脉冲电压对变频防爆电机绝缘寿命的影响

近几年，变频防爆电机的使用越来越多，但是经常出现变频电机绕组匝间烧毁、破压、轴承电蚀、抱轴等异常现象。用户常认为是电机制造质量问题，事实上，造成变频电机故障的系统问题比较多。本文将根据变频电机故障损伤机理，提出问题并分析，找出解决问题的措施。

变频防爆电机事故损伤机理

许多文献和理论界均认为变频电机绝缘老化机理为:变频器中快速开关器件（如IGBT）作为逆变和主动整流的器件，在变频器两侧会形成陡上升沿方波脉冲电压（dv/dt大于1 kV/ms）。由于连接变频器与电机定子或转子的传输电缆过长，电缆与电机线圈的波阻抗不匹配，从而产生了重复脉冲尖峰过电压，作用于电机绕组线圈，导致绝缘中局部放电的产生,这样就加速发电机绝缘系统的老化,进而影响电机绝缘系统的寿命及可靠性。

变频电源中含有的各次时间谐波与电动机电磁部分的固有空间谐波相互干涉,形成各种电磁激振力，当电磁力波的频率和电动机机体的固有振动频率一致或接近时,将产生共振现象,从而引起绕组端部产生振动、位移、绝缘磨损、引线接头开焊等,这会给电机机械结构和 绝缘结构带来疲劳并加速老化。

变频防爆电机常见问题及分析

根据对收集资料的统计分析，变频电机绝缘损伤机理及常见问题如下：

2.1  轴承电腐蚀或抱轴问题

变频电机的轴承电腐蚀问题， 至今仍为一个世界级难题，一般轴承寿命不足18个月，在此期间损坏率25%；平均两年损坏率达到65%,甚至造成绕组报废。变频电机一般采用绝缘轴承，轴承仍出现电蚀或抱轴,主要原因为轴 承的游隙是一个电容，由于变频器产生大量的谐波，电容通高频，存在电蚀现象不足为奇。此外， 变频器供电时会有零点漂移，经电机轴承构成零序回路，由此产生流经轴承的轴电流，也对轴承产生电腐蚀,进而出现抱轴现象。

2.2 绕组烧毁

变频电机绕组烧毁一般发生在首末匝、相间或线圈出槽口处,既有电机设计的原因，也有用户使用的原因,现分析如下：

变频电机是通过变频器驱动的，而变频器可分为低压、中压、高压，其额定电压范围分别为：110 -415 V、660 ~2 300 V、3 ~ 10 kV_o 中低压电动机速度调整普遍应用IGBT（绝缘栅双极型功率管）电压型脉宽调制器（PWM）变频器;而大功率高压（3 kV及其以上）变频领域一般采用交直交、 IGBT和IBCT多电平变频器，减少了脉冲或降低了脉冲波上升沿时间，降低了对绝缘的破坏程度。 一般低压变频器的脉冲峰值在500 -750 V,该类电机使用寿命相对长些，脉冲电压对绝缘寿命影响并不大;而中压变频器的脉冲幅值在1 200 ~ 3 000 V,脉冲电压经过反射叠加后，最大值可达 2 400 ~6 000 V,因此，该类电机如果不采取措施,使用寿命相对短些;措施不当时，绕组短期运行烧毁较多。

由于我国标准目前对变频器的脉冲电压峰-峰值没有规定,变频器制造厂随机性大,例如，额定电压690 V的变频器，其输出电压经检测所包含的脉冲电压峰峰值在2 000 -6 000 V之间，较高的脉冲电压极易损伤绕组绝缘,影响绕组使用寿命。由于脉冲电压的作用，线圈表面电阻、纵向电容对端部放电的影响不能忽略,可能影响表面 碳化。

由于变频电源产生过电压、脉冲电压、脉冲频率、脉冲上升速率和共振因素作用于电机绕组绝缘，形成高电场强度、局部放电、介质发热、空间电荷感应、电磁激振等，造成电机绝缘早期损坏。

不同脉冲电压下对变频防爆电机绝缘寿命的影响测试

依据并参照GB/T 21707—2008《变频调速用三相异步电动机绝缘规范要求》，受试验装备影响,大多采取模拟试验方法,对电磁线、薄膜等 材料进行耐脉冲电压寿命试验，其中每种情况下取5 ~6个试样进行验证。

