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