НАДЁЖНОСТЬ ИЗОЛЯЦИИ СТАТОРНЫХ ОБМОТОК ЧАСТОТНО-УПРАВЛЯЕМЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.315.22

Станислав Вячеславович Колесников Stanislav V. Ко^м^у

старший преподаватель отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, Россия

Андрей Петрович Леонов Andrey Р. Leonov

кандидат технических наук, доцент отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, Россия

DOI: 10.17122/1999-5458-2022-18-1-33-62

НАДЕЖНОСТЬ ИЗОЛЯЦИИ СТАТОРНЫХ ОБМОТОК ЧАСТОТНО-УПРАВЛЯЕМЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Актуальность

Широкое применение полупроводниковых преобразователей частоты (ПЧ) обусловлено значительными преимуществами данной технологии: плавность и точность управления скоростью и моментом вращения электродвигателя, плавный пуск и остановка; повышение энергоэффективности; возможность удалённого мониторинга и пр.

Накопленный опыт эксплуатации показал повышенную интенсивность отказов изоляции статоров асинхронных двигателей, работающих при импульсном питании. Наличие в сигнале инвертора высокочастотных перенапряжений, которые могут приводить к появлению в обмотках даже низковольтных двигателей частичных разрядов, приводящих к ускоренной деградации электрической изоляции, и преждевременному пробою.

За прошедшие три десятилетия в технической литературе накоплен значительный объём информации: созданы модели высокочастотных переходных процессов при импульсном питании; разработаны методы испытаний электрической изоляции при воздействии коронных (частичных) разрядов; определены наиболее важные параметры напряжения, определяющие интенсивность старения изоляции; разработаны нормативные документы, регламентирующие испытания и выбор систем изоляции статоров двигателей, питаемых от ПЧ.

Анализ и систематизация существующих результатов необходимы для определения направлений дальнейших исследований в предметной области.

Цель исследования

Выявление новых решений и тенденций их развития в области надёжности изоляции обмоток низковольтных электрических машин при питании модулированным напряжением.

Методы исследования

Использованы библиографический анализ, методы статистической обработки данных.

Результаты

Выполнен анализ наиболее актуальных работ по тематике надёжности систем изоляции низковольтных обмоток в системах частотного электропривода, приведён библиографический перечень данных работ.

Показаны основные результаты, касающиеся моделирования перенапряжений, методик испытаний изоляции, изучения механизмов старения полимерной изоляции обмоток при импульсном питании, определения характеристик возникающих разрядов.

Определены пути дальнейшего развития исследований, направленные на моделирование перенапряжений с учётом высокочастотных эффектов, увеличение объёма экспериментов по оценке времени жизни изоляции, исследование условий возникновения частичных разрядов, создание общего подхода к испытаниям изоляции.

Ключевые слова: модулированное напряжение, межвитковая изоляция, короно-стойкость, преобразователь частоты, инвертор, IGBT, асинхронный электродвигатель, перенапряжения, обмоточный провод, изоляция обмоток, частичный разряд, широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

RELIABILITY PROBLEMS OF FREQUENCY-CONTROLLED ELECTRIC MOTORS

Relevance

Widespread use of semiconductor frequency converters is due to the significant advantages of this technology: smoothness and accuracy of controlling the speed and torque of the electric motor, smooth start and stop; increased energy efficiency; the possibility of remote monitoring, etc.

The accumulated operational experience has shown an increased failure rate of stator winding insulation of asynchronous motors operating with pulsed power. The presence of high-frequency overvoltages in the inverter signal can lead to the appearance of partial discharges even in the low-voltage motors windings. It's leading to accelerated degradation of electrical insulation and premature breakdown.

Over the past three decades, a significant amount of information has been accumulated in the technical literature: high-frequency transient models have been created; partial-discharge and corona-resistant test methods have been developed; the most important voltage parameters determining the intensity of insulation aging have been determined; regulatory documentation for testing and selection of insulation systems have been developed.

Analysis and systematization of existing results are necessary to determine the directions of further research in the subject.

Ат of research

Identification of new solutions and trends of insulation reliability windings of low-voltage electric machines when powered by modulated voltage.

Research methods

Bibliographic analysis, methods of statistical data processing.

Results

Analysis of the most relevant works on the reliability of low-voltage winding insulation systems in frequency electric drive systems is carried out, a bibliographic list of these works is given.

The main results concerning the overvoltages simulation, insulation testing methods, studying the aging mechanisms of winding polymer insulation with pulsed power supply, determining the characteristics of emerging discharges are shown.

The ways of further development aimed at modeling overvoltages, taking into account high-frequency effects, increasing the volume of experiments to estimate the insulation lifetime, studying the conditions for the occurrence of partial discharges, creating a common approach to insulation testing are determined.

Keywords: modulated voltage, intertum insulation, corona-resistance, frequency converter, inverter, IGBT, asynchronous motor, overvoltage, winding wire, winding insulation, partial discharge, PWM

Введение

Развитие силовой полупроводниковой техники позволило создать простые и надёжные преобразователи частоты (ПЧ). С 1980-х гг. начато применение систем управления скоростью вращения электрической машины, основанных на управляемой модуляции частоты питающего напряжения. Отличительной особенностью такой системы являются возможность плавного и точного регулирования скорости вращения управляемого двигателя, снижение пусковых токов за счёт плавного пуска и повышение энергоэффективности системы.

Электродвигатели с частотным управлением широко применяются в сельском хозяйстве, электротранспорте, установках механизированной добычи нефти и многих других отраслях деятельности человека [1]. В зависимости от области работы и типа управляемого двигателя существуют ПЧ с различной топологией (схемой построения) преобразователя и типом формирования выходного импульса напряжения, фильтрующими устройствами, алгоритмами управления и т.п. Наиболее часто применяются ПЧ со звеном постоянного тока (выпрямителем) и инвертором, формирующим выходной сигнал по закону широтно-импульс-ной модуляции (ШИМ) [2].

В общем виде ШИМ представляется последовательностью импульсов с разной скважностью, формируемой алгоритмом переключения полупроводниковых ключей, в первую очередь, ЮВТ — транзисторов. Эти импульсы формируют сигналы выходного напряжения заданной частоты, поступающие с выхода преобразователя либо на повышающий трансформатор, либо на питающий кабель, либо непосредственно на обмотку двигателя через соединительные провода. Частота переключения транзисторов обычно находится в диапазоне нескольких десятков килогерц [2].

Большинство управляемых двигателей являются асинхронными с короткозам-кнутым ротором. Диапазон номинальных напряжений лежит в пределах от 220 В до нескольких киловольт, при этом для питания двигателей свыше 1000 В используются повышающие трансформаторы, установленные на выходе ПЧ [3].

Типовая, наиболее распространенная структура преобразователя частоты представлена на рисунке 1.

Система преобразователя частоты получает питание от стандартной сети с синусоидальным напряжением 50/60 Гц. Далее полупроводниковый неуправляемый выпрямитель совместно с фильтром преобразует переменное сетевое напря-

ВыпрЯМитеЛЬ Звено постоянного Инвертор Фильтр

тока

Рисунок 1. Структура частотного электропривода Figurel. АсУш1аЬ1е ерее<ес1пуе§епееа1 вйгиСиге

жение в постоянное. Роль фильтра состоит в обеспечении необходимого коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения. Выпрямленное напряжение используется инвертором, который по закону широтно-импульсной модуляции формирует выходной сигнал, состоящий из серии прямоугольных импульсов с заданной скважностью и частотой. Таким образом, синусоидальное сетевое напряжение исходной частоты 50/60 Гц преобразуется в серию импульсов, имеющих любую заданную частоту, тем самым обеспечивая более точное управление асинхронным двигателем.

В наиболее простом случае модулированный сигнал сразу поступает на статор-ную обмотку двигателя. В современных системах электропривода также могут использоваться различные фильтры (синус-фильтры и фильтры du/dt), повы-

шающие и понижающие трансформаторы, доводящие напряжение до необходимого уровня. Более того, сами алгоритмы модуляции разнообразны и включают в себя помимо упомянутого одноуровневого ШИМ также ШИМ с предмодуляцией третьей гармоники, многоуровневые ШИМ и т.д. [4].

