依靠電力電子技術(shù)驅(qū)動的變頻電機已被廣泛應(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不同，變頻電機絕緣承受高頻、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)電場強度集中的現(xiàn)象。當(dāng)局部場強大于局部放電起始放電電場強度時，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(I類電機，如新能源汽車驅(qū)動電機)占現(xiàn)有電機總量>80%，一般具有低壓散繞結(jié)構(gòu)。低壓散繞電機絕緣系統(tǒng)由有機材料和無機材料構(gòu)成，如果承受局部放電腐蝕，絕緣電老化加劇，短時間內(nèi)易發(fā)生絕緣擊穿現(xiàn)象。為解決此問題，國際電工技術(shù)委員會發(fā)布IEC60934、IEC60034-18-41和IEC60034-27-5等標(biāo)準，指出應(yīng)在正弦和重復(fù)脈沖電壓下，對低壓散繞變頻電機絕緣系統(tǒng)進行局部放電起始電壓(partial discharge inception voltage，PDIV)測試，以判斷電機額定電壓是否高于PDIV，從而改進或優(yōu)化絕緣設(shè)計，避免電機在服役期間出現(xiàn)放電及絕緣失效問題。根據(jù)以上標(biāo)準，主絕緣和相間絕緣PDIV可采用正弦或重復(fù)脈沖電壓來測試，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。

對于額定電壓>900V的高壓成型變頻電機(如高速鐵路牽引電機、艦船驅(qū)動電機等)，其絕緣系統(tǒng)普遍采用耐電暈有機材料或無機材料，可長期承受一定強度的放電腐蝕。但根據(jù)IEC60034-18-42標(biāo)準，如果高壓成型電機的額定電壓高于PDIV，應(yīng)對絕緣系統(tǒng)進行耐電暈壽命測試，以判斷變頻電機服役時間是否滿足設(shè)計要求。因此，測定正弦和重復(fù)脈沖電壓下絕緣系統(tǒng)PDIV是高壓成型變頻電機耐電暈實驗的前序測試，對高壓電機絕緣評估也較為重要。

可見，對于低壓散繞和高壓成型電機，重復(fù)脈沖下PDIV測試已成為變頻電機絕緣評估過程的關(guān)鍵技術(shù)。然而，相對于正弦和直流電壓下成熟的測試硬件，高頻脈沖電壓下PDIV測試較為困難，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測試平臺工作在電力電子器件開斷產(chǎn)生的強電磁干擾環(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，強干擾信號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)頻率已達到(或超過)100 kHz，電壓上升速度可達100kV/us(上升時間<100ns)。在此背景下，PDIV測試系統(tǒng)將運行在較強電磁干擾環(huán)境下，給脈沖電壓下PDIV檢測帶來巨大困難。

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

針對問題，通過嘗試改進的檢測阻抗法，高頻電流傳感器、光測法和特高頻法等手段，認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。在采用特高頻法進行 PDIV測試時，特高頻傳感器可同時檢測到電力電子器件開斷干擾信號和空間耦合電磁干擾信號(如通訊干擾)，空間耦合電磁干擾信號與電壓參數(shù)無關(guān)且能量微弱，因此對于實驗測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。而相對于電力電子器件開斷產(chǎn)生的強干擾,高頻放電信號能量微弱，應(yīng)改進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，通過大量實驗研究了上升時間、頻率和占空比等關(guān)鍵脈寬調(diào)制參數(shù)對變頻電機絕緣系統(tǒng) PDIV 測試信噪比的影響。首先，從時域和頻域兩方面統(tǒng)計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，分析了上升時間變化對兩者作用和對PDIV測試信噪比的影響；然后，分析了不同脈沖頻率下放電幅值和放電能量的統(tǒng)計特性，得到頻率對PDIV測試信噪比的影響。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延特征，提出了不同占空比下可提升 PDIV 檢測信噪比的策略。以上結(jié)果有望為改進 IEC 相關(guān)標(biāo)準提出實驗支撐，為PDIV 測試時重復(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PDIV測試的準確度。