基于uhf的變頻電機(jī)局部放電特性測試研究

基于uhf的變頻電機(jī)局部放電特性測試研究

由于其控制和節(jié)能性的優(yōu)越性，頻變電機(jī)廣泛應(yīng)用于高速鐵路、船舶?？?、家用電器等與國家戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)生活密切相關(guān)的領(lǐng)域。這些機(jī)器采用了脈寬調(diào)節(jié)技術(shù)（pm），輸出波形在頻率下迅速增加，給頻率下的絕緣器帶來了新的問題。由于絕緣器的早期故障有時會減少，頻帶行業(yè)的可靠性也會得到改善。研究表明,逆變器輸出的陡上升/下降沿脈沖在連接電纜與電機(jī)處因阻抗不匹配形成的過電壓,加之不同極性脈沖變換時的空間電荷積累效應(yīng),引起絕緣中強(qiáng)烈的局部放電,是導(dǎo)致變頻電機(jī)絕緣破壞的主要原因.為此,國際電工委員會(internationalelectrotechnicalcommission,IEC)提出相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定在變頻電機(jī)投入運(yùn)行前須進(jìn)行一系列的局部放電測試,以確保電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行電壓下無局部放電存在(或?qū)⒕植糠烹娍刂圃谝欢ǔ潭葍?nèi)),預(yù)防絕緣因承受局部放電而早期失效,從而提高變頻電機(jī)的絕緣可靠性.標(biāo)準(zhǔn)建議采用具有陡上升/下降沿(以下僅討論上升沿)的單極性或雙極性脈沖方波作為測試電源,對變頻電機(jī)絕緣系統(tǒng)進(jìn)行局部放電測試,得到的局部放電起始放電電壓(partialdischargeinceptionvoltage,PDIV)和重復(fù)局部放電起始放電電壓(repetitivepartialdischargeinceptionvoltage,RPDIV)作為評價電機(jī)絕緣性能的重要參數(shù).國外學(xué)者通過建模仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證,對交流電壓下電源頻率對局部放電特性的影響開展了研究,提出頻率對局部放電出現(xiàn)相位、幅值等具有一定影響,采用不同頻率電壓下的局部放電測試結(jié)果診斷電氣設(shè)備絕緣狀態(tài)時,必須考慮這些影響因素.而在脈沖電壓下,初步研究發(fā)現(xiàn),由于絕緣處空間電荷積累效應(yīng)和快速極性反轉(zhuǎn)等作用,脈沖電源參數(shù)(頻率、占空比、上升時間等)對PDIV和RPDIV也具有一定影響,但這些影響仍需要大量的試驗(yàn)驗(yàn)證和理論解釋.當(dāng)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試時,為更好地發(fā)現(xiàn)變頻電機(jī)中的絕緣缺陷或薄弱點(diǎn),需根據(jù)不同頻率下的放電特性采用合適頻率的脈沖電壓.因此,對于脈沖電源頻率對放電幅值和放電相位的特性影響和機(jī)理分析,值得進(jìn)一步研究.本文旨在研究不同頻率脈沖電壓下的局部放電特性及機(jī)理.采用上升沿為500ns的脈沖方波電源,利用超高頻檢測方法,搭建不同脈沖頻率下局部放電測試系統(tǒng).對電源在超高頻傳感器感應(yīng)產(chǎn)生的干擾和局部放電脈沖進(jìn)行時域和頻域分析,據(jù)此采用合適的信號調(diào)理技術(shù),從電源干擾中提取出局部放電超高頻信號.經(jīng)試驗(yàn),得到不同頻率(2～2000Hz)脈沖方波下耐電暈電機(jī)漆包線局部放電的測試結(jié)果.