Согласно многочисленным отраслевым исследованиям, большая часть всех отказов электродвигателей (до 80-90 % [6]) — это отказы изоляции статора, до 80 % из которых связаны с пробоем меж-витковой изоляции [7]. Примеры повреждения изоляции статорной обмотки приведены на рисунке 2. Как показал опыт эксплуатации, интенсивность отказов изоляции статора для двигателей с ШИМ-управлением намного выше, чем для двигателей с питанием от синусоидального источника [8].

а)

b)

c)

d)

e)

f)

Рисунок 2. Типичное повреждение изоляции, приводящее к межвитковому короткому замыканию обмотокстатора [5]: межвитковоезамыкание между виткамиодной и той же фазы (а); замыканиеобмоткиоднойфазы (Ь);замыканиемежду обмоткой и сердечником статора в конце паза(с);замыкание междуобмоткойисердечникомстатора в середине паз (d); замыкание навыводах обмоток (e); замыканиемеждуфазами (f)

Figure 2. Typical insulation damage leading to turn-to-turnshort circuit of stator windings [5]:

turn-to-turn closurebetween turns ofthe same phase (a); shortcircuit of the winding of one phase (b); shortcircuitbetween the winding and thestatorcoreatthe end of the groove (c); short circuit betweenthewindingandthe stator core in themiddleofthe groove (d); short circuit on theterminalsof thewindings (e);short circuit between phases (f)

36 -

Electrical and data processing facilities and systems. № 1, v. 18, 2022

Причины повышенных электрических нагрузок на изоляцию в системах частотно-регулируемого привода

Скорость коммутации современных транзисторов может достигать десятков наносекунд. Это является причиной возникновения различных процессов, негативно влияющих на изоляцию всех компонентов современных систем частотно-регулируемого привода (ЧРП).

Создаваемые инвертором в процессе ШИМ-модуляции прямоугольные импульсы имеют значительную крутизну фронтов, описываемую производной напряжения по времени du/dt. Причиной этого являются высокочастотные переходные процессы, происходящие во время коммутации транзисторов. Форма одиночного импульса приведена на рисунке 3.

Из-за«им1^льсного»характеравыход-ногонапряжения инвертора,время нарас-таныкоторого составгоитяколоЮ -100 нс,длиааобмятки статоятияловится тапоснавимятс дшнюй волтс элекн>°-магнитного поля. Следовательно, напря-

жение на клеммах двигателя возникает в результате суперпозиции прямой волны, распространяющейся от инвертора к нагрузке, и отраженной волны, распространяющейся в противоположном направлении. Аналогичный механизм распространения волн следует также учитывать в обмотках двигателя. Таким образом, напряжение не распределяется равномерно между витками обмотки, а зависит от времени нарастания импульсов инвертора, конструктивных параметров обмотки и питающего кабеля. Как следствие, электрическая изоляция асинхронных двигателей с питанием от инвертора подвергается повышенным нагрузкам по сравнению с напряжениями, возникающими при питании от синусоидального источника напряжения. Срок службы изоляционных материалов также может быть значительно сокращен из-за повышенных диэлектрических потерь, вызванных высшими гармон иками, и большей интенсивно стичастичныхразрядо в(ЧР),вызван-нойдополнительн ыми внплескмми напряо жрния, возникаюшцми воаремя номмптнв Нии(рвсунонО) [ЬВ-1Ь].

U

Up 0,9Up

0,1Up

t

Ua — конечнаявеличинаимпульсанапряжения;ЦЬ — величина пикового напряжения, превышающегоустановившеесяимпульсноенапряжениеиа; tr — время возрастания напряженияс10 % до 90 % от его конечного значения Ua + Ub

Ua — final magnitude of the voltageimpulse; Ub — magnitude ofthe peakvoltage in excess of thesteadystateimpulse voltage Ua; tr — time for the voltage to rise from 10 % to 90 %

of its final value Ua + Ub

Рисунок 3. Форма одиночного импульса при коммутации полупроводникового ключа [9]

Figure3. Voltage impulsewaveshape parameters [9]

- 37

Электротехнические и информационныекомплексыипиктемы.№1,н. 18, 2022

V

U pk/pk

Ua — напряжениеш иныпостоянногото кадныертора; Up — пиковое напряжение на клеж махдаиаитеря]ир10ыИ — напряжениыотиика до пика на основной частоте; U'pk/pk — наниожиние ыт рита до рпаа нооиетотеследивания импульсов;

Uj — наифяждрие ci^^iti^^]

Ua — inverter dc-bus voltage; Up — peak voltage at the motor terminals; Upk/pk — peak-to-peak voltageBt the fundamental frequency; U'pk/pk — peak-to-peak vol/age atthei mpulse repetitionfrequency; Uj — jump voltage [13]

Рисурок4 . При/ерфюр/ы сигнааа н-пряжениг-з-пиепнгюгонаклеммах двигателя k geyxy-OBHeвым преобразователем напряжения (p/p) [13]

Figure 4. Voltage waveform recorded at the terminals of a two-level voltage-converter

fed motor (p/p) [13]

В ряде работ показано, что уровень перенапряжений, создаваемых преобразователем, может составлять до 10 ином шины постоянного тока [10, 14].

Появление в сигнале инвертора подобных выбросов напряжения приводит к волновым эффектам во всех электрически соединённых элементах системы ЧРП, что является следствием высокой частоты импульсов. В дополнение, высокая частота напряжения может приводить к возрастанию диэлектрических потерь в изоляции,и,какследствие, к перегреву.

С учётом этого к обмоткам двигателя и токоведущим жилам питающего кабеля приложены повторяющиеся высокочастотные импульсы перенапряжений, в отдельных случаях кратно превышающих номинальное напряжение, на которое рассчитана изоляция. Несмотря на то, что подобные импульсы неспособны привести к мгновенному пробою, они создают условия для возникновения частичных разрядов даже в низковольтных обмотках. В результате увеличивается уровень элек-

тротепловых нагрузок на изоляцию. Это ускоряет процессы старения и приводит к заметному снижению срока службы [15].

Всесторонний анализ факторов, определяющих износ изоляции при питании модулированным напряжением, а также разработка рекомендаций по испытаниям является основным направлением работ вданной области.

Общий взгляд на старение изоляции сучётомвоздействий импульсных напряжений

Термическое старение является основной причиной ухудшения свойств электрической изоляции, прежде всего, низковольтной.

Источником тепловых воздействий является омический нагрев проводников при протекании по ним токов, диэлектрические потери в изоляции, а также потери в магнитопроводе. Температура является непосредственной причиной старения, она приводит к ускорению процессов термической деструкции материала изоля-

ции, заключающейся в необратимом разрыве химических связей, полимеризации и деполимеризации молекул, образовании свободных радикалов и т.д.

В целом, процесс термического старения можно описать законом Аррениуса, который выражает срок службы как экспоненциальную функцию обратной температуры [16, 17]:

У/

Ьр = В • е кг, (1)

где ^ — срок службы;

В — постоянная величина, зависящая от структуры материала;

Ж — энергия активации химической реакции, ответственной за старение;

к — постоянная Больцмана;

Т — абсолютная температура.

Закон Аррениуса позволяет описать изменение скорости химической реакции как функцию температуры. Как эмпирический закон, он был подтвержден экспериментально для большинства исследованных полимерных материалов.

Значительное влияние оказывают также циклы «нагрев — охлаждение», сопровождающиеся термическим расширением и сжатием материала изоляции, приводящие к появлению механических напряжений, растрескиванию изоляции, образованию полостей, каверн и т.п.

При увлажнении изоляционного материала изменяются его физико-химические параметры, в первую очередь, увеличиваются тангенс угла диэлектрических потерь и проводимость [18]. Увеличение диэлектрических потерь приводит к возрастанию ёмкостных токов в изоляции и её нагреву. Наличие влаги в порах значительно уменьшает механическую и электрическую прочность изоляции, ускоряет химическое старение [6].

