基于介电谱的变频牵引电机匝间绝缘老化分析

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1、西南交通大学学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本论文创新点如下：1．老化使得聚酰亚胺薄膜的内部长链发生断裂，形成许多小分子量的极性分子，整体的弛豫时间减小，取向极化更易建立。2．高频方波电压老化不仅增强了局部放电对绝缘破坏的作用，而且使空间电荷对绝缘的破坏作用增大，使绝缘内部缺陷增多。绝缘内部具

2、有放电发生时，放电与空间电荷的协同作用使得介质损耗快速增加，空间电荷可能是导致绝缘材料最后击穿的原因；无放电时，电荷的注入和抽出是介质损耗增加的主要因素。3．在老化过程中，电压幅值升高直接导致匝间绝缘的起始放电电压升高。频率对起始放电电压的影响很小。温度对匝间绝缘的影响比较显著，其稍微变大，就导致起始放电电压的急剧下降。4．介电频谱上的偶极子极化损耗峰明显增加，老化使得绝缘材料内部形成更多的偶极子，由此带来的偶极子极化损耗大大增加。介电温度谱和介电频率谱互相印证、互相补充，介电谱可作为评估匝间绝缘老化特征的手段。西南交通大学硕士研究生学

3、位论文第1页第1章绪论1．1变频牵引电机绝缘技术1．1．1变频牵引电机绝缘系统的要求高速牵引机车是高速铁路发展的关键。随着大功率开关器件的开发及应用，出现了采用调节频率和电压的交流电机调速方式，从而机车牵引传动进入了交流传动时代。由于交流传动技术经济性能优越，目前全世界绝大部分新造机车、动车以及城市轨道交通用的轻轨、地铁车辆都采用交流传动系统【1,2】。我国在1996年由株洲电力机车厂、株洲电力机车研究所共同研制出AC4000交流传动电力机车，标志我国电力机车技术进入交流传动时代【3,4J。与直流调速电机相比，交流变频电机具有节能、调速

4、性能好、可实现无级调速和快速制动等优点，使交流变频电机得到广泛的应用。用于交流电机供电系统的逆变器，其输出电压是具有陡上升沿的脉冲方波。输出脉冲电压方波中幅值较大的谐波在气隙中产生磁场将在绕组中感应电流作用下产生脉动转矩，逆变器输出产生的冲击电压会叠加在电机运行的电压上，这样的电压峰值在电机绕组中不均匀分布会对电机的绝缘形成很大的威胁，对其绝缘系统提出了越来越高的要求，主要体现在以下几个方面：1．耐电能力绝缘结构应具有较高的电气强度，即用最低厚度、电气强度分散性最小韵绝缘为牵引电机提供最大的工作电压。对于由逆变器供电的变频调速牵引电机而

5、言，绝缘系统还要具有足够的抗过冲电压能力和抗电晕的能力。2．耐热能力绝缘应具有良好的热传导性和较高的耐热等级，在允许工作温度范围内有较稳定的机械特性和电气特性，并能承受短时的过热负荷。大功率的交流异步牵引电动机在考虑谐波电流损耗、通风散热等因素后，要求比直流牵引电机具有更宽的耐温裕度。3．整体性要求绝缘系统必须具有良好的整体性能，以保证牵引电机获得足够的传热和散热能力、耐振动和抗冲击的能力、耐大气潮湿和抗环境污染的能力。提高交流异步电机绝缘系统的整体性，还能减少或杜绝气隙放电、有效抑西南交通大学硕士研究生学位论文第2页制电晕对绝缘的腐蚀

6、作用，提高牵引电机的可靠性和运行寿命。在国外著名牵引电机(包括直流电机、交流异步电机)制造公司如法国ALSTHOM、瑞典ABB公司、德国SIEMENS、日本HITACHI等公司，B、F级绝缘已基本被淘汰，而普遍采用H级与200级，并已陆续采用全C‘(220*(2以上)级绝缘，通过提高牵引电机的最高允许工作温度来达到提高电机输出功率和电机运行可靠性、延长电机绝缘寿命的目的。我国机车牵引电机技术发展迅速，电机的绝缘等级由B级已发展到F级，并已经形成200级绝缘结构牵引电机的研制能力。1．1．2变频牵引电机匝间绝缘的特点匝间绝缘主要采用云母带

7、、合成薄膜、纸带、云母衬垫材料，这些材料运行时发生类似主绝缘的老化，会使匝间绝缘损坏。但是匝间绝缘经常发生事故主要是由于运行时受到过电压的作用。在过电压作用下，它要经受比工作电压下高得多的电压梯度，其值可达几十倍。匝间绝缘的部分击穿或全部击穿。同时，陷重合的几率较大，因此也易造成击穿事故。此外，发生事故的原因还在于制造和运行中缺少有效的试验方法以剔除所有匝间绝缘存在缺陷的线圈。另一方面，匝间绝缘由于主绝缘的覆盖，保护了外界机械、化学及其它作用，在这些方面，它的工作条件比主绝缘较为有利。如图1．1所示为变频电机定子绝缘结构图，主要由匝间绝

8、缘、主绝缘和对地绝缘组成。匝间绝缘是大功率变频调速牵引电机绝缘结构开发与改进的关在这样高的梯度的作用下，可能发生通常匝间绝缘由两层或三层制成，缺图卜1定子绝缘结构键之一。当前国内外变频调速牵引电机绝缘技术发