最后給出試驗(yàn)結(jié)果的機(jī)理解釋及依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行變頻電機(jī)局部放電檢測時的建議.1試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.1雙極性脈沖方波系統(tǒng)測試電路如圖1(a)所示,脈沖方波電源由8個IGBT(insulatedgatebipolartransistor)串聯(lián),可產(chǎn)生峰峰值為500～7000V雙極性脈沖方波電壓,頻率1～2kHz可調(diào),脈沖方波的上升時間約為500ns.圖中,P表示帶寬為50MHz,分壓比為1000∶1的高壓探頭,其輸出信號作為示波器的外觸發(fā);Cx為待測試樣,由2根直徑為0.7mm、長度為100mm的200級的耐電暈漆包線制作而成,2根漆包線中心交叉點(diǎn)接觸并被固定在絕緣板上,中心交叉角度為60°,試樣一端接高壓脈沖,另一端接地.高頻天線超高頻信號通過濾波放大單元處理后接入數(shù)字示波器(最高采樣率16GS/s,帶寬4GHz),測試數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)處理和時頻分析后結(jié)果上傳至數(shù)據(jù)庫.1.2脈沖電源干擾局部放電測試工頻和直流下的局部放電測試和提取技術(shù)相對成熟,已在工業(yè)中得到一定推廣.但在脈沖方波電壓下,由于陡上升沿會在傳感器上感應(yīng)出較強(qiáng)的干擾,IEC60270推薦的脈沖電流法已不適用.而超高頻方法可有效提取局部放電產(chǎn)生的高頻能量,抑制電源干擾,結(jié)合后端信號調(diào)理,可用于脈沖電壓下的局部放電測試.所設(shè)計(jì)的阿基米德螺旋天線直徑為10cm,天線在0.5～3GHz頻率范圍內(nèi)的增益曲線如圖2(a)所示,當(dāng)頻率大于1GHz時,增益大于4dB.相對于脈沖電源干擾,局部放電信號在高頻處具有較高的能量成分,因此天線的高頻增益性能將提高輸出信號的信噪比.圖2(b)為天線接入示波器的時域波形,可見,脈沖電源干擾和局部放電幅度大小相近.對2種脈沖進(jìn)行頻域分析得到圖3所示頻譜.如圖3所示,脈沖電源干擾能量主要集中在500MHz以下,而500MHz以上局部放電能量高于脈沖電源干擾,由此設(shè)計(jì)12階巴特沃思高通濾波器得到圖4所示輸出波形.此時電源干擾幅值已被抑制到5mV以下,信噪比約為40,可提取出局部放電信號.2局部放電載荷測定利用上述系統(tǒng),對單點(diǎn)接觸絞線試樣進(jìn)行局部放電測試.電壓峰峰值和占空比分別保持在3.5kV和50%不變,在2、20、200和2000Hz四種頻率下,采集500個周期局部放電信號,利用峰值提取算法得到局部放電峰值,并繪制放電相位和幅值統(tǒng)計(jì)圖.2.1正電壓時放電譜圖試驗(yàn)結(jié)果顯示,在脈沖方波正負(fù)電壓下,局部放電相位分布(partialdischargephaseresolved,PDPR)譜圖表現(xiàn)出較強(qiáng)的對稱性,因此,圖5僅列出在正電壓時的放電譜圖.2.2局部放電延遲時間為定量研究局部放電的相位信息,本文定義局部放電延遲時間為局部放電距最近上升沿處0電壓時的時間間隔.圖6(a)和圖6(b)統(tǒng)計(jì)了所有放電脈沖的幅值和放電延遲時間.可見,隨著頻率的增加,局部放電延遲時間和幅值呈單調(diào)下降趨勢.2.3局部放電時域脈沖特性分析為獲取UHF傳感器產(chǎn)生的高頻信號,測試系統(tǒng)采用8GS/s采樣率.