Механические нагрузки возникают при вращении ротора, вибрациях статора, а также во время пуска двигателя. Нагрузки разделяют на статические и динамические. Первые — характерны для вибра-

ций, постепенно приводящих в основном к отслаиванию различных компонентов изоляции друг от друга. Динамические нагрузки возникают при пусках двигателя и коротких замыканиях, сопровождающихся резким скачком электродинамических усилий. При неблагоприятном стечении обстоятельств такие нагрузки могут вызвать перемещение проводников в пазу статора, в результате чего может быть разрушена витковая изоляция и произойти пробой обмотки.

Технологические причины оказывают значительное [7] влияние на надёжность обмоток двигателей. Возникающие при изготовлении обмоток дефекты изоляции заключаются в образовании трещин, отслаиваний, сдиров и других подобных механических повреждений. Некачественные пропитка и сушка являются причиной возникновения пустот в изоляции. Воздействие дефектов, обусловленных технологическими причинами, повышает вероятность отказа электродвигателей [19].

Описанные выше факторы старения изоляции общеизвестны и характерны для большинства систем изоляции электрических машин как подверженных воздействию импульсных перенапряжений, генерируемых инвертором, так и работающих в системах с питанием от синусоидального напряжения промышленной частоты.

Наибольший интерес в рамках данной проблемы представляет электрическое старение.

Основы теории электрического старения полимерных диэлектриков разработаны для описания процессов в изоляции высоковольтных электрических машин (Цном > 1000 В). До недавнего времени считалось, что электрическое старение характерно только для подобных систем [20]. Внедрение систем частотного регулирования повысило уровень электрических нагрузок, изменив характер старения изоляции.

- 39

и системы. № 1, v. 18, 2022

Интенсивные всплески напряжения, характерные для импульсных источников питания, создают даже в низковольтном оборудовании условия, достаточные для возникновения частичных разрядов. Более того, подобные всплески могут иметь высокую частоту, обусловленную значительным содержанием гармоник высокого порядка в сигнале преобразователя частоты. Как показал опыт эксплуатации, существовавшие до недавнего времени системы изоляции низковольтных обмоток не обладают необходимой стойкостью к подобным электрическим разрядам.

Наиболее показательное влияние на интенсивность электрических разрядов и процессы старения изоляции оказывают амплитуда, частота и время нарастания импульса на фронте волны.

Увеличение амплитуды напряжения облегчает условия формирования частичных разрядов и приводит к ускорению процессов старения диэлектриков. В области величин напряжения, не приводящих к немедленному пробою, время жизни изоляции будет описываться экспоненциальным или обратным степенным законом как функцией от приложенного напряжения [21].

Электрическое старение обусловлено реакциями окисления (для полимерных диэлектриков), электронной бомбардировкой поверхности, сопровождающейся разрывом молекулярных связей, а также другими типами химических взаимодействий с продуктами, образующимися при взаимодействии разряда с газовой средой.

Частота питающего напряжения также играет важную роль в процессе старения. Повышение частоты приводит к пропорциональному увеличению количества частичных разрядов пчр за единицу времени. Это ведёт к более интенсивным химическим процессам разрушения диэлектрика. Увеличение пчр также сопровождается увеличением тока, создаваемого разрядом, что ведёт за собой локальный

40 -

Electrical and

перегрев изоляции. В случае синусоидального напряжения срок службы обычно обратно пропорционален частоте [22].

В случае питания модулированным напряжением высокая частота следования импульсов, а также частота переключения транзисторов значительно влияет на скорость старения [23].

В работах [24-26] отмечено влияние времени нарастания импульсов напряжения. С учётом скорости переключений современных IGBT-транзисторов, время нарастания (и спадания) фронтов импульсов может составлять сотни, а в крайних случаях даже десятки наносекунд. Столь короткий промежуток времени по своей длительности накладывается как на среднее время образования ионов в газе (десятки наносекунд), так и на время релаксации объёмного заряда (миллионы наносекунд), хотя эта величина сильно зависит от приложенного напряжения, параметров газа, массы ионов и энергии электронов. Это может привести к сложным переходным процессам распространения ионов в газе между электродами (например проводниками в пазу), тем самым внося искажения в распределение напряжённости электрического поля в промежутках.

Таким образом, стандартные модели расчёта напряжённостей, учитывающие только геометрию системы электродов и диэлектрическую постоянную среды, становятся некорректными и требуют также учёта физики плазмы. В случае биполярного питания данная проблема приобретает ещё более комплексный характер, требующий дополнительных исследований.

Экспериментальное изучение стойкости изоляции к воздействию импульсных перенапряжений

Наиболее актуальные исследования представлены в зарубежных журналах ассоциации IEEE (Transactions on

Dielectrics and Electrical Insulation, Electrical Insulation Magazine, Transactions on Industry Applications, Transactions on Industrial Electronics, Electric Power Components and Systems, Industry Applications Magazine, Transactions on Power Electronics).

Одним из основных направлений исследований в данной области является экспериментальная оценка степени изменения электрофизических свойств изоляционных материалов и систем под воздействием электрических, тепловых, химических и механических нагрузок.

Структурированный анализ экспериментальных работ по экспериментальной оценке характеристик изоляции при воздействии импульсных напряжений с учётом особенностей методик и условий проведения испытаний, конструкции образцов и критерия оценки приведен в таблице 1:

— в первом столбце таблицы 1 приводится ссылка на рассматриваемую статью (совпадающая с библиографическим перечнем);

— во втором столбце «Тип изоляции, подвергающейся воздействиям» указаны основные характеристики изоляции, а также общий вид макетных образцов;

— столбец «Вид эксперимента» содержит описание основных параметров воздействующего напряжения (амплитуда, частота, форма сигнала, время нарастания импульса в случае с ШИМ-модулированным напряжением). Также указан вид эксперимента и определяемый параметр (среднее время до пробоя, напряжение появления частичного разряда и т.п.);

— столбец «Краткие результаты/ выводы» содержит основные тезисы из полученных экспериментальных данных;

— дополнительный столбец «Аналог» содержит ссылки на статьи с аналогичным содержанием/экспериментом.

Анализ проведённых работ позволяет отметить следующее.

1. Большинство исследований касается межвитковой изоляции как наименее устойчивого элемента всей обмотки. Рассматривается изоляция эмалированных обмоточных проводов, в том числе в сочетании с пропиточными составами; также приведены данные по испытаниям стекловолокнистой или слюдяной изоляции. Отдельно выделены исследования по поиску наиболее короностойких типов изоляции. Короностойкостью называется способность электроизоляционных материалов и обмоточных проводов выдерживать воздействие коронного (частичного) разряда без недопустимого ухудшения его свойств. Критерием оценки служит время до пробоя изоляции. Обмоточные провода и электроизоляционные материалы, рекомендуемые к применению в подобных условиях, называются короно-стойкими.

Присутствуют работы по оценке стойкости электрокартона, используемого в качестве пазовой изоляции.

2. Наиболее часто в качестве испытательного сигнала используется высокочастотный импульс, имитирующий напряжение на выходе с преобразователя частоты. При этом не существует единого мнения относительно характеристик данного сигнала: формы, амплитуды и полярности импульса, длительности фронта, гармонического состава (на рисунках 5 и 6 показана значительная разница испытательного сигнала в двух различных исследованиях).

Ряд авторов в качестве испытательного напряжения использует синусоидальный источник, частота которого не всегда равняется 50 Гц.

