漆包线耐电晕测试技术剖析66.doc

漆包线耐电晕测试技术剖析王晓南，叶贤忠，荣晓军上海迪安电工器材有限公司摘要：本文综述了国内变频漆包线耐电晕测试技术的发展趋势，论述了漆包线耐电晕原理及击穿机理，对几项漆包线耐电晕测试技术中的相关技术要求做了深入的探讨。

对变频电机及耐电晕漆包线测试技术在未来科技发展趋势进行了归纳。

关键词：漆包线变频耐电晕H桥电路IGBT管上升沿双极性方波一、导论二十一世纪是信息的时代，是创新的时代；随着生活节奏的不断加快、环保意识的不断加强、能源危机越来越严峻，高新技术不断孕育诞生，这其中，变频技术在生产生活各个领域的应用不断扩大与增长，未来随着各种生活、工业电工电子产品的不断小型化、简约化，变频技术将会更加进一步地充斥社会各个角落，而最终达到无所不在的地步；变频电源驱动感应电动机的变频调节系统具有性能优越、适用面广、应用前景广阔等优点，已经在空调、高铁、风电、航空航天、矿山、交通运输、石化、造纸、电梯等众多领域中有了广泛的应用，也越来越受到人们的重视，慢慢地，相信不久的将来会逐步取代机械调速和直流调速等技术，已经成为了目前发展最快的高新技术之一。

漆包线耐电晕性能直接影响到了变频电机的寿命，只有良好的耐电晕漆包线，才能使整机的使用达到安全、高效、耐用等指标；对于漆包线的耐电晕测试技术及其要求，IEC62068对其测试条件里的测试温度、测试频率、测试电压、脉冲上升时间、波形结构等要素有一个宽泛的要求，而这些范围由于过于宽广，可能使得测试结果大相径庭，所以需要固定相关参数进行测试，变频电机的国家标准GB/T21707对其使用的变频漆包线的耐电晕性能做了相对固定的测试规定，目前大部分厂家和用户都在参考使用。

近年来由于纳米技术的飞速发展，耐电晕绝缘填料的种类不断增多，漆包线耐电晕性能得到了空前提升，但是漆包线耐电晕测试标准仍然滞后，使得此方面的需求日益严峻。

二、漆包线耐电晕原理及击穿机理电晕放电是指带电体表面在气体或液体介质中出现许多局部的电离和激发的过程，但电极之间并不击穿或导通而出现的自持性放电现象，常发生在不均匀电场的场强很高的区域内。

其具有与日晕相似的蓝光层，伴有嗤嗤的声音,会产生臭氧、氧化氮等刺激性气味气体；这种现象在电机中会降低线圈的寿命。

图1.典型的双极性方波在高频高压电流冲击下，剧烈变化的电场会使漆包线导体周围产生局部电离和激发的现象，如果把漆包线制成绞线对的形式，则这种电离和激发就会在绞线之间的绝缘层内的偶极子及空气粒子中发生，由于绝缘层的存在，电晕放电可以稳定存在而又不会导通或击穿，但是当电晕积累到一定程度，经过热、高频电压、电场、辐射等作用下，材料经过了加速老化，部分有缺陷位置会因为局部放电导通而首先击穿（如图2），从而导致失效；材料在电晕放电电流（约10-9～10-6A）作用下缓慢破坏，原因在于电晕放电产生的氧原子、离子类及氧化氮等对材料进行氧化。

游离后的离子、电子又冲击高分子链，加上放电而产生的臭氧的作用和局部发热现象，将使高分子材料中的微小缺陷产生裂解而导致绝缘层变脆以至龟裂。

所以说局部放电是绝缘材料破坏的主要原因，材料在电晕条件下的老化是光、热、电以及化学等多种因素共同作用的结果，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。

漆包线耐电晕的基本原理是将无机氧化物纳米粒子均匀地填充到具有较高耐温等级的漆包线漆中，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)，增加了漆层分子间的致密程度，减少了缺陷几率；另外，高介电常数的无机纳米粒子阻碍了局部放电的直接性，有效延缓材料破坏进程，所以目前国内外的主要研究方向是作为填料的纳米材料的结构及其在漆料中的分散方法。

