變頻電機耐電暈絕緣材料破壞機理分析

　　1.前言

　　脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)的發(fā)展與進步，使電動機的交流調(diào)速技術(shù)日益成熟。交流調(diào)速電機是由變頻器、電動機和連接電纜組成，與直流調(diào)速電機相比，它具有節(jié)能、體積小、易于維護等優(yōu)點，在電力機車、船舶、冶金等領(lǐng)域獲得了廣泛認(rèn)可。起初，人們將變頻器直接應(yīng)用于普通電機上，原本在工頻交流條件下使用15年的電機，在安裝變頻器后運行一至二年甚至幾個月就出現(xiàn)了絕緣損壞這種情況在國內(nèi)外均有出現(xiàn)。

　　為了延長變頻電機的使用壽命，研究人員曾提出了以下3種解決方案：第一，縮短變頻器與電機之間電纜的長度以降低過充電壓;第二，增加電磁線絕緣層厚度，并在線圈兩端接口和不同相間增加額外的絕緣材料;第三，使用具有耐電暈腐蝕能力的絕緣電磁線。

　　盡管第一種方案可以在一定程度上減小電機端子上的尖峰過電壓，但不能消除電壓在繞組上的極不均勻分布，對延長電機的使用壽命方面效果不明顯。

　　第二種方案可以在一定程度上延長電機的壽命，但是在增加電機絕緣尺寸的同時無疑減小了銅鐵率，降低了散熱速度;此外，一旦絕緣尺寸改變，整個電機制造中的生產(chǎn)裝備、工藝參數(shù)等都需重新設(shè)計，這些都是電機制造者所不希望出現(xiàn)的。因此，耐電暈絕緣材料制備和應(yīng)用成為電機絕緣領(lǐng)域研究的熱點。本文在分析變頻電機絕緣材料破壞機理的基礎(chǔ)上，評述了國內(nèi)外在變頻電機耐電暈絕緣材料方面的研究成果及存在的問題，提出了今后耐電暈絕緣材料的研究重點。

　　2 電機絕緣的工作環(huán)境及破壞機理

　　2.1 電壓

　　變頻調(diào)速電機是由變頻器、電纜和電機組成的。變頻器的核心控制部件有BJT（雙極晶體管）、IGBT（絕緣柵）等多種類型，其中IGBT具有驅(qū)動簡單、易于保護和高速開關(guān)等優(yōu)點，成為場控電力電子器件的主流產(chǎn)品。IGBT的高開關(guān)速度建立在快導(dǎo)通和快關(guān)斷的基礎(chǔ)上，最高可達30---40 k Hz，正常工作情況下為20 kHz。變頻器的輸出波形是具有陡上升沿和陡下降沿（0.1---0. 5l A s）的脈沖波，正是由于這種脈沖電壓不同于工頻正弦電壓，從而對變頻電機絕緣的工作環(huán)境造成了一系列的影響。當(dāng)變頻器將工頻正弦波轉(zhuǎn)化成脈沖波以后，該列脈沖波從變頻器通過電纜傳到電機的接線端，由于電纜與電機之間的阻抗不匹配將產(chǎn)生反射波。

　　反射波反饋又產(chǎn)生二次反射，二次反射波與原始脈沖電壓波疊加，當(dāng)疊加的脈沖電壓傳輸?shù)诫姍C時，就會產(chǎn)生一個尖峰電壓。尖峰電壓的大小取決于電纜的長度和脈沖電壓的上升沿時間。通常電纜長度增加時，電線兩端都產(chǎn)生過電壓，電機端的過電壓幅值隨電纜長度增加而增加，并趨于飽和。當(dāng)變頻電機的絕緣線圈中通過脈沖電流時，短上升沿時間的脈沖波引起電壓在線圈中的分布不均。據(jù)Rhudy，Tang等在模擬電動機定子繞組上進行了電壓波形的測量、分析，表明在電動機定子繞組的首端幾匝上承擔(dān)了約80%過電壓幅值，這樣繞組首匝處承受的匝間電壓超過工頻交流電壓條件下平均匝間電壓的10倍以上?。?！

　　2.2 破壞機理

　　盡管在使用變頻器后，電機首匝附近的電壓比工頻交流條件下提高了10倍以上，雖然仍遠低于絕緣的擊穿電壓，但是已經(jīng)超過了局部放電起始電壓。日本、美國和西歐等一些發(fā)達國家的學(xué)者對變頻電機絕緣材料的破壞機理進行了廣泛研究，并逐步達成了共識，認(rèn)為局部放電是造成變頻電機絕緣過早破壞的主要原因，而介質(zhì)損耗發(fā)熱、空間電荷、電磁激振以及振動等多種因素的存在加速了材料的老化過程。