3. Наиболее частым типом эксперимента в равной степени является определение начального напряжения зажигания частичного разряда (PDIV), напряжения пробоя изоляции (как кратковременного,

- 41

и системы. № 1, v. 18, 2022

¡^ Таблица 1. Сводный анализ содержания экспериментальных работ по оценке стойкости изоляции обмотки к действию электротепловых нагрузок, характерных для систем с ПЧ

Table 1. Summary of experimental studies assessing the winding insulation deterioration affected to electrothermal ageing conditions corresponding to frequency converter

Ссылка Тип изоляции, подвергающейся воздействиям Вид эксперимента Краткие результаты/выводы Аналог

[27] Обмоточные провода с эмалевой, стекловолокнистой и слюдинитовой изоляцией, с покрытием оксидом алюминия, полиимидной плёнкой, либо пропитанные. Образцы в виде скруток провода по 1ЕС60851-5, либо прямых образцов. Воздействие на образцы скруток проводов сигналом, моделирующим ТТТИМ Гр.р = 2-3 кВ; ^ = 20 кГц; t = 0,025 мкс фронт импульса. Определение напряжения возникновения ЧР (РБ1У). Оценка среднего времени до пробоя т. Применение короностойких проводов, а также проводов, покрытых полиимидной плёнкой, стекловолокном, либо пропитанных проводов повышает напряжение возникновения ЧР (РБ1У) примерно на 20-40 %. Также значительное влияние оказывает диаметр провода — при его увеличении повышается РБ1У. Эксперимент по старению показывает: наиболее короностойкими являются провода с изоляцией из слюдяной плёнки 8агшса8Ыек1® с пропиткой составом 3340 (резина). [28-38]

[39] Обмоточные провода с полиэстер-имидной изоляцией, с наполнением наночастицами Ва804 и 8Ю2 Образцы в виде скруток провода по 1ЕС60851-5, либо прямых образцов. Два типа импульсного напряжения: Гр.р = 4,6/5 кВ; Роси, = 0,3/3 кГц; Ке^щ. = 3,4/20 кГц; t = 1,25/0,67 кВ/мкс время нарастания фронта импульса. Оценка среднего времени до пробоя т. Оценка влияния относительной влажности на время жизни изоляции с подобным покрытием. Измерение уровня ЧР в процессе старения образцов. Оценка электрической прочности эмали с наполнением и без. Наполнение изоляции наночастицами Ва804 и 8Ю2 не приводит к повышению электрической прочности изоляции. Эксперименты на электрическое старение показали, что наночастицы сульфата бария не увеличивают время жизни изоляции при воздействии ЧР. Напротив, наночастицы кремнезема позволяет получить лучшие результаты с точки зрения времени до пробоя, увеличивая т примерно в 50 раз. Это объясняется образованием керамического барьера, который увеличивает сопротивление материала частичному разряду. Различий между обычной эмалью и эмалью с нано-композитом при воздействии повышенной влажности не выявлено. [18, 40]

[41] Обмоточные провода с полиамид-имидной изоляцией, полиэстер-имидиой изоляцией, а также те же провода, но с с изоляцией, изготовленной методом смешивания коллоидных растворов и методом прямого диспергирования. Образцы в виде скруток провода по 1ЕС60851-5. Два типа напряжения. Импульсное: Гр.р = 1,0/1,2/1,5/2,0/2,5/3,9 кВ; Росн, = 0,5 кГц; Кесу,,, = 20 кГц; ^ = 70 не время нарастания фронта импульса. Синусоидальное: V =0,86/1,13/1,42/2,12/2,84 кВ. ^ = 20 кГц. Оценка среднего времени до пробоя т при изменении напряжения и температуры, а также формы воздействующего напряжения. Тесты на измерение пробивного напряжения в процессе термического старения. Разработанная проволока с нанокомпозитные поли-амидимидным изоляционным покрытием оказывается в 1000 и более раз устойчивым к воздействию высокочастотного испытательного импульса, чем обычный обмоточный провод, а также обладает значительной термической устойчивостью. [42-44]

[45] Провода эмалированные, короно-стойкие и некороностойкие. Образцы в виде скруток провода по 1ЕС60851-5, либо прямых образцов. Три типа напряжения. Импульсное № 1: ¥р.р = 5 кВ; Госн = 50 Гц; t = 800 не — время нарастания фронта импульса. Импульсное № 2: Ур-р = 5 кВ; Госн = 1500 Гц; (= 800 не — время нарастания фронта импульса. Синусоидальное: У=5 кВ; Б = 50 Гц. Оценка среднего времени до пробоя т при изменении амплитуды и формы воздействующего напряжения. Импульсные напряжения сокращают срок службы изоляции эмалированных проводов. Напряжение пробоя при импульсных воздействиях ниже, чем при синусоидальных, независимо от типа жил в образце и количества витков в тестовой паре. Чем короче время нарастания импульса, тем сильнее наблюдаемый эффект. Увеличение частоты следования/ коммутации импульсов приведет к дальнейшему снижению напряжения пробоя. Короностойкая изоляция действительно показывает значительное увеличение времени до пробоя в сравнении с некороностойкими проводами в экспериментах на импульсном напряжении. [46, 47]

[48] Бумажная / бумажно-масляная изоляция. Образцы в виде квадратных листов пробы. Два типа напряжения. Импульсное: ¥р.р = 1 кВ: / = 200 не время нарастания фронта импульса. Синусоидальное: У= 1 кВ; Б = 50 Гц. Оценка среднего времени до пробоя т при изменении формы воздействующего напряжения. Среднее время до пробоя бумажной изоляции снижается с переходом от синусоидального воздействия к высокочастотному модулированному. [49, 50]

С0

"О

О

о

о

=1

о

о

5:

О

а) b)

Рисунок 5. Форма импульса испытательного напряжения, используемая при исследованиях [39]: низкочастотная (а) и высокочастотная (b) формы волны

ШИМ-напряжения

Figure 5. Voltage shape used in study [39]: low-frequency (a) andhigh-frequency(b)PWMvoltagewaveforms

Time 10 msec/div

Тете 5 тсесЛ1(У

а) Ь)

Рисунок 6. Форма импульса испытательного напряжения, используемая при исследованиях [48]: линейное (а) и фазное (Ь) напряжение инвертора

Figure 6. Voltageshapeusedin study[48]: linear(a) and phase(b)PWM voltagewaveforms

так и при старении изоляции), а также среднего времени до пробоя партии образцов. Воздействующими факторами во всех случаях является тот или иной тип напряжения, совмещённый, в первую очередь, с тепловым полем. Также исследуется влияние влажности, механического растяжения образцов. Некоторые работы сконцентрированы на определении характеристик возникающего в процессе испытаний частичного разряда, кроме уже упомянутого PDIV снимаются осциллограммы токов разряда, определя-

44 -

Elect г ical and

ются количество ЧР, мнимый ток, мощ-ностьразряда [28].

4. Общий вывод проведённых испытаний — экспериментальное подтверждение снижения времени жизни (времени до пробоя) при воздействии высокочастотных сигналов. Для одного и того же типа изоляции время жизни может сокращаться в десятки и даже сотни раз при изменении воздействующего напряжения с синусоидального 50 Гц на модулированное высокочастотное даже без изменения увеличе-нияамплитудысигнала(рисунок7).

130— /

Time to failure (sec. / t / у

100 D__ /

i i i i 1 i i i i 1 > i i i 1 i i 40 60 80 100

Rise Time (ns)

Рисунок 7. Зависимость среднего времени до пробоя от скорости нарастаниянапряжениянатранзисторах для полимерной изоляции [12]

Figure 7. Dependenceoftheaveragetime

to breakdownontherate of voltage rising for polymer insulation [12]

5. Наибольшуюстойкость к воздей-ствшовысокооастотногоСШИУс-сигнота показысаюткороньстойкиепрсводае использованием различных покрытий и добавтк:ашо,ншыоплСнки,наночо1ншоы оксида кремния и пр. [39-43].

Обозначены направления дальнейших исследований:

— с асширешт намонкеат^ы испы-тсныыхоымосочныьпроводоси систем изоанции;

— апробация новых и создание ком-вшечсвойметодикв с уточнениемввли-чинуровня воздсМствующич фавкорос (вид и парамеррындпыгателвного напряжения, характеристики ШИМ-импульса

о т.м)-

Нттимнивио-пгхнтпумктр дсаументацмн,ктгиаментирумщ an дсссотосутсцни дкмгнсдлей, работающих в системах частотного энмясропривода

Ы ^ммени разработаны

нормативные документы, касающиеся проблемы ускоренного старения электрической изоляции двигателей, работаю-

щих в системах с преобразователями частоты.

