依靠電力電子技術(shù)驅(qū)動(dòng)的變頻電機(jī)已被廣泛應(yīng)用于新能源汽車、高速鐵路、艦船潛艇和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)工作在正弦電壓下的三相交流電機(jī)不同，變頻電機(jī)絕緣承受高頻、快速變化的脈寬調(diào)制電壓，定子繞組受端部過電壓、繞組電壓分布不均及繞組中分布參數(shù)的影響!，絕緣中易出現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度集中的現(xiàn)象。當(dāng)局部場(chǎng)強(qiáng)大于局部放電起始放電電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，絕緣中易出現(xiàn)局部放電，加速絕緣系統(tǒng)的電老化，最終導(dǎo)致絕緣失效發(fā)生。

額定電壓<900V的變頻電機(jī)(I類電機(jī)，如新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī))占現(xiàn)有電機(jī)總量>80%，一般具有低壓散繞結(jié)構(gòu)。低壓散繞電機(jī)絕緣系統(tǒng)由有機(jī)材料和無機(jī)材料構(gòu)成，如果承受局部放電腐蝕，絕緣電老化加劇，短時(shí)間內(nèi)易發(fā)生絕緣擊穿現(xiàn)象。為解決此問題，國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)發(fā)布IEC60934、IEC60034-18-41和IEC60034-27-5等標(biāo)準(zhǔn)，指出應(yīng)在正弦和重復(fù)脈沖電壓下，對(duì)低壓散繞變頻電機(jī)絕緣系統(tǒng)進(jìn)行局部放電起始電壓(partial discharge inception voltage，PDIV)測(cè)試，以判斷電機(jī)額定電壓是否高于PDIV，從而改進(jìn)或優(yōu)化絕緣設(shè)計(jì)，避免電機(jī)在服役期間出現(xiàn)放電及絕緣失效問題。根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)，主絕緣和相間絕緣PDIV可采用正弦或重復(fù)脈沖電壓來測(cè)試，但為模擬脈寬調(diào)制脈沖電壓產(chǎn)生的電應(yīng)力分布不均和過電壓現(xiàn)象，匝間絕緣必須采用重復(fù)方波(或脈沖)執(zhí)行。

對(duì)于額定電壓>900V的高壓成型變頻電機(jī)(如高速鐵路牽引電機(jī)、艦船驅(qū)動(dòng)電機(jī)等)，其絕緣系統(tǒng)普遍采用耐電暈有機(jī)材料或無機(jī)材料，可長(zhǎng)期承受一定強(qiáng)度的放電腐蝕。但根據(jù)IEC60034-18-42標(biāo)準(zhǔn)，如果高壓成型電機(jī)的額定電壓高于PDIV，應(yīng)對(duì)絕緣系統(tǒng)進(jìn)行耐電暈壽命測(cè)試，以判斷變頻電機(jī)服役時(shí)間是否滿足設(shè)計(jì)要求。因此，測(cè)定正弦和重復(fù)脈沖電壓下絕緣系統(tǒng)PDIV是高壓成型變頻電機(jī)耐電暈實(shí)驗(yàn)的前序測(cè)試，對(duì)高壓電機(jī)絕緣評(píng)估也較為重要。

可見，對(duì)于低壓散繞和高壓成型電機(jī)，重復(fù)脈沖下PDIV測(cè)試已成為變頻電機(jī)絕緣評(píng)估過程的關(guān)鍵技術(shù)。然而，相對(duì)于正弦和直流電壓下成熟的測(cè)試硬件，高頻脈沖電壓下PDIV測(cè)試較為困難，且存在以下亟需解決的關(guān)鍵問題。

重復(fù)脈沖由電力電子器件斬波產(chǎn)生，PDIV測(cè)試平臺(tái)工作在電力電子器件開斷產(chǎn)生的強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中，傳統(tǒng)正弦或直流電壓下廣泛使用的耦合電容和高頻電流傳感器法已不再適用。甚至，強(qiáng)干擾信號(hào)易耦合至低壓傳感器系統(tǒng)，直接損壞弱電處理硬件。而且，隨著SiC和GaN等寬禁帶半導(dǎo)體功率器件的應(yīng)用，電力電子設(shè)備的開關(guān)頻率已達(dá)到(或超過)100 kHz，電壓上升速度可達(dá)100kV/us(上升時(shí)間<100ns)。在此背景下，PDIV測(cè)試系統(tǒng)將運(yùn)行在較強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下，給脈沖電壓下PDIV檢測(cè)帶來巨大困難。

