SIV变流器绝缘性能出厂测试及失效模式研究

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　　摘 要：针对工频SIV变流器常见绝缘耐压失效模式，并结合相关绝缘、耐压试验标准，分析现有城市轨道车辆工频SIV变流器绝缘耐压测试方法，评估现有工频SIV变流器绝缘耐压测试方案在耐压方式选择、分组测试、耐压等级选择等方面的合理性。同时结合作者多年从事变流器测试技术工作的经验积累提出优化建议，旨在为工频SIV变流器设计及测试工程师合理选择工频SIV变流器绝缘耐压试验方法提供参考意见。
　　关键词：工频SIV；绝缘耐压测试；失效模式；建议
　　中图分类号：U260 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）03-0057-03
　　Abstract： In view of the common insulation withstand voltage failure modes of power frequency SIV converters， and combined with the related insulation and voltage test standards， the existing insulation withstand voltage test methods of power frequency SIV converters for urban rail vehicles are analyzed. This paper evaluates the reasonableness of the existing insulation withstand voltage test schemes for power frequency SIV converters in the aspects of voltage mode selection， grouping test and voltage withstanding grade selection， etc. At the same time， combined with the author's many years of experience in converter testing work， the optimization suggestions are put forward for the purpose of providing reference for the design of power frequency SIV converters and the reasonable selection of insulation withstand voltage test methods for power frequency SIV converters.
　　Keywords： power frequency SIV； insulation withstand voltage test； failure mode； suggestion
　　引言
　　為了确保城市轨道交通工频SIV出厂后的绝缘耐压性能，保证产品出厂后的使用安全，业界的方法是在变流器生产过程中对其进行严格的绝缘性能试验和耐压试验，以达到将产品绝缘性能缺陷提前暴露出来的目的。
　　不同的绝缘性能试验方法，对变流器绝缘性能的验证效果不尽相同，且试验本身也具有一定的破坏性。所以选择合适的绝缘性能试验方法，对保证产品的出厂绝缘性能至关重要。本文介绍工频SIV变流器耐压试验方法和绝缘失效模式，并结合在变频器测试技术工作中的一些工程经验，希望对工频SIV变流器设计及试验工作者提供参考。
　　1 工频SIV变流器绝缘性能试验
　　工频SIV变流器通过电网提供的DC750V和DC1500V直流电压，通过充电电路、直流滤波电容器，送至IGBT逆变器逆变为工频三相交流电，最终经三相变压器转换成稳定的三相四线制AC380V或AC220V，50Hz电源给空调机组及通风装置、空压机、电加热器、客室照明等交流辅助负载使用[1]。为了保证工频SIV变流器的绝缘性能，除了在设计阶段严格按照相关标准和工程经验进行绝缘介质选择、绝缘间隙和爬电距离设计外，试制和量产的试验验证也是十分必要的。下面就工频SIV变流器采用的绝缘试验策略进行分析，并评估其合理性。