Сводная информация по актуальным стандартам, определяющим условия испытаний приведена в таблице 2.

В стандартах [9] и [51] описываются методики выбора и испытаний электроизоляционных систем типа I, которые не рассчитаны на постоянное воздействие частичного разряда и систем типа II, которые в течение всего срока службы могут быть подвержены ЧР. Под частичным разрядом в этом случае понимается разряд в газе,проУТУруюшуй часть изоляции и не приводащий ко мгновенному пробою. Указывается, что разработчики электроприводов должны оценить уровень возникающих в системе перенапряжений и время нарастания импульсов напряжения, пр^ёмэти данные должны учиты-врться вспрцификациях на управляемые двигатели.

Показаны наиболее важные параметры напряжения, определяющие интенсивность стгрежгаедоляции: частота повторения и время нарастания импульсов ШИМ, гчвшиьуса скачков напряжения. ария ьораавюйиз оляции отмечено особое влияние основной частоты, а также межпиковых напряжений.

Описаны условия проведения типовых и квалификационных испытаний, в том числе: измерение параметров ЧР (в первую очередь, PDIV, которое должно быть больше номинального напряжения двига-тесь) как на синусоидальном, так и на имсумьсдьмнапртжении, циклы старе-ия под воздействием температуры и дтпытатьльного напряжения, испытания систем защиты от коронных разрядов и т.п. Указывается, что срок службы не завмсст отпастььы при Fосн < 1000 Гц.

Представлена методика инженерной оценки примерного уровня пиковых перенапряжений, возникающих при работе преобразователя, и которые должны быть

Таблица 2. Нормативная документация по выбору и испытаниям изоляции в системах частотного электропривода

Table 2. Regulatory documentation on selection and testing of VFD insulation systems

Ссылка Номер стандарта Наименование

[9] ГОСТ IEC/TS 60034-18-41-2014 Машины электрические вращающиеся. Квалификационные и типовые испытания для систем изоляции типа I, используемых во вращающихся электрических машинах с питанием от преобразователей источника напряжения

[51] ГОСТ IEC/TS 60034-18-42-2014 Машины электрические вращающиеся. Квалификационные и приемочные испытания для систем изоляции, стойких к частичному разряду, типа II, используемых во вращающихся электрических машинах с питанием от преобразователей источника напряжения

[52] ГОСТ IEC/TS 60034-25-2017 Машины электрические вращающиеся. Часть 25. Электрические машины переменного тока, используемые в системах силового привода. Руководство по применению

[53] ГОСТ IEC/TS 61800-8-2017 Электрические приводные системы с регулируемой скоростью. Часть 8. Спецификация напряжения на силовом сопряжении

использованы при испытаниях. Методика учитывает топологию системы, наличие или отсутствие длинного соединительного кабеля, коэффициента мощности и т.д. Пример приведён в таблице 3.

В стандарте [52] (раздел 7) рассматриваются эффекты перенапряжений, возникающих при работе ПЧ. В качестве причин, приводящих к возникновению перенапряжений, отмечены:

— крутые фронты нарастания сигналов (десятки и стони наносекунд) (рисунок 8);

— наличие соединительных кабелей, в которые могут проявляться эффекты резонанса высокочастотных импульсов инвертора.

Выделена проблема статоров о всып-ной обмоткой, в которых витки одной катушки располагаются случайнымобра-зом. С учётом того, что приложенные к обмотке перенапряжения чаще всего максимальны в первом витке и минима ьны в последнем, существует значительная

вероятность возникновения перенапряжений между двумя витками одной катушки.

Рассмотрено влияние типа и параметров обмотки, геометрических размеров, материала изоляции, давления, загрязнения и увлажнения изоляции на напряжение зажигания частичных разрядов.

50 40

Д U, %

30

20

10

0,01

0,1 1

du/dt, кВ/мкс

10

Рисунок 8. Типичная величина скачков напряжения AU (в процентахот фазного напряжения) как функция du/dt

Figure 8. Typical voltage peaks AU (percentage of phase voltage) as a function of du/dt

0

Таблица 3. Примеры расчета максимальных пиковых напряжений для двухуровневого преобразователя

Table 3. Maximum peak voltages for a two-level converter

Номинальное напряжение, В ином Х 1,1, В Udc, В Коэффициент перенапряжения Up, В и В Up / Uma« В

500 550 741 1 741 408 1,82

500 550 741 2 1482 408 3,64

500 550 741 2,5 1853 408 4,54

В разделах 9.2.3 и 9.2.4 отмечена необходимость установки синус-фильтра и фильтра du/dt. Применение фильтрующих устройств позволяет сгладить кривую тока и напряжения, улучшить гармонический состав и значительно снизить уровень возникающих перенапряжений.

В разделах 10.4, 11.5, 13.2, 15.4, 16.4, 18.4, 19.4, Приложении С для различных типов электрических машин и приводов указывается на наличие возросших (по сравнению с питанием от сети) нагрузок на электрическую изоляцию.

Четко сформулирован следующий факт: в низковольтных системах уровень перенапряжений практически полностью зависит от значений du/dt, в то время как в системах выше 1000 В дополнительным фактором является и повышенное номинальное напряжение.

В [53] представлены основные типовые модели преобразователей частоты и фильтров, их схемы и характеристики. Указывается на необходимость проверки проектируемой системы на рассогласование волновых сопротивлений кабеля и обмотки. В приложениях приведён пример расчёта максимальной амплитуды пиковых напряжений, возникающих в обмотке.

В целом, в последние годы проблема перенапряжений, вызываемых преобразователем частоты, получила широкое отражение в отечественной и зарубежной технической литературе. Однако на данный момент некоторые вопросы остаются не раскрытыми. Отсутствует единый подход к оценке как различных материалов

(например плёночных и стекловолокни-стых), так и систем межвитковой изоляции к воздействию импульсного питания с высокими уровнями du/dt.

Моделирование процессов распространения электромагнитной энергии в электродвигателе с импульсным питанием

Сложно и зачастую невозможно определить уровень возникающих перенапряжений при эксплуатации реальной установки электропривода. В связи с этим, моделирование системы является фактически единственным методом, который позволит заранее оценить уровень электрических нагрузок на изоляцию двигателя. При этом необходимо определить параметры элементов схемы замещения электродвигателя, а также саму топологию схемы с учётом высокочастотных переходных процессов.

Традиционно при питании двигателя непосредственно от сетевого напряжения 50/60 Гц используются Т- и /-образные схемы замещения (рисунок 9).

Подобные схемы замещения применимы для большинства расчётов и позволяют получать токи и напряжения в ветвях схемы при различных режимах работы двигателя. Простота, применимость для двигателей широкого диапазона мощностей и напряжений, возможность определения параметров схемы замещения типовыми опытами короткого замыкания и холостого хода — основные преимущества таких схем.

ELEcTRicAL FAciLiTiES AND SYSTEMS

r x x2 r2

2d(S )

Ul

^ /2

2d(S )

a) b)

Рисунок 9. Схема замещения асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором: Г-образнаясхема(а); Г-образнаясхема(Ъ)

Figure9. Equivalentcircuitof an asynchronouselectric motorwithasquirrel-cagerotor: equivalent /-circuit model(a);equivalent /-circuit model (b)

В то же время значительносшвкается точность при питании импульсным напря-жешгем, содержащим гармоники высокой частоты. Такие гармоники приводят к появленшо дополоителыэкх(часто назы-

шбхктианостел меямгсоидвльльшивит-кама обмвтки. необдодюю

Хситывать при состаилендосхем замещо-

явшсеиея

случайноеиасаюхвжениевитмоа идое относительно друга для статоров со всып-ной обмоткой, распространённых в средне- и маломощных двигателях. Учёт эоих Лакооров щэмведат к од<^^в^кем^1^с^еип кбложебнвю сеее замещешо^щеичём ети

аек дтаиаждагоочдслодвгвдвшааеляа яоиесашси с

во1еидочаетотнч1х аеделеб асиниронэюхх олектродвигаоолей,ткамоЛормаво)юеи пдскпщир является одоимлз важ-

пемп[ЯбнсииаилeнпаиcерeдавaспмаMякбe мсдели домжны учитываоошщювдш диапазон возникающих между витками индуктивностей и ёмкостей — межвитко-вые, а также между отдельными витками и корпусом, ёмкости между транзисторами и корпусом инвертора, отражать волновые характеристики кабеля и двигателя.

