c。＃1和＃2各选取10个试样，试验结果采用Weibull分布统计分析，得出试样＃1、＃2的耐电晕寿命分别为28.7、130.9ｈ，耐电晕电磁线寿命相比普通电磁线的寿命得到大大提高。寿命的提高可能是因为局部放电发生时纳米粒子本身对复合物具有保护作用，纳米粒子阻止了带电粒子对有机物的撞击，延缓了放电对聚合物分子链的破坏，且纳米复合物的热导率比较高，普通聚酰亚胺薄膜和聚酰亚胺纳米复合薄膜的热导率分别为0.198和0.357Ｗ／（m•K），放电产生的热效应对纳米复合薄膜的劣化相对较小，从而降低了局部放电对纳米复合物的腐蚀速率，延长了绝缘寿命。
2.脉冲频率对局部放电的影响。试验温度为18°C，脉冲电压上升时间为1μｓ，脉冲电压峰值为1400V，试样＃1和＃2在不同脉冲频率1、3、5、7、10kHz下的局部放电特性见图５。分析可见：（1）如图5（a）所示，随着脉冲频率的增加，普通聚酰亚胺和纳米复合薄膜的局部放电起始电压Uin（PDIV）随脉冲频率基本没有变化，纳米复合薄膜的PDIV大于普通薄膜。纳米粒子添加后形成了大量的界面区，该界面区域对纳米复合物的介电性能有着重要影响，在纳米复合材料中，由于界面区的体积分数较大，即使填充物很少时也有可能发生界面区域重合，因此少量的填充物可影响材料的介电特性。研究者认为那些互相交叠的相互作用区是准导电区，电荷可以在这些区域耗散，界面区的存在改善了复合物的介电性能。纳米颗粒填充后形成的大量界面区改变了材料的电导特性。在温度30°C，40ｋV／ｍｍ电场下测试2种材料的电导率，纳米复合薄膜和普通薄膜材料的体积电导率分别为8.5、0.5fS／ｍ，表面电导率分别为16、1.0fS／ｍ。从电导率测量结果不难看出，纳米材料电导率比非纳米材料几乎大了一个数量级，从而导致空间电荷不易累积，可通过庞大的界面区进行耗散。纳米复合薄膜的PDIV明显大于普通薄膜，主要是因为纳米复合薄膜的表面电导率和体积电导率大，空间电荷更容易扩散，电荷累积效应降低，在脉冲电压翻转过程中反向电场EP作用减弱，从而导致PDIV略大于普通薄膜。气隙电场的最大值应出现在方波上升和下降沿处，达到2EO－Eres。其主要原因是因为气隙内空间电荷在脉冲快速上升和下降时来不及运动造成的。放电后电场迅速降至气隙残余电场Eres，但是，由于电荷的扩散运动，实际的气隙残余电场Eres并非常数，放电后气隙电场EO（t）可能会继续上升，这取决于气隙电荷的扩散速度。
（2）如图5（b）所示，频率的增加，平均放电量变化不明显，纳米复合薄膜平均放电量明显小于普通薄膜。可以看到，纳米复合物的电导率比普通材料大，从而导致空间电荷不易累积，可通过纳米粒子的界面区耗散。纳米复合薄膜的电导率大，空间电荷的累积效应相对较弱，从而导致脉冲极性翻转时电场叠加作用减弱，因此，纳米复合薄膜的平均放电量小于普通薄膜。
3.温度对局部放电的影响。由于局部放电的产生依赖于放电场强和初始电子的产生。温度的升高会导致初始电子的动能增加以及将绝缘介质某些能带上的电子激发出来形成局部放电的必要初始电子，放电获得初始电子的概率增大。因此，温度增加，PDIV降低，放电次数增多。
起始放电电压随着频率的增加而减小，而随着上升时间的增加而增大；高频导致单个周期的放电次数减少，单位时间的放电次数及平均放电量的增加；陡上升沿增强了空间电荷的驻留效应及反向电场的叠加，使平均放电量和放电次数增大。
图5不同频率下局部放电特性
参考文献
[1]周萍，浅谈高频脉冲下牵引电机绝缘的局部放电特性.2016.
[2]佟香．变频牵引电机端子过电压产生原理及影响因素．2017.
论文作者:吴世豪
论文发表刊物:《基层建设》2018年第17期
论文发表时间:2018/8/16
标签：脉冲论文; 薄膜论文; 纳米论文; 局部论文; 试样论文; 电荷论文; 聚酰亚胺论文; 《基层建设》2018年第17期论文;