　　1.1 工频SIV变流器试验方案
　　工频SIV变流器业界出厂调试，在规定范围的温度和湿度条件下，进行1min持续工频耐压试验。试验中，根据不同电位将电路分组成高压回路、次高压回路、弱电压回路和地四个回路，其中高压回路包括1500V或者750V等级主回路电路及电路上的电压、电阻、电容、断路器等高压器件及IGBT逆变器进行逆变后输出PWM波交流电压630V左右电压，次高压回路包括输出变压器（TR1）进行电压隔离、降压，交流电容器（ACC）滤波得到低谐波含量的三相准正弦电压，输出三相AC380Vrms/50Hz电压及电路上的交流电容、电压变换器、输出接触器等高压非保护性器件，弱电压回路包括110V控制电路和经高频整流桥整流、电抗器、电容器滤波后得到稳定的DC110V电源充电机110V输出回路及以下电压，地指的是大地。
　　1.2 试验标准分析
　　除耐压试验方法和方案选择之外，耐压试验的等级选择也十分关键，过高、过低都会使产品留下绝缘性能隐患。现分别参考IEC＼EN＼TB等国际、欧洲及铁路标准，来分析其合理性。IEC60077-2017、EN50343-2003及TB/T3153-2007作为国内现有动车组及地铁车辆耐压标准，适合多电压等级及高速运行条件[4]，三项标准耐压等级对比表1如下。
　　以1500V电压等级平台为例，高压回路按三种标准依次耐压值为5000V、4250V、4887.5V，次高压回路依次耐压值为2500V/2550V/2125V， 弱电压回路依次耐压值为1500V/1000V/1275V。通过对比分析可以看出，不同标准间在所有电压等级回路都有一定的差异，而IEC标准普遍高于EN＼TB等地域或行业标准，等级选择时可依据耐压和产品投放地域综合考虑。 　　此外每个耐压分组中，并不是所有的电压都完全一致，例如既有高压回路DC1500V的直流电压，也有逆变出来的次高压回路工频630V交流电压，又如弱电回路就有DC110V、DC24V、DC15V等多种电压形式。对于低压回路而言，都是提高电压等级加严测试，只要在保证不损坏器件和安全的前提下，考虑操作的便捷性是可以采用的。
　　2 常见的绝缘性能出厂测试的问题
　　出厂测试中器件导致的变流器绝缘性能试验不通过多数属于个例，通过更换合格器件即可重新通过试验。但是也有器件存在批量无法通过耐压试验，例如散热风机、二次电源等。发生类似问题，经分析往往是这些部件的设计或加工工艺问题导致其内部电路的绝缘能力不符合要求造成。出厂测试中另一比较常见的问题是加工过程中不良操作，对部件绝缘材料的误伤。如下线时，工人无意中割伤了绝缘层；如变压器、电抗器在转运或组装过程中，绝缘漆被破坏。还有产品设计时绝缘距离安全余量不足。另外加工过程没有充分识别风险，也会给产品的绝缘性能留下隐患。如两种电位的端子，平行安装时可以满足绝缘间距的要求，但是歪斜一定角度又可能导致绝缘间隙不足。此外选择合适的试验电压等级不仅可以保证缺陷的可筛选性，也是试验过程不对产品产生不可逆破坏的前提，如网络通讯线束试验电压值过高就非常容易发生击穿现象。
　　3 城市轨道车辆工频SIV变流器绝缘性能的失效模式
　　SIV变流器任一瞬间电场可近似视作为静电场[2]，当变流器中电介质承受的电场强度超过一定限值时就会失去绝缘能力而损坏。若强场区局限于较小范围，则电介质可能只是局部损坏，发生局部放电现象，但放电发展到贯穿性的空气击穿称为闪络。若强场区范围很大，则电介质将全部失去绝缘性能，造成电极间短路，即电介质击穿。
　　SIV变流器常见的电介质有空气、绝缘漆、绝缘套管、环氧绝缘子、硅橡胶带和云母带等，下面将就变流器使用及试验过程中常见绝缘失效形式，进行具体阐述。
　　3.1 空气击穿及闪络
　　工频SIV变流器常用空气作为绝缘介质，例如裸露的母排与腔体壁之间、接线端子之间就是利用了空气的绝缘性能。当电路中因过电压而导致电场强度达到一定的数值后，气体会失去绝缘能力，从而造成事故。
　　环境中的空气，由于空中紫外线、宇宙射线及来自地球内部辐射线的作用，通常总是存在小量电质子的。当电场较弱时，由于带电质子极少，气体仍为优良的绝缘体。但是当提高气体间隙上的外施电压而达到一定数值后，电流突然剧增，气体失去绝缘性能。可见空气的绝缘性能，与不同电压等级电路之间的电势差别负相关，与不同电位电路之间的间隙距离正相关。而不同电路之间的电势差别，既与电路之间的电压等级有关，还与电压类型有关；绝缘间隙和爬电距离，取决于电路导体具体的结构，它由产品设计尺寸和生产过程误差叠加决定的。