　　以Kaufhold為代表的研究人員通過在不同電壓，頻率，溫度，脈沖電壓波形下對聚酞亞胺為絕緣材料的電磁線進行測試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)存在局部放電時，絕緣材料在較短時間內(nèi)就會被擊穿，而不存在局部放電時，即使在很高的電應(yīng)力和熱應(yīng)力下，介質(zhì)老化兩年以上也沒有出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。Kaufhold認(rèn)為變頻電機中絕緣材料的破壞機理是由于局部放電引起的。Kaufhold的結(jié)論受到了眾多人的支持，Hwang等人研究了25種變頻電機用電磁線的局部放電的起始電壓、損耗因子后認(rèn)為，得到的結(jié)論與Kaufhold的結(jié)論完全相同。Beekman， Metzler等人研究表明，絕緣材料的耐電暈?zāi)芰Σ煌瑫?dǎo)致變頻情況下絕緣壽命不同，這間接說明局部放電是變頻電機絕緣材料破壞的主要原因。

　　3 耐電暈絕緣材料的研究現(xiàn)狀

　　3.1耐電暈漆包線漆

　　盡管絕緣材料研究人員通過在聚合物中填充無機填料的方法提高其耐電暈性能，但是由于早期無機填料制造技術(shù)只能達到微米級或亞微米級，采用這種填料填充的漆包線漆生產(chǎn)的漆包線表面粗糙，無法滿足漆包線的表面技術(shù)要求。進入20世紀(jì)90年代后，隨著納米材料制備技術(shù)的逐漸成熟，人們開始將納米粒子填充到具有較高耐溫等級的漆包線漆中，制成耐電暈漆包線漆。采用這種耐電暈漆作為漆包線的外層（二層絕緣結(jié)構(gòu)）或中間層（三層絕緣結(jié)構(gòu)），可使漆包線的耐電暈性能提高5一100倍。其中，最為典型的就是Dupont公司生產(chǎn)的耐電暈漆，采用邃克改性聚醋亞胺樹脂為基體，以納米SiO2為填料，這種漆包線漆作為漆包線的涂層，大幅度提高了其耐電暈性能。

　　據(jù)美國專利US4935302介紹，在絕緣漆中添加粒度為5-500nm的氧化鉻，或氧化鐵和氧化鉻的混合物，填充量約為10%一30%，可以大大提高耐電暈?zāi)芰?。Jiang等人提出了在聚酷亞胺、聚酞胺酸亞胺等漆包線漆中添加a型氧化鋁和r氧化鋁的混合物，使耐電暈?zāi)芰μ岣?-4倍。美國的PhelpsDodge公司研制開發(fā)的耐電暈電磁線X8358采用三層絕緣結(jié)構(gòu)，中間層為二氧化欽、氧化鋁、氧化硅、氧化鋅、氧化鐵等無機氧化物填充的耐電暈層，在脈沖測試中表現(xiàn)出良好的耐電暈性能。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，目前能生產(chǎn)供變頻電機使用的新型漆包線漆的廠家有：美國P D George公司，Phelps Dodge公司，Dupont公司，法國Nexans公司，意大利Syntel公司和德國Herberts公司等。

　　近年來，國內(nèi)在變頻電機用耐電暈漆包線漆的研制方面，開展了大量工作。哈爾濱理工大學(xué)雷清泉院士課題組、西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室和上海電器科學(xué)研究所以及上海電纜研究所的科研人員分別從不同的角度對該課題進行了研究，取得較大的進展，有些成果正在向企業(yè)轉(zhuǎn)化，但耐電暈漆產(chǎn)品由于存在某些問題尚未得到規(guī)?；a(chǎn)。如四川東材科技集團有限公司承擔(dān)的國家“十五”科技攻關(guān)項目交流變頻電機專用屏蔽漆包線漆，上海電器科學(xué)研究所和上海電纜研究所研究的成果在常熟豪威富公司進行了小規(guī)模生產(chǎn)，盡管使漆包線的耐電暈性能得到一定程度的提高，但耐電暈性能分散性大，其根本原因在于納米粒子在聚合物中沒有得到有效的分散，大多仍以團聚體形式存在。