三、漆包线耐电晕测试原理讨论按照IEC62068标准，对于变频电机用漆包线都要满足在高频脉冲下的性能测试，其主要测试原理为：在一定的测试温度下，给待测试样施加双极性定值高频方波电压（如图1），在此电压波形的一个周期内，包括了一个正电平、一个负电平、一个电压上升、一个电压下降；在此条件下测试制成绞线对形式的试样，图2 被击穿的线样直至其破坏、击穿，具体为通过下述规定参数测试条件下的寿命应不小于一定的电晕时间；高频脉冲要求如下：脉冲频率： 20kHz；脉冲占空比：50%；脉冲波形： 方波；脉冲极性： 双极；电压（V）： 3kV；P-P温度： 155±2℃；为了实现以上要求下的测试，目前一般使用的方法是用IGBT管作为开关件，实现图3所示的H桥电路，以提供稳定的高频电压。

图3 H桥电路如图3所示，Q1、负载（AB）、Q4形成回路1，Q3、负载(AB)、Q2形成回路2，而因为回路1和回路2的供电方向是相反的，所以当回路1 导通时，回路2就是断开的，这时AB之间的电压就是1500V；相反地，当回路2导通时，回路1就是断开的，这时AB之间的电压就是-1500V；当回路1和回路2交替导通时，负载试样就得到了峰值为±1500V的脉冲方波的考核。

图4.高频高压脉冲下绝缘层电晕破坏进程示意试样是一组绞线对，按照IEC标准制备；试样在整个回路中相当于负载电容，在一定的温度下，给试样通入上述的高频双极性方波电压，使得试样在苛刻的条件下进行电晕，当经过一定时间的电晕之后，绝缘层内的部分微观缺陷会慢慢扩大串联，直至绝缘完全失效，如图4所示；由于受臭氧、高温、电离等作用，一般认为靠近空气的外表面绝缘层会首先破坏，进而是整个绝热层厚度的贯穿性失效。

当测试进行到击穿状态时，绞线对之间导通，仪器自动停止测试，并记录耐电晕时间，试验完成。

四、对于耐电晕测试标准相关参数的探讨按照IEC标准，将待测试样置于规定波形的高频高压脉冲下进行老化击穿时间测试，以此评估漆包线耐电晕性能。

以下测试参数如温度、频率、电压、波形、占空比、脉冲上升时间等都会影响到漆包线耐电晕时间。

图5几种脉冲波形IEC标准中所提及的可作为测试波形选择的有几种，如图5，变频电机标准选择了其中的最为严苛的双极性方波（B波形）作为漆包线耐电晕测试的波形。

4.1 波形A）双极性无台阶波形是对线样施加考验的最严苛形式如图7所示，只有使电压从-V值直冲到+V值，才能使试样材料本身承受正负（Vp-p）的电压值严苛冲击，所以波形一定是从负电平到零电势的瞬间放电过程直接衔接到从零电势到正电平的快速充电过程，整个过程不应该有停顿，即无台阶电压冲击，这对IGBT的关断技术是一种非常高的要求，反之如果出现了一图6.零电势暂停些如图6所示的波形在放电或反向放电以后不能及时充电而出现零电势暂停的台阶现象，这样的波型如果放大来看，其暂停时间会是上升沿时间的几十倍甚至几百倍，在暂停这一时间段内，相当于停止了对试样的电压冲击；所以如果做不到“无阶衔接”，在这样的波形下所得出的测试结果就不是真实的。

图7施加在试样上的高压脉冲电压B)尊重负载后的波形微小变化被测漆包线绞线对试样其实是一个不确定的电容、电感、电阻组合体，在仪器输出功率稳定的前提下，即在标准试样（纯电容特征）测试波形满足标准条件下，在测试腔加入漆包线负载之后，在大回路中参数发生了变化，样品两端的输出特征也有变化，在示波器下观察，负载输出波形在加入负载前后会有微小的变化，这是正常物理现象，正像电晕时可以看到样品周围蓝色光芒一样，这种波形也是耐电晕测试仪器所能够提供的现象之一，应该得到严格的尊重。