　　3.2 固态电介质击穿
　　工频SIV变流器除了使用空气作为绝缘介质外，还常使用一些固体介质作为绝缘介质。例如在端子与柜体之间，常使用环氧绝缘子作为绝缘介质；在母排与柜体之间绝缘距离不足而又因柜体体积限制无法增加间隙的位置，往往在母排上套上绝缘套管或者硅橡胶带进行绝缘处理，这些都是利用了固体绝缘材料作为介质的办法。有时由于固体绝缘介质选择不当或者绝缘介质存在缺陷无法达到预期的绝缘效果，造成了产品的绝缘性能达不到要求。所以下面将重点分析，固体绝缘介质的击穿原理和对固体介质绝缘效果的影响因数。
　　电介质根据化学键可分为离子键和共价键，在电极间加上电介质，由于电场作用下电介质带电物质产生应变，会在电介质的端面上产生与电极性相反的电荷，把这种现象称为电介质极化。根据不同的化学键，会产生不同的极化形式，当极化超过一定程度或足够长的时间之后，会产生电介质温度急剧上升而损坏介质甚至直接损坏介质，而使介质产生熔化的通道或者裂缝。影响固体介质击穿电压的主要因素，包括电压作用的时间、温度、电场均匀程度、干扰电压的种类、累积效应、受潮和机械负荷。
　　3.3 失效的判别方法
　　绝缘性能的判别方法主要有耐压前后的绝缘值对比、漏电流值是否异常、异响和闪络弧光等物理现象。
　　耐压前后的绝缘值对比方法为耐压前先对变流器进行绝缘电阻测量试验并记录绝缘电阻值，然后进行1min工频介电强度试验，试验过程没有闪络和击穿，最后再测量一次绝缘电阻值并与第一次测量值比较，确认两次绝缘电阻测量值没有超过10%量值变化。其次通过漏电流值是否异常，虽然所有的标准中没有要求对漏电流值进行测量，但是根据工程经验正常SIV耐压时，漏电流值一般不会超过20mA，一旦超过需要检查和分析原因。最后，试验过程中要保证环境的相对安静，最好有2个以上人员站在不同角度观测试验现象，一旦发现异响和闪络弧光源头，要立即停下来排查。以上三种方法需要根据工程经验综合使用，才能更好的发挥效果。
　　4 结束语
　　本文通过总结工频SIV变流器使用和试验过程中常见的绝缘失效模式，并分析高压设备绝缘性能出厂试验方法，论证了业界工频SIV变流器绝缘性能出厂试验方法的合理性。结合作者多年在变频器测试技术工作中积累的经验，在符合业界相关标准的前提下，得出操作层面的建议如下：
　　产品耐压等级选择应该严格参考标准，鉴于不同标准间也存在一定的差异，应从技术要求和产品运营地域综合考虑。
　　由于不同电位等级间的漏电程度，与电路中所有器件成正相关。因此试验过程中，除保护器件（如：EMI滤波器及熔断器）外，应尽可能的将所有器件按实际使用情况接入耐压回路。
　　在尽可能将所有的器件接入耐压回路的前提下，要综合考虑功率模块、机箱等可更换单元的试验策略，尽量避免重复耐压。如果可更换单元在生产过程中已经单独试验，可不接入整柜耐压回路，但仍需先装配并断开回路，再进行试验。如果可更换单元参与变流器整柜耐压，可更换单元尽量避免重复耐压，但单独出厂的可更换单元需制定一套单独的工艺路线及试验方案。
　　试验回路电阻、电感、电容等器件，需采用短接输入、输出电极的方式参与耐压。
　　虽然现有的标准中没有试验过程中的漏电流测量要求，为便于判断和发现潜在隐患器件，应尽量根据批量工程经验，建议给出推荐值。
　　根据标准要求及考虑与110V电压等级差别较大，36V以下电压回路最好区别110V电源及控制回路，进行单独分组测试。
　　要关注温度、湿度對绝缘耐压性能的影响。
　　试验后绝缘电阻值相比试验前绝缘值降低不能超过10%。
　　参考文献：
　　[1]赵清良.地铁车辆静止变流器[J].电力机车与城轨车辆，2001：1-363.
　　[2]严璋，朱德恒.高电压绝缘技术[M].中国电力出版社，2007（10）.
　　[3]邱昌容，曹晓珑.电气绝缘测试技术[M].机械工业出版社，2001（11）.
　　[4]岳刚，周建源，汪洋.轨道交通绝缘耐压标准对比分析研究[J].中国新技术新产品，2015（03）：116-117.
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