　　3.2 耐電暈薄膜

　　均苯型聚酸亞胺薄膜以其優(yōu)異的耐熱、機械、電氣性能在高性能電機中有廣泛的應(yīng)用。1994年，美國Dupont公司在聚酞亞胺前體中填充了納米氧化鋁粒子，成功開發(fā)了耐電暈性能優(yōu)異的Kapton CR薄膜。據(jù)杜邦公司專利介紹，Kapton CR薄膜就是先將氣相氧化鋁和N， N一二甲基乙酞胺制成穩(wěn)定的懸浮體，然后再與聚酞胺酸溶液混合，經(jīng)熱亞胺化制得。該薄膜在變頻電機制造中主要有兩個用途：其一，在Kapton CR上復(fù)合Telfon FEP后，繞包燒結(jié)在銅扁線上，作為其電暈防護層。

　　試驗表明，KaptonFCR薄膜在20 kV的工頻交流電條件下，耐電暈老化壽命可超過100 000 h，而在同樣條件下普通聚酞亞胺薄膜只有200 h。該耐電暈薄膜繞組線已得到ABB和西門子的認(rèn)可，并已成功應(yīng)用于高速列車的牽引電機上。我國株洲電力機車研究所與常熟豪威富集團公司合作，用Kapton CR聚酞亞胺薄膜繞包并燒結(jié)在銅線上，應(yīng)用于1020 kW，電壓1950 kV，轉(zhuǎn)速4 000 r/min的JD150S高速動力車上。經(jīng)過 近 幾 年的探索，國內(nèi)耐電暈聚酞亞胺薄膜的制備技術(shù)已走出實驗室，向產(chǎn)業(yè)化階段邁進。目前市場上已出現(xiàn)國產(chǎn)耐電暈聚酸亞胺薄膜，在機械、耐熱和電氣性能相近的條件下，平均耐電暈壽命可達Kapton CR薄膜的60%，但產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，仍有待于提高。

　　3.3 有機硅浸潰漆

　　有機硅樹脂是一類以硅氧鍵為主鏈、以有機基團為側(cè)鏈的高分子材料。由于Si一0鍵鍵能是373kJ/m ol，比C一C鍵鍵能（245k J/mol）高50%以上，有機硅樹脂分子結(jié)構(gòu)接近于硅酸鹽的結(jié)構(gòu)，是一種半無機高分子。當(dāng)其處于電暈條件下有機成分被氧化分解之后，表面會殘留一層硅的氧化物層，耐電暈性能較一般聚合物高。此外，無溶劑有機硅樹脂具有優(yōu)異的耐熱性、阻燃性、電氣性能以及機械性能，適合用作真空壓力浸潰工藝的浸潰漆180有機硅樹脂在特種電機，如牽引電機中有廣泛的應(yīng)用，能滿足變頻牽引電機絕緣系統(tǒng)高耐熱性和高可靠性需求。目前，國內(nèi)已經(jīng)逐步在開始消化和吸收國外的C級絕緣結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計使用耐電暈性能較好的有機硅浸漬樹脂。如株洲南車電機股份有限公司在KZ4A型和DJ4型牽引電機上分別采用了3551無溶劑有機硅樹脂和Wacker公司的H62A/ B雙組份無溶劑有機硅樹脂作為浸漬漆。目前，國內(nèi)使用的無溶劑有機硅浸漬樹脂完全從國外進口，國內(nèi)尚無成熟的產(chǎn)品問世。值得注意的是，株洲時代新材料科技股份有限公司經(jīng)過幾年的技術(shù)攻關(guān)，在有機硅無溶劑浸漬漆的制備和應(yīng)用工藝上取得較大突破，中試產(chǎn)品經(jīng)機械工業(yè)電工材料產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心檢驗，性能達到了國外同類產(chǎn)品水平。

　　4 耐電暈機理研究

　　4.1 多核模型

　　日本早稻田大學(xué)的TanakaT等基于化學(xué)、電學(xué)和形態(tài)學(xué)理論，提出了多核模型，用于解釋納米層狀材料在提高聚合物耐電暈性能方面所起的作用。他們通過比較聚酞胺和聚酞胺/層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料在相同局部放電條件下的耐電暈性能，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料表面的電暈腐蝕深度是純聚合物的五分之一，肯定了耐電暈性能的提高與層狀硅酸鹽的高耐局部放電性有密切關(guān)系。