3.1不同上升时间的脉冲电压对普通电磁线与耐电晕电磁线的绝缘寿命试验

在试验条件：20 kHz,峰峰值3 kV,温度155℃±2℃，脉冲上升时间为200 ns 时，我们对普通电磁线和耐电晕电磁线进行了寿命试验研究，检测结果为:普通电磁线耐脉冲电压寿命在9 ~ 18 min,而耐电晕电磁线耐脉冲电压寿命在 50 ~ 120 h_o

在试验条件:20 kHz,峰峰值3 kV,温度155℃±2℃，脉冲上升时间为50 ns时，我们对普通电磁线和耐电晕电磁线进行了寿命试验研究,检测结果为:普通电磁线耐脉冲电压寿命在5 ~ 14 min,而耐电晕电磁线耐脉冲电压寿命在35 ~60 h 以上。

以上测试结果表明，耐电晕电磁线耐脉冲电压寿命优于普通电磁线耐脉冲电压寿命,其平均寿命不低于普通电磁线寿命的100倍;变频器输出脉冲电压的脉冲上升时间越快，电磁线的寿命越短。

3.2不同温度下脉冲电压对变频防爆电机绝缘寿命的影响测试

在试验条件:20 kHz,峰峰值3 kV,温度90 ℃ ±2℃，脉冲上升时间为50 ns时,对普通电磁线和耐电晕电磁线进行了寿命试验研究，检测结果为:普通电磁线耐脉冲电压寿命在20 ~60 min,而耐电晕电磁线耐脉冲电压寿命在70 ~ 150 h以 。

以上测试结果与3.1结果相比,表明:温度降低，耐电晕电磁线和普通电磁线耐脉冲电压寿命提升,平均寿命提高2倍左右。

3.3  不同峰峰值电压下对变频电机绝缘寿命的影响测试

在试验条件：20 kHz,峰峰值2. 1 kV,温度 155℃±2℃，脉冲上升时间为50 ns时,对耐电晕电磁线进行了寿命试验研究，检测结果为:耐电晕电磁线耐脉冲电压寿命在120 h以上。

以上测试结果与3.1结果相比，随着脉冲电压的降低,电磁线耐脉冲电压寿命提高明显。另据文献报道:脉冲电压低于750 V,在155 ℃ ±2 ℃，寿命试验时间大于6 000 h_o

3.4  脉冲电压对普通薄膜和耐电晕薄膜的绝缘寿命试验

本次试验首先对云母带进行试验，由于云母的耐电晕性好，试验时间较长,亚胺薄膜补强的云母带，耐脉冲寿命均大于或等于70 h,杜邦公司 Kapton CR薄膜补强的云母带与国产亚胺薄补强的云母带相比，同等试验条件下(该试验条件不能等同于采用不同材料时的电机运行温升)，其耐脉冲寿命高出10 h左右,表现并不明显，主要原因是云母的耐电晕性好而掩饰了 Kapton CR薄 膜的耐电晕性。但由于Kapton CR薄膜与国产亚 胺膜相比，具有良好的导热性、较高的击穿电压和耐冲电压性能，同等厚度下，其电气强度高、电机温升低，对电机绝缘寿命增加起到关键作用。为了探讨杜邦公司Kapton CR薄膜与国产亚胺薄耐电晕性能，组织不同的亚胺薄膜材料进行试验对比，其测量结果见表1。

表1不同亚胺薄膜耐脉冲电压寿命试验记录

从表1试验数据看出，0. 025 mm厚Kapton CR薄膜耐脉冲电晕寿命比国产0. 05 mm厚的普通亚胺薄膜耐脉冲电晕寿命还长，同等厚度下，其 耐脉冲电晕寿命折合国产亚胺薄膜耐脉冲电晕寿命14倍左右，折合国产耐电晕亚胺薄膜耐脉冲电晕寿命的8倍左右；国产耐电晕亚胺薄膜耐脉冲电晕寿命约折合普通亚胺薄膜耐脉冲电晕寿命的 2〜3倍左右。显然，在成型绕组采用Kapton CR 薄膜有利于提高绕组运行寿命，并提高其安全性。