Наиболее распространённым подходом к моделированию является использование типовой Т- и/или /-образной схемы

замещения со сосредоточенными параметрами с учётом возникающих высокочастотных эффектов — эффекта вытеснения тока и эффекта близости.

Вработе[54]представлена трёхфазная модельстаторасучётом взаимошнух,™ мсждооРмолк ами (тисунок10 ).Этз модель поззолязт расзшмытспьповеденмр ааинхрошммз мамуш нрру1С01мэ яасттзех.

Высокырастотные эффекты представ-левы имхпмвивнозтыооЛняоки статора. взаимоиндукцией с другими фазами М. Далее индуктивность Ld и взаимоиндукция M преобразуются в индуктивность Lp ипapaзисIкюуэддолануoстьУзíа Кромс тозо,птПсянао мтдельнуыочепта еебядямрттнвозпми^^читаавающее поопри в стрлм обмоттн соазора,няфязиа-ныеамкости снаазраД^ТиДмИи сапро-смолентм Rglvi До'ЫСуултзюддпдит ДЛЯСИнфаЗНОГОс ниффeдeнцишIыээo рлмимоа. Рздобный пооптдзяссуатрива-етсяв арабах, ддавысавачзттотуые дфПреДОПоВИЗНЫ ДОПОХсИЧеЛЬ-ными ёмкостями между витками и корпусом (рисунок 11) [55, 56].

В работе [58] рассмотрен переход от классической схемы замещения единицы длины обмотки статора к схеме, учитывающей низко- и высокочастотные эффекты (рисунок 12).

В этом случае PUL (per-unit length) — сокращение от «на единицу длины»,

X

r

таким образом, обмоткагфедстав.1шется как w-повладов атель нососмвоёоныхзве-ньев,фскпл[е скопфсбалжамоькл иоиис рбсовмденёооошиоавтлееоами, не квери минах линий с сосредоточенными пара-

ме тбршхщш этом используются не телеграф ныеуравнеаех в частшехпроизво-дных, а ебычныа дхфХРфУнциальны е рравнешгав фанмхКоши. Условные обозначения приведены таблице 4.

C

gl

RCU Lstr LM C

g 2

О

R

R

gl

g2

0

Stator

Grounded stator

о

T

777777777777777777777777777777777777777"

а)

b)

Рисунок 10. Схема замещения одной фазы (а) и трёхфазная схема замещения (b) обмотки

статора [54]

Figure 10. Equivalent circuit of one phase (a) and three-phase equivalent circuit (b)

ofthestatorwinding[54]

ce

Re

w/v-

_L Ld _L

Kse Lst

ЛААА^^^Ч Re

—WvV—

•Л

_T

Cg

W О-i ►

а)

в е-

b)

=Fcg

Ld

ч J 11

=F eg

РисунокИ. Модель куууфкистаторт баз учёта (а) и сучётом (Ь) скин-эффекта [57] Figure11. Statorcoilmodel without(a) andwith(b)the skineffect [57]

Рисунок 12. Традиционная схема замещения обмотки (а), схема замещенияс учётом высокочастотных эффектов внутри обмотки (Ь) и между обмоткой и корпусом (с)

Figure12. Traditionalwindingequivalent circuit(a),equivalent circuittaking into account high-frequencyeffectsinsidethewinding(b)and betweenthewindingand thecase (c)

- 49

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 1, v. 18, 2022

Таким образом, модель для учёта полного спектра возникающих переходных процессов в обмотке представлена на рисунке 13.

Параметры схемы замещения обмотки определялись RLC-анализатором в области частот 103-108 Гц (рисунок 14).

Рассчитанные параметры зачастую определяются как входной импеданс обмотки статора. Анализ работ [57, 59, 60] показывает, что точность моделирования довольно высока (ошибка в среднем составляет 6-25 %) и, в первую очередь, задаётся правильностью экспери-

Таблица 4. Условные обозначения элементов обмотки (аббревиатура «PUL-на единицу длины» опущена)

Table 4. Symbols of winding elements (abbreviation «PUL-per unit length» is omitted)

Обозначение Расшифровка

R Сопротивление обмотки статора

R Внутреннее сопротивление витка

Llf-e Низкочастотная внешняя индуктивность

Llf-i Низкочастотная внутренняя индуктивность

Lhf Высокочастотная индуктивность

C ^iw Ёмкость между обмотками

Rwf-lf Низкочастотное сопротивление между обмоткой и корпусом

Rwf-fr Сопротивление между обмоткой и корпусом при первом резонансе пике

R f ■*■vwf-sr Сопротивление между обмоткой и корпусом при втором резонансе пике

Lwf-fr Индуктивность между обмоткой и корпусом при первом резонансе пике

Lwf-sr Индуктивность между обмоткой и корпусом при первом резонансе пике

Cwf-lf Низкочастотная емкость между обмоткой и корпусом

C ^wf-mf Среднечастотная емкость между обмоткой и корпусом

Cwf-hf Высокая емкость между обмоткой и корпусом

L-wf-fr С Lwf-sr

Сшг„

wf-hf

Rwf-fr < Rwf-sr

Рисунок 13. Модель обмотки с сосредоточенными параметрами из работы [58] Figure 13. Lumped winding model from [58]

a) b)

Рисунок 14. Измеренный и рассчитанный частотный отклик импеданса обмотки

статора изртбот[58] (р),[б7] (b)

Figu^tel^^. 4/1 e^i^ured and calculatedfrequency-responceofthestator imp edanca

from[58] (af ^0-50)

ментального определения характеристик двигателя.

В части работ обмотка статора рассмотрена как длинная линия с распределёнными параметрами. Применяются так называемые «телеграфные» уравнения, описывающие распространение волн напряжения и тока по линии, длина которой сопоставимас длинойволны.

В ГОСТ ШС/ГС 61800-8-2017 критическая длина кабеля, приводящая к появлению эффектов отражения волны напряжения от зажимов двигателя, с учётом рассогласования характеристических импе-дансов предлагается оценивать как:

1

/кР 2-V-t'

(2)

где тг — время нарастания импульса волны, составляющее для различных случаев от 50 нс до 1 мкс;

V — скорость распространения волны по проводнику, м/с.

Таким образом, проявление волновых эффектов можно ожидать в электрических системах, длина которых составляет 102-104 м [61, 62], что сопоставимо с длиной системы «питающий кабель — фазная обмотка статора».

В работах [55, 63, 64] статорная обмотка рассматривается с подобной точки зрения. Приводятся основные уравнения, описывающие распространение

волны в длинной линии с учётом эффектов отражения от концов линии, а также рассогласования волновых сопротивлений.

Система исследуется с помощью модели многопроводной линии передачи без потерь или с потерями. Влияние распределенных по длине линии потерь учитывается преимущественно с помощью аналитических методов, основанных на спектральном разложении матриц. Результаты моделирования также указывают на зависимость максимального напряжения на клеммах двигателя от времени нарастания приложенного напряжения и длины соединительного кабеля. В частности, для короткого времени нарастания можно определить критическую длину кабеля, соответствующую максимальному перенапряжению на изоляции статора. Наличие кабеля с потерями заметно способствует изменению распределения напряжения в обмотке, если длина соединительного кабеля превышает 40 м. Также было показано, что величина меж-витковых напряжений заметно меняется со временем нарастания приложенного напряжения и почти не зависит от длины соединительного кабеля. При времени нарастания менее 100 нс межвитковые перенапряжения распределяются в пазу неравномерно, тем самым создаются усло-

вия для появления частичных разрядов, приводящих к преждевременному разрушению изоляции обмотки [63].