重復(fù)脈沖電壓具有較復(fù)雜參數(shù)，如上升時(shí)間、下降時(shí)間、頻率、占空比、死區(qū)時(shí)間等。重復(fù)脈沖參數(shù)對(duì)放電機(jī)理、表面電荷積累和老化過程影響顯著，也必然會(huì)對(duì)檢測(cè)中放電統(tǒng)計(jì)特性和測(cè)量準(zhǔn)確度產(chǎn)生較大影響。因此，PDIV測(cè)試過程中必須評(píng)估并優(yōu)化脈沖電源參數(shù)的選擇，從而提升PDIV測(cè)試信噪比和靈敏度，以準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)變頻電機(jī)絕緣系統(tǒng)中存在的潛在缺陷。然而，IEC60034-18-41和EC60034-27-5對(duì)變頻電機(jī)絕緣PDIV測(cè)試時(shí)的激勵(lì)脈沖并無明確要求，給工業(yè)生產(chǎn)中變頻電機(jī)絕緣評(píng)估帶來較大困難。

針對(duì)問題，通過嘗試改進(jìn)的檢測(cè)阻抗法，高頻電流傳感器、光測(cè)法和特高頻法等手段，認(rèn)為特高頻法是適用于工業(yè)應(yīng)用環(huán)境的較好選擇。隨著高頻脈沖上升時(shí)間的減小(電壓變化率dU/dr 的增加)，放電能量在頻率0.5~2.0GHz范圍具有較多分布，這與正弦下放電主能量分布在800MHz 以下明顯不同。在采用特高頻法進(jìn)行 PDIV測(cè)試時(shí)，特高頻傳感器可同時(shí)檢測(cè)到電力電子器件開斷干擾信號(hào)和空間耦合電磁干擾信號(hào)(如通訊干擾)，空間耦合電磁干擾信號(hào)與電壓參數(shù)無關(guān)且能量微弱，因此對(duì)于實(shí)驗(yàn)測(cè)試中存在的背景干擾，本文主要考慮電力電子器件開斷干擾。而相對(duì)于電力電子器件開斷產(chǎn)生的強(qiáng)干擾,高頻放電信號(hào)能量微弱，應(yīng)改進(jìn)特高頻傳感器的高頻增益和阻抗匹配等性能，以滿足高頻脈沖電壓下 PDIV 測(cè)試靈敏度要求但如采用硬件濾波方法，不同脈沖參數(shù)可能對(duì)信噪比有較大影響，必須充分考慮。

主要解決問題。利用特高頻法，通過大量實(shí)驗(yàn)研究了上升時(shí)間、頻率和占空比等關(guān)鍵脈寬調(diào)制參數(shù)對(duì)變頻電機(jī)絕緣系統(tǒng) PDIV 測(cè)試信噪比的影響。首先，從時(shí)域和頻域兩方面統(tǒng)計(jì)了電力電了器件開斷產(chǎn)生的電磁干擾和上升沿處產(chǎn)生的放電，分析了上升時(shí)間變化對(duì)兩者作用和對(duì)PDIV測(cè)試信噪比的影響；然后，分析了不同脈沖頻率下放電幅值和放電能量的統(tǒng)計(jì)特性，得到頻率對(duì)PDIV測(cè)試信噪比的影響。最后，根據(jù)不同重復(fù)方波占空比下上升沿和下降沿處的放電幅值和時(shí)延特征，提出了不同占空比下可提升 PDIV 檢測(cè)信噪比的策略。以上結(jié)果有望為改進(jìn) IEC 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提出實(shí)驗(yàn)支撐，為PDIV 測(cè)試時(shí)重復(fù)方波電壓參數(shù)的選擇及信噪比的提高提供參考依據(jù)，從而提升變頻電機(jī)PDIV測(cè)試的準(zhǔn)確度。