提高变频防爆电机使用寿命措施

综上所述，变频电机在使用后常见问题主要 表现在以下方面:绕组匝间，常发生在绕组线圈端部和出槽口，应为脉冲电压或电磁激振力所致;绕组相间击穿,常发生在每相首个极相组引出端或首末槽内部,主要为冲击电压作用下局部放电引起介质发热所致;变频电机的轴承电腐蚀主要为谐波电压、高频冲击电压或变频器零点漂移等引起的轴电流所致。针对上述问题，建议采取措施如下：

4.1  变频电机的轴承电腐蚀

在采取绝缘轴承情况下，要求用户使用滤波器，减少轴向电流。一般变频器通过简单的“电 感”滤波，效果不好，很难将有害波形滤掉。滤波器选择L、C元件组成的结构效果好。根据变频器的控制原理，滤波器一般有dv/dt滤波器、电压和电流型滤波器或谐波滤波器，必须根据变频器的工作原理选用。经过dv/dt滤波器，进入绕组的dv/dt变得平缓，减少对绕组绝缘的冲击，这一点必须与用户进行交流，以便匹配，同时，应定期检测变频器的零点漂移是否出现,减少对轴承和绕组的损伤。

4.2  绕组匝间及出槽口处匝间或破压

在解决绕组匝间及出槽口处匝间或破压问题时，除要求用户选择合适的滤波器外,电机制造商应采取以下措施,能有效地提高绕组使用寿命。

变频电机槽数和槽形的选择，要考虑漏抗对谐波和电机特性的影响，最好与用户、变频器制造商多方沟通交流,减少谐波和降低脉冲电压，避免绝缘加速老化。

采用软绕组时，电磁线使用耐电晕漆包线，加强首末匝绝缘，要VPI浸烘两次,最好使用不含溶剂的绝缘漆。绕组端部涂刷快干胶，不仅能够填充绕组线之间间隙,而且利于绕组固定，一方面对绕组出槽口进行固定，消除槽口电应力作用引起的局部放电而造成的匝间；另一方面是对绕组

端部的固定加强，减少因电磁激振引起的绕组受力变形，进而损伤绝缘，能延长绕组使用寿命。

采用硬绕组时，不仅可以解决绕组端部固定问题,而且可解决线匝之间交叉现象和漆包电磁线之间存在间隙的问题，提高了耐脉冲电晕能力， 对于容量较大的变频电动机，采用成型线圈时，最好采取防晕处理。定子线圈鼻部要加垫NO- MEX410,加强匝间绝缘，减少该处应力击穿现象。 线圈成型后，线圈直线部分排间加垫0. 2 mm厚 H级环氧坯布,坯布长度和线圈直线长一致，宽度与线圈实际高度一致，减少排间间隙引起的局部发电，提高使用寿命。

4.3 标准统一

尽快统一制定变频器与电机配套使用的输出电压标准，尤其是限制变频器输出中所含脉冲电压的峰峰值及上升沿变化率问题,对解决电机绝缘损伤是非常关键的。

结论

5.1  耐电晕电磁线耐脉冲电压寿命比较高

优于普通电磁线耐脉冲电压寿命，其平均寿命不低于普通电磁线寿命的100倍，散绕类变频防爆电机绕组线采用耐电晕漆包线等措施，能提高电机使用寿命。

5.2   变频器电源输出品质影响电机使用寿命

变频器输出脉冲电压的脉冲上升时间越快, 电机的绝缘寿命越短;变频器输出的脉冲电压越高，电机的绝缘寿命越短。因此，用户在使用和购买变频器时，一定要关注这些参数。

5.3  变频器输出的谐波影响绝缘寿命

变频器输出的谐波会增加电机温升或与绕组导体产生电磁共振应力，而温度对变频电机绝缘寿命影响较大,随着温度升高，电机绝缘寿命将缩短;电磁共振应力将破坏导体绝缘,易造成匝间烧毁。

5.4 消除变频驱动对电机绝缘有害影响的方法

解决办法有两种,一是增大快速上升时间和减小脉冲电压峰峰值;二是改进绝缘系统本身。 对于前者，可以采取合适的滤波器、变压器、电抗器或多级转换器，也可以减少供电电缆长度,以降低快速上升时间脉冲电压幅值，延长上升沿时间。 对于后者，可采取耐电晕材料和增加防晕措施,减少局部放电量和介质发热,提高绝缘使用寿命。

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