Обсуждение результатов

Проблема обеспечения надежности изоляции низковольтных обмоток в системах с импульсным питанием является актуальной научной задачей. При значительном объеме исследований, накопленном с конца 1980-х гг., многие вопросы остаются открытыми. Данная тематика получила развитие в работах авторов P.O'Donnell, B.K. Gupta, E. Persson, A.H. Bonnett, G.C. Montanari, G.C. Stone, M. Kaufhold, которые одними из первых указали на возможность электрического старения низковольтных обмоток, получающих питание от преобразователя частоты.

В их работах была выявлена необходимость создания высокочастотных моделей систем, включающих в себя обмотку управляемого двигателя, питающий кабель и инвертор. Получено подтверждение того, что возникающие при работе преобразователя частоты импульсы могут кратно превышать амплитуду звена постоянного тока. Указано на возможность возникновения частичных разрядов в обмотках, не рассчитанных на высокое напряжение. По результатам испытаний ряда электроизоляционных материалов и обмоточных проводов, установлено, что воздействие импульсных перенапряжений значительно снижает ресурс изоляции, в первую очередь, межвитковой.

С начала 2000-х гг. создана нормативная документация (стандарты IEC и идентичные им ГОСТ). Положения стандартов указывают на возросшие электрические нагрузки, приведены методы испытаний некоторых типов изоляции; отмечена необходимость обеспечения устойчивости к воздействию частичных разрядов; приведены мето-

дики расчёта амплитуды испытательных напряжений.

ТЛ «-» «-»

В отечественной научно-техническои литературе данная проблематика затронута в кандидатских диссертациях А.В. Ватаева, П.А. Осипова, А.С. Супуе-вой, В.В. Сушкова, В.А. Гавриленко [65-70]. Проблема исследуется с точки зрения моделирования возникающих перенапряжений, оценки пространственного распределения напряжений по виткам обмотки, влияния времени нарастания фронта импульсов и длины питающей кабельной линии. Приводятся результаты экспериментальной оценки стойкости электроизоляционных материалов, как короностойких, так и некороно-стойких, к воздействию частичных разрядов, появившихся вследствие высокочастотного импульсного питания.

В диссертации И.С. Сухачева [70] разработана математическая модель оценки остаточного ресурса изоляции двигателя при воздействии импульсных перенапряжений, модель основана на нечётной логике.

В работах, проводимых в последние годы в Томском политехническим университете [71-79], рассматриваются проблемы электромагнитной совместимости электроизоляционных систем при работе от импульсных источников питания. Помимо большого объёма накопленного материала по оценке короностойкости систем изоляции изучаются вопросы характеристик и формы возникающих высокочастотных разрядов. В сотрудничестве с ООО «НПО «Рэдвилл» (г. Томск) разработаны и внедрены методы оценки короностойкости обмоточных проводов [80-83].

Изучаются характеристики и форма разрядов, возникающих при высокочастотном импульсном питании. Отмечен факт синтеза озона, а также ускоренной эрозии поверхности изоляции при воздействии разрядов (рисунок 15).

а) b)

Рисунок 15. Коронный разряд в скрутке эмалированного провода по IEC60851-5 при увеличении 10х (а) и при увеличении 25х (b) [66]

Figure15. Corona discharge inatwistedpair of enameled wireaccording to IEC60851-5 at 10x magnification (a) and at 25x magnification (b) [66]

Вы воды

Дальнейшие направления исследований в предметной области можно сфор-мулироватьследующим образом.

1. Создание моделей, описывающих распространение электромагнитной энер-гиивсистеме«преобразователь частоты — кабелы — длигагель» с ^ёылмгозни-к^1^1ц]нр^^]^ллк0ча(^т^гтр^1р волврыывгфо-иессов.

2. ээ^^^ттв^лееоих роырядру, воыЕикаюш,!« виооляции хабе-дей, оДмлткахрдхеателе» и »д^^сфт^]^а-

о^^о^тл^ роили ИИ eГ[ЛЫбЬCHЫИДe»ЬЯЖЫ-

этьЕ зелачи ддыссы быта осуществлено как аналхьхлыакх,с использованием полевых уравнений Максвелла, так и при помощи программ численного моделирования: Ansys Еые«Усл1в8 С Ожт ОЬ МхШрИу зю 8

ииы дрдобных.

ь. Ус^елич еххеы^ё моэкыдерхмтх-дшютымысслеосовндйпо вссмеыи

жизхх из огощии при вог»вйcобыи э игиы^-атационгыблыгрузлр: игбыихровынхое ногфлженше, отт^п^еыитуиы исрд^^ие, Жтлажнение л г^.б.р^т^т)не^б^^с^уи1тыь^лк для определения доли влияния различных факторов (амплитуда, частота, гармонический состав испытательного напряжения) на скорость старения, так и для составления уравнений кривой жизни

изоляции исо зданиематериалов, устойчивых к описываемым разрядам.

4. Исследование условий, определяющих напряжение возникновения частичных разрядов; выявление частотной зависимости электрической прочности, диэлектрической проницаемости и тангенса лшла потемы.

Л . Соыдание тбырсо подходак »сспе -Шимебтаиьншйтыкнкеытойкости матери-тлтткымпyльcнымптpeшaиpяжыбпкм, гизнмьоющим при рлботехреобЕЛЗОвлг теех чьстоты

Ш. рекомендабой по снижт-

хты) ^^ов^ей возшяшощих перенапряжений в части выбора и установки фильтрующих устройств, оптимизации алгоритмов работы инвертора и подбора материалов, устойчивых к описываемым разрядам.

Помилостогл, отдесохым напрлвле-нлeмлaббтпидитстopгeнroaшииорaимo-,zlыЫсовияыeж,ииимблдыиымк, затпхымип бдгoтeулрнииыэкcплyaeaхиы инсшем ы^л^^^с^^^о^о энькфопривоье, начи-xгвтт]Ш)0излoпхт»кeй тыиыы матеихгльв г eaкaбчиттянмытч-ЕыыпoyсИки»лeм. Coгиacыт»мнo е взаимодействие позволит выработать научно-о боснованные технические решения, позволяющие повысить надёжность и экономическую эффективность систем частотно-регулируемого электропривода.

- 53

Список литературы

1. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. М.: Academia, 2006. 265 с.

2. Булгаков А.А. Частотное управление асинхронными двигателями. М.: Энергоиздат, 1982. 216 с.

3. Анучин А.С. Системы управления электроприводов: учеб. пособие. М.: Издательский дом МЭИ, 2015. 373 с.

4. Ильинский Н.Ф. Основы электропривода: учеб. пособие для вузов. М.: Издательский дом МЭИ, 2017. 224 с.

5. Karmakar S. Induction Motor Fault Diagnosis // ISA Transactions. 2016. Vol. 2. No. 5. P. 1441-1451.

6. Бернштейн Л.М. Изоляция электрических машин общепромышленного применения. М.: Энрегоиздат, 1981. 367 c.

7. Ермолин Н.П. Надежность электрических машин. Л.: Энергия, 1976. 248 с.

8. Kaufhold M. Failure Mechanism of the Interturn Insulation of Low Voltage Electric Machines Fed by Pulse-Controlled Inverters // IEEE Electrical Insulation Magazine. 1996. Vol. 12. No. 5. P. 9-16.

9. ГОСТ 60034-18-41 — IEC/TS 2014. Квалификационные и типовые испытания для систем электроизоляции типа I, используемых во вращающихся электрических машинах с питанием от преобразователей источника напряжения. М.: Стандартинформ, 2014. 31 с.

10. Montanari G.C., Seri P. The Effect of Inverter Characteristics on Partial Discharge and Life Behavior of Wire Insulation // IEEE Electrical Insulation Magazine. 2018. Vol. 34. No. 2. P. 32-39.

11. Montanari G.C. Prospects for Increasing Supply Voltage and Design of Electrical Field Rotating Machine Windings Supplied from Power Electronics // IEEE Electrical Insulation Magazine. 2020. Vol. 36. No. 3. P. 31-38.

12. Yin W. Failure Mechanism of Winding Insulations in Inverter-Fed Motors // IEEE Electrical Insulation Magazine. 1997. Vol. 13. No. 6. P. 18-23.