由頻譜分析結(jié)果可知,局部放電能量主要集中在2GHz以下,因此,以下分析僅考慮低于2GHz的局部放電脈沖頻率特性.圖7中將局部放電脈沖信號按峰值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,將最高峰值電壓標(biāo)準(zhǔn)化為1mV,并進(jìn)行快速傅立葉變換.由圖7可知,局部放電低頻分量隨著脈沖電源頻率的增大而減小,在2000Hz時,局部放電時域脈沖出現(xiàn)較陡峭的峰值.相反,在頻率為2Hz的脈沖電壓下,放電持續(xù)時間較長,且包含了從0.5～2GHz較豐富的頻率成分,如圖7(a)所示.為分析局部放電信號的能量比重,式(1)中引入能量系數(shù)RH/L,表示高頻(1.0～2.0GHz)相對于低頻(0.4～1.0GHz)的能量比;F(f)為局部放電脈沖的傅立葉變換結(jié)果,利用其在不同區(qū)段的能量積分計(jì)算得出RH/L系數(shù),用來衡量不同頻率下的能量比重.經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算,得到不同頻率下所有局部放電脈沖的能量系數(shù)平均值,如圖8所示.可見,隨著電壓頻率的增加,局部放電高頻能量成分比重增大.RH/L=∫2.01.0|F(f)|2df∫1.00.4|F(f)|2df.(1)RΗ/L=∫1.02.0|F(f)|2df∫0.41.0|F(f)|2df.(1)為同時得到局部放電脈沖信號的時域和頻域特性,利用短時傅立葉變換,選用適當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù),對圖7中4種典型局部放電脈沖進(jìn)行時頻分析,得到圖9所示短時傅立葉變換結(jié)果.由圖9可知,4種頻率下局部放電脈沖能量主要集中在1.2GHz附近,隨著頻率的增加,局部放電在1.6GHz高頻附近出現(xiàn)能量.圖9中的時頻分析印證了圖7和圖8的分析結(jié)果.3局部放電電壓的工作原理絕緣中產(chǎn)生局部放電應(yīng)滿足以下條件:(1)放電處的電場強(qiáng)度超過起始放電場強(qiáng)Einc;(2)初始電子出現(xiàn)以激發(fā)電子崩.其中,在時間Δt內(nèi)初始電子產(chǎn)生概率P由式(2)描述:P=1-exp(-hΔt),(2)式中:h為單位時間內(nèi)的電子產(chǎn)生率.初始電子通過2種途徑產(chǎn)生,背景發(fā)射和表面電離率,其電子產(chǎn)生率分別用hbg和λ表示:h=hbg+λ.(3)背景發(fā)射率hbg和空間輻射有關(guān),在正常情況下,初始電子產(chǎn)生率主要由λ決定,根據(jù)Schottky-Richardson模型,λ由式(4)表示:λ=dn(t)dt=n(t)ν0expλ=dn(t)dt=n(t)ν0exp?ψ?qe|E|4πε0√KT),(4)-ψ-qe|E|4πε0ΚΤ),(4)式中:n(t)表示t時刻局部放電處電介質(zhì)表面存在可電離電子或離子的數(shù)量,主要由前期局部放電產(chǎn)生的殘余電荷產(chǎn)生;ν0表示光電離常數(shù);ψ為電子陷阱深度,表示電子產(chǎn)生所需能量;qe為單位電荷;E代表局部放電處的瞬時場強(qiáng);ε0為真空中介電常數(shù);K為波爾茲曼常數(shù);T為局部放電處的絕對溫度.由式(4)可知,t時刻初始電子產(chǎn)生率正比于放電處的殘余電荷n(t),假設(shè)時刻t0局部放電出現(xiàn),產(chǎn)生空間電荷數(shù)為n(t0),下一次放電出現(xiàn)在時刻t,此時空間電荷數(shù)量為n(t)=n(t0)exp?tτ),(5)-tτ),(5)式中:τ為空間電荷衰減時間常數(shù),由局部放電處的電路參數(shù)決定.