　　該復(fù)合材料由許多聚酞胺包覆的納米尺寸的球形粒子組成，球形粒子的結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外可分為三層，即內(nèi)層，中間層和外層。由于離子鍵與共價鍵的存在，內(nèi)層聚合物與納米粒子之間有較強的作用，具有較強的耐電暈?zāi)芰?。中間層聚合物處于高度有序狀態(tài)，且或多或少地存在結(jié)晶現(xiàn)象，兩相鄰顆粒之間的距離約為1 nm，耐電暈性能次之。第三層主要是非晶態(tài)聚合物，耐電暈性能較差。當(dāng)局部放電作用于復(fù)合材料表面時，在電、熱、機械以及環(huán)境等因素的共同作用下，表層的聚合物首先遭到破壞而分解。之后，由于第三層及其外層的聚合物耐電暈性能較弱而被破壞，當(dāng)局部放電遇到球形粒子的中間層或內(nèi)層時，由于其較強的耐電暈性能，破壞通道將沿著中間層與聚合物的界面繼續(xù)生長。這樣破壞通道在材料內(nèi)部形成之字形路徑，從而延長了耐電暈壽命。

　　4.2 協(xié)同效應(yīng)

　　材料在電暈條件下的老化是光、熱、電以及化學(xué)等多種因素共同作用的結(jié)果。相應(yīng)地，納米粒子在提高材料耐電暈性能方面所起的作用也不是單一的，而是多方面的。T Okamoto等I“增研究T云母、FeS04填充的聚酞亞胺以及未填充聚酸亞胺的耐電暈壽命，對比了它們的放電量和體積電阻。發(fā)現(xiàn)Fe304/聚酞亞胺體系的局部放電量最小，而純聚酸亞胺的局部放電量最大，因此，T Okamot。認(rèn)為填料的加入造成聚酞亞胺電阻率的降低，使局部放電能量降低，從而延緩了材料的老化速度。

　　何恩廣等u11研究認(rèn)為納米TiO：微粉填充改性絕緣的新型復(fù)合電磁線經(jīng)過電暈放電破壞后，析出的納米TiO2微粉層改善了間隙中的電場分布特性，并通過電動力的作用自適應(yīng)遷移使間隙的電場分布趨于均勻化;納米TiO：層在絕緣表面形成電子屏蔽障，可捕獲來自放電的電荷，并通過高電導(dǎo)率的納米TiO：微粉層使積聚的電荷沿表面擴散;此外納米TiO：微粉層還能夠吸收來自電暈放電且對絕緣有光化學(xué)降解作用的紫外線，將光能轉(zhuǎn)化為熱能后通過良好的導(dǎo)熱性擴散掉，從而起到屏蔽紫外線的作用。Yin W 認(rèn)為，納米粒子在提高耐電暈性能方面的作用不是單一的，而是電場均化、熱穩(wěn)定等多種效應(yīng)共同作用的結(jié)果。

　　5 存在的問題及研究方向

　　我國研究人員采用不同的方法開發(fā)新型耐電暈材料，解決變頻電機絕緣的過早破壞向題。但迄今為止，國內(nèi)外提出的技術(shù)路線仍不能令人滿意，主要存在以下間題：

　?。?）在無機納米材料改性聚合物的耐電暈機理方面，不同的學(xué)者從某一角度對納米粒子在提高聚合物的耐電暈性能方面提出了不同觀點，仍然缺乏一致的認(rèn)識。全面研究無機納米粒子在提高聚合物耐電暈性能方面的機理，確定填料的種類、粒度、顆粒形狀、填充量等因素對聚合物耐電暈性能的影響，才能對耐電暈機理形成深刻的認(rèn)識。

　　（2）在耐電暈材料的制備方法上，一般采用共混法向傳統(tǒng)的耐高溫聚合物中填充一定量無機納米粒子，但由于納米粒子具有高表面能和強極性表面，多數(shù)情況下是以團聚體的形式存在于聚合物中，加之聚合物私度大、極性較弱，難以使納米粒子達到納米化分散狀態(tài)，造成產(chǎn)品耐電暈性能差，耐電暈性能分散性大。原位聚合法是實現(xiàn)納米粒子均勻分散、適合工業(yè)化生產(chǎn)的有效途徑，需要對該工藝進行詳細(xì)的研究。

　　（3）目前，國內(nèi)外還沒有出現(xiàn)公認(rèn)的耐電暈絕緣材料生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，這不利于此類材料的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。盡快建立耐電暈材料的國家標(biāo)準(zhǔn)，促進工業(yè)化生產(chǎn)進程。

　　為了盡快促使耐電暈絕緣材料產(chǎn)業(yè)化，需要在納米復(fù)合材料的制備、耐電暈機理以及國家標(biāo)準(zhǔn)的制備方面進行系統(tǒng)的研究。

　　編輯：黃飛