局部放电起始电压PDIV测试系统问题解答

依靠电力电子技术驱动的变频电机已被广泛应用于新能源汽车、高速铁路、舰船潜艇和工业生产等领域。与传统工作在正弦电压下的三相交流电机不同，变频电机绝缘承受高频、快速变化的脉宽调制电压，定子绕组受端部过电压、绕组电压分布不均及绕组中分布参数的影响!，绝缘中易出现电场强度集中的现象。当局部场强大于局部放电起始放电电场强度时，绝缘中易出现局部放电，加速绝缘系统的电老化，最终导致绝缘失效发生。

额定电压<900V的变频电机(I类电机，如新能源汽车驱动电机)占现有电机总量>80%，一般具有低压散绕结构。低压散绕电机绝缘系统由有机材料和无机材料构成，如果承受局部放电腐蚀，绝缘电老化加剧，短时间内易发生绝缘击穿现象。为解决此问题，国际电工技术委员会发布IEC60934、IEC60034-18-41和IEC60034-27-5等标准，指出应在正弦和重复脉冲电压下，对低压散绕变频电机绝缘系统进行局部放电起始电压(partial discharge inception voltage，PDIV)测试，以判断电机额定电压是否高于PDIV，从而改进或优化绝缘设计，避免电机在服役期间出现放电及绝缘失效问题。根据以上标准，主绝缘和相间绝缘PDIV可采用正弦或重复脉冲电压来测试，但为模拟脉宽调制脉冲电压产生的电应力分布不均和过电压现象，匝间绝缘必须采用重复方波(或脉冲)执行。

对于额定电压>900V的高压成型变频电机(如高速铁路牵引电机、舰船驱动电机等)，其绝缘系统普遍采用耐电晕有机材料或无机材料，可长期承受一定强度的放电腐蚀。但根据IEC60034-18-42标准，如果高压成型电机的额定电压高于PDIV，应对绝缘系统进行耐电晕寿命测试，以判断变频电机服役时间是否满足设计要求。因此，测定正弦和重复脉冲电压下绝缘系统PDIV是高压成型变频电机耐电晕实验的前序测试，对高压电机绝缘评估也较为重要。

可见，对于低压散绕和高压成型电机，重复脉冲下PDIV测试已成为变频电机绝缘评估过程的关键技术。然而，相对于正弦和直流电压下成熟的测试硬件，高频脉冲电压下PDIV测试较为困难，且存在以下亟需解决的关键问题。

重复脉冲由电力电子器件斩波产生，PDIV测试平台工作在电力电子器件开断产生的强电磁干扰环境中，传统正弦或直流电压下广泛使用的耦合电容和高频电流传感器法已不再适用。甚至，强干扰信号易耦合至低压传感器系统，直接损坏弱电处理硬件。而且，随着SiC和GaN等宽禁带半导体功率器件的应用，电力电子设备的开关频率已达到(或超过)100 kHz，电压上升速度可达100kV/us(上升时间<100ns)。在此背景下，PDIV测试系统将运行在较强电磁干扰环境下，给脉冲电压下PDIV检测带来巨大困难。

重复脉冲电压具有较复杂参数，如上升时间、下降时间、频率、占空比、死区时间等。重复脉冲参数对放电机理、表面电荷积累和老化过程影响显著，也必然会对检测中放电统计特性和测量准确度产生较大影响。因此，PDIV测试过程中必须评估并优化脉冲电源参数的选择，从而提升PDIV测试信噪比和灵敏度，以准确发现变频电机绝缘系统中存在的潜在缺陷。然而，IEC60034-18-41和EC60034-27-5对变频电机绝缘PDIV测试时的激励脉冲并无明确要求，给工业生产中变频电机绝缘评估带来较大困难。

针对问题，通过尝试改进的检测阻抗法，高频电流传感器、光测法和特高频法等手段，认为特高频法是适用于工业应用环境的较好选择。随着高频脉冲上升时间的减小(电压变化率dU/dr 的增加)，放电能量在频率0.5~2.0GHz范围具有较多分布，这与正弦下放电主能量分布在800MHz 以下明显不同。在采用特高频法进行 PDIV测试时，特高频传感器可同时检测到电力电子器件开断干扰信号和空间耦合电磁干扰信号(如通讯干扰)，空间耦合电磁干扰信号与电压参数无关且能量微弱，因此对于实验测试中存在的背景干扰，本文主要考虑电力电子器件开断干扰。而相对于电力电子器件开断产生的强干扰,高频放电信号能量微弱，应改进特高频传感器的高频增益和阻抗匹配等性能，以满足高频脉冲电压下 PDIV 测试灵敏度要求但如采用硬件滤波方法，不同脉冲参数可能对信噪比有较大影响，必须充分考虑。

主要解决问题。利用特高频法，通过大量实验研究了上升时间、频率和占空比等关键脉宽调制参数对变频电机绝缘系统 PDIV 测试信噪比的影响。首先，从时域和频域两方面统计了电力电了器件开断产生的电磁干扰和上升沿处产生的放电，分析了上升时间变化对两者作用和对PDIV测试信噪比的影响；然后，分析了不同脉冲频率下放电幅值和放电能量的统计特性，得到频率对PDIV测试信噪比的影响。最后，根据不同重复方波占空比下上升沿和下降沿处的放电幅值和时延特征，提出了不同占空比下可提升 PDIV 检测信噪比的策略。以上结果有望为改进 IEC 相关标准提出实验支撑，为PDIV 测试时重复方波电压参数的选择及信噪比的提高提供参考依据，从而提升变频电机PDIV测试的准确度。