當(dāng)頻率增大時,兩次放電間的時間間隔縮短,由式(5)可知,n(t)衰減較小,當(dāng)脈沖電壓極性反轉(zhuǎn)時,殘留有更多的電荷,這將使得:(1)只需要較小的外部電壓,即可達(dá)到起始放電電壓;(2)表面可脫陷的電子增多,增加了初始電子的發(fā)射概率(式(6));因此,兩個因素都造成了圖5和圖6(b)中放電延遲時間減少,瞬時放電電壓降低.式6描述了放電量q和放電處的瞬時電場E及一次放電后殘余電場Eres的關(guān)系:±q=Ks(E-Eres),(6)式中:Ks為常數(shù),主要由材料和試樣尺寸決定.可見放電量大小與放電時的瞬時電場有直接關(guān)系.由于局部放電發(fā)生在脈沖方波的上升沿/下降沿處,延遲時間的減小導(dǎo)致放電時刻的瞬時電壓降低.因此在圖5和圖6(a)中,隨著頻率的升高,放電幅值明顯下降.另外,在較高頻率下,放電出現(xiàn)的相位減小,放電出現(xiàn)時dV/dt增大,dVdt＞3500V500ns=7V/ns.(7)dVdt＞3500V500ns=7V/ns.(7)局部放電持續(xù)時間Δt約為5ns,因此放電過程中電壓變化ΔV滿足:ΔV=ΔtdVdt＞3.5V.(8)ΔV=ΔtdVdt＞3.5V.(8)可見,在快速上升的脈沖電壓下,放電發(fā)生在脈沖上升時間時,放電過程中的電壓變化會改變局部放電脈沖特性,這可能是導(dǎo)致局部放電高頻能量成分增加的原因.4局部放電的測量基于以上試驗(yàn)結(jié)果及機(jī)理分析,在較高頻率的脈沖電壓下,由于初始電子更易產(chǎn)生,導(dǎo)致放電延遲減小,局部放電脈沖距離電源干擾脈沖(脈沖方波電源逆變產(chǎn)生的干擾)時間間隔較短(見圖2(b)),因此可能導(dǎo)致電源干擾和局部放電脈沖的疊加.此時如果不采取合適的濾波策略,局部放電信號將被淹沒在電源干擾中,給放電測試帶來一定困難.值得指出的是,當(dāng)脈沖頻率繼續(xù)增加時,電壓極性翻轉(zhuǎn)后放電處電壓雖超過了起始放電電壓,但在下次電壓極性反轉(zhuǎn)時可能沒有初始電子產(chǎn)生,此時局部放電就不會在每個周期出現(xiàn),需要更高的外部激發(fā)電壓以增大初始電子產(chǎn)生概率,因此,在實(shí)際測試中可能得到比低頻脈沖電壓偏小的PDIV和RPDIV測試結(jié)果.由于高電源頻率導(dǎo)致局部放電高頻能量增加,且電源干擾和局部放電時間間隔減小,為提高信噪比,必須設(shè)計(jì)高頻響應(yīng)較好的超高頻傳感器,配合后端高通濾波器,才能提取到局部放電,從而得到較為準(zhǔn)確的PDIV和RPDIV測試結(jié)果.綜上所述,在變頻電機(jī)局部放電檢測中,為確保局部放電初始電子產(chǎn)生,激發(fā)絕緣缺陷或薄弱點(diǎn)的局部放電,應(yīng)優(yōu)先考慮采用低頻(如<200Hz)脈沖電壓,以促使相對高幅值的局部放電發(fā)生在脈沖電源干擾之后,從而提高測試靈敏度.在進(jìn)行較高頻率下的局部放電測試時,應(yīng)提高超高頻傳感器的高頻響應(yīng)性能,從而有效提取出局部放電脈沖.5高頻傳感器和濾波原理通過所設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)及對不同頻率下的單點(diǎn)接觸試樣局部放電測試,可得到以下結(jié)論:(1)根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行變頻電機(jī)的局部放電測試時,應(yīng)根據(jù)電源干擾脈沖和局部放電的頻域能量特性,選取合適超高頻傳感器和濾波方案,從而提高信噪比.本研