如果为了让波形光滑漂亮，刻意修正过滤该波形，测试就失去了意义。

图8未加负载的上升沿波形 图9加入负载的上升沿波形波形有小幅下降和振动我们经过大量实验发现，在输出功率和电压不变的情况下，波形下降越多（毛刺越明显）的负载线样，其耐电晕时间越短，说明其漆膜质量稳定性越差，如表1；这进一步证明了加入负载后的波形变化是耐电晕漆包线漆膜质量好坏的真实反映，不应加以人工调整。

表1.波形不同两组线样耐电晕时间数据其中组A线样的测试波形较平滑序号 组A 组B试样1 18.1h 14.1h试样2 17.5h 13.4h试样3 19.2h 12.8h试样4 16.3h 12.6h试样5 17.4h 11.0h4.2 脉冲电压与测试结果的关系一般地，电压寿命与电压幅值的关系可以用指数模型来表示：L=Ae-hU式中：L------试样的失效时间或失效次数（在给定波形和频率下）；U------所施加的脉冲电压；A、h---常数也可以通过倒幂定律来表示：L=kU-nn------电压老化系数；k------常数。

在其他条件固定的情况下，耐电晕寿命是电压幅值的负幂函数，即测试电压越高，耐电晕寿命越短。

可见，测试电压的调整，是可以影响到测试结果的，所以应该严格按照标准，将测试电压固定，以免影响测试结果。

关于测试电压的设定，由于受IGBT管技术的限制，PhelpsDodge公司最早开发耐脉冲电压测试装置的时候，是选用了1250V 的电压，后续的仪器制造者为了达到1500V 的标准要求,使用双管串联方法，但大大影响上升沿， 直到美国军方放开IGBT 技术保护以后，IGBT 管的额定电压可达1700V，从而使测试设备对样品的考核电压±1500V 的要求得到充分满足。

我们通过使用高性能IGBT 管，简化了设计电路，提高了电路的稳定性，保证了试样上施加电压准确、稳定，以确保测试结果的准确性。

图10耐电晕测试设备以及正在发生电晕的试样 4.3 上升沿时间是影响测试结果的重要因素方波的上升沿是指从零电压上升至1500V 所需要的时间，这个时间非常短，用纳秒计，严格的定义是从脉冲峰值10%到90%之间的间隔的1.25倍；上升沿越短，相当于电压变化的加速度越大，对线样的电压冲击力越大，以往老标准中， 由于测试元器件技术限制，提出用不同的上升沿来测试，同时制定出不同的耐电晕耐受时间，产生了判据的相互矛盾。

例如，一个线样在100纳秒测试时，耐电晕时间为13.5小时（标准要求12小时）为合格， 但用200纳秒测试时19小时（标准要求20小时）为不合格。

最后，应该如何判定该样品的合格性？标准中注释：以上升沿时间小的仪器（最小100纳秒）为准，实际上就是直接以100纳秒上升沿的测试结果为统一要求。

图11实测电压波形放大图经过大量试验测试发现在50-1000ns范围内，上升沿时间越短，漆包线的耐电晕时间越短，从分散性和测试时间的角度评估，常规耐电晕漆包线在100纳秒上升沿条件下测试，测试的结果在10多小时，有较好的可取性，而在50纳秒上升沿测试时，测试结果会在几小时，或几十分钟，会产生较大的偶然性，如表2。

在400纳秒测试时，耐电晕测试时间过长的测试结果会影响测试值一致性。

表2.同型号规格线样在不同上升时间下的耐电晕时间上升时间组别50ns 100ns 200ns 400ns第一组 0.9h 15.7h 32.2h 80.6h第二组 2.7h 16.6h 30.2h 100.8h第三组 2.1h 14.9h 29.6h 70.2h第四组 1.3h 15.2h 33.6h 121.3h第五组 3.5h 15.4h 28.9h 94.5h4.4 正确理解占空比的含义占空比的英文名称为duty cycle，其定义为在特定频率的脉冲波形中，在一个周期范围内，正脉冲时间所占整个周期的比率，或称为值守比率，在方波中，占空比是指正半周在一个周期之内所占的时间比率。