13. Montanari G.C. Partial Discharge and Aging of AC Cable Systems under Repetitive Voltage Transient Supply // 34th Electrical

Insulation Conference, EIC 2016. 2016. No. June. P. 379-382.

14. Wang L. High-Frequency Modeling of the Long-Cable-Fed Induction Motor Drive System Using TLM Approach for Predicting Overvoltage Transients // IEEE Transactions on Power Electronics. 2010. Vol. 25. No. 10. P. 2653-2664.

15. Kaufhold M. Electrical Stress and Failure Mechanism of the Winding Insulation in PWM-Inverter-Fed Low-Voltage Induction Motors // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2000. Vol. 47. No. 2. P. 396-402.

16. Kim J.S. Evaluation of Cable Aging Degradation Based on Plant Operating Condition // Journal of Nuclear Science and Technology. 2005. Vol. 42. No. 8. P. 745-753.

17. Lahoud N. Lifetime Model of the Inverter-Fed Motors Secondary Insulation by Using a Design of Experiments // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2015. Vol. 22. No. 6. P. 3170-3176.

18. Sili E. Polyimide Lifetime under Partial Discharge Aging: Effects of Temperature, Pressure and Humidity // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2013. Vol.

20. No. 2. P. 435-442.

19. Смирнов Г.В. Надежность изоляции обмоток электротехнических изделий. Омск: Изд-во Том. ун-та, 1990. 192 с.

20. Куклева Л.Е., Похолков Ю.П., Шамшур В.М. Влияние теплового старения на образование дефектов в изоляции эмаль-проводов. Томск: Известия ТПУ 1974. Т. 282. С. 52-54.

21. Niasar M.G. Partial Discharges in a Cavity Embedded in Oil-Impregnated Paper: Effect of Electrical and Thermal Aging // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2015. Vol. 22. No. 2. P. 1071-1079.

22. Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. Л.: Энергия, 1979. 224 с.

23. Wang P. The Influence of Repetitive Square Wave Voltage Parameters on Enameled Wire Endurance // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2014. Vol.

21. No. 3. P. 1276-1284.

24. Stone G. Inverter-Fed Drives: Which Mator Starors Are at Risk? // IEEE Industry Applications Magazine. 2000.

25. Stone G.C., Lloyd B.A. IIEC Standards for Variable Speed Drives and Motor Winding Insulation. 2018. P. 1-4.

26. Gupta B.K. Degradation of Turn Insulation in Motor Coils under Repetitive Surges // IEEE Transactions on Energy Conversion. 1990. Vol. 5. No. 2. P. 320-326.

27. Brutsch R., Weyl P. A New Winding Wire for Inverter Driven Motors. 2002.

28. Culbert I. Experience with Partial Discharge Testing during Voltage Surges as Required by IEC 60034-18-41 and 60034-18-42 // IEEE Conference Record of Annual Pulp and Paper Industry Technical Conference. 2009. P. 156-160.

29. Montanari G.C. et al. Partial Discharge and Life Behavior of Rotating Machine Wire Insulation under PWM Waveforms: The Influence of Inverter Characteristics // 2017 IEEE Electrical Insulation Conference, EIC 2017. 2017. No. June. P. 161-164.

30. Montanari G.C. Partial Discharge and Life Behavior of Rotating Machine Wire Insulation under PWM Waveforms: The Influence of Inverter Characteristics // 2017 IEEE Electrical Insulation Conference, EIC 2017. 2017. No. June. P. 161-164.

31. Montanari G.C., Ciani F. Inverter Design and Partial Discharge Phenomenology in Insulation Systems of Rotating Machines // 2017 IEEE International Electric Machines and Drives Conference, IEMDC 2017. 2017.

32. Guastavino F. Electrical Aging Test and Repetitive Partial Discharge Inception Voltage on Random Wire Wound Winding Insulation // 2014 IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, CEIDP 2014. 2014. P. 510-513.

33. Billard T. Recent Advances in On-Line PDs'detection in Power Conversion Chains Used in Aeronautics // Proceedings-2017. IEEE Workshop on Electrical Machines Design, Control and Diagnosis, WEMDCD 2017. 2017. P. 281-289.

34. Hammarstrom T.J.A. Partial Discharge Characteristics at Ultra-Short Voltage Risetimes / // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2018. Vol. 25. No. 6. P. 2241-2249.

35. Roger D. A Proposition for Improving the Design of Motor Windings for Low-Pressure Environment // 2018 IEEE Trans-portation and

Electrification Conference and Expo, ITEC 2018. 2018. Vol. 1. P. 406-411.

36. Guastavino F. Effect of Thermal Stress over the Partial Discharge Inception Voltage on Twisted Pairs // Annual Report — Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, CEIDP. 2020. Vol. 2020-0ctob. P. 366-368.

37. Roy M. Polymer nanocomposite Dielectrics — The Role of the Interface // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2005. Vol. 12. No. 4. P. 629-642.

38. Shehata F. Preparation and Characteristics of Cu-Al2O3 // Nanocomposite. 2011. Vol. 2011. No. December. P. 25-33.

39. Guastavino F. A Review on the Comparison of Conventional and Corona Resistant Nanofilled Enamels // Proceedings — 2021 IEEE Workshop on Electrical Machines Design, Control and Diagnosis, WEMDCD 2021. 2021. P. 213-218.

40. Koliatene F. Impact of the Aeronautic Environment on the Partial Discharges Ignition: A Basic Study // Conference Record of IEEE International Symposium on Electrical Insulation. 2008. P. 603-606.

41. Kikuchi H. Development of Polyamide-Imide/Silica Nanocomposite Enameled Wire // Electronics and Communications in Japan. 2013. Vol. 96. No. 6. P. 41-48.

42. Kikuchi H., Hanawa H. Inverter Surge Resistant Enameled Wire with Nanocomposite Insulating Material // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2012. Vol. 19. No. 1. P. 99-106.

43. Yoo J. Surge-Resistant Nanocom-posite Enameled Wire Using Silica Nanoparticles with Binary Chemical Compositions on the Surface // Journal of Nanomaterials. 2015. Vol. 2015.

44. Amin M., Ali M. Polymer Nano-composites for High Voltage Outdoor Insulation Applications // Reviews on Advanced Materials Science. 2015. Vol. 40. No. 3. P. 276-294.

45. Florkowska B. Experimental Evaluation of Breakdown Voltage and Life Time for Models of the Low Voltage Electrical Motors Windings // Przeglad Elektrotechniczny. 2016. Vol. 92. No. 10. P. 21-25.

46. Minnick M.G. The Effect of Winding Stresses on the Pulse Endurance of Corona Resistant Magnet Wire. 2004. P. 19-22.

47. Guastavino F. Electrical Aging Tests on Different Kind of Insulating Systems Adopted for Induction Stator Motor // Annual Report — Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, CEIDP. 2015. Vol. 2015-Decem. P. 808-811.

48. Arora T.G., Aware M.V. Life Model for PWM Controlled Induction Motor Insulation using Design of Experiments Method // Electric Power Components and Systems. 2019. Vol. 47. No. 1-2. P. 153-163.

49. Frost N. Considerations for Rotating Low-Voltage Machine Insulation Designs // Conference Record of IEEE International Symposium on Electrical Insulation. 2008. P. 571-574.

50. Liao R. The Process of Creeping Discharge-Caused Damage on Oil/Pressboard Insulation // Turkish Journal of Electrical Engineering and Computer Sciences. 2016. Vol. 24. No. 3. P. 1434-1445.

51. ГОСТ IEC / TS 60034-18-42-2014. Квалификационные и приемочные испытания для систем электроизоляции, стойких к частичному разряду, типа II, используемых во вращающихся электрических машинах с питанием от преобразователей источника напряжения. М.: Стандар-тинформ, 2014. 28 с.

52. ГОСТ IEC/TS 60034-25-2017. Машины электрические вращающиеся. Часть 25 Электрические машины переменного тока, используемые в системах силового привода. Руководство по применению. М.: Стандартинформ, 2017. 73 с.

53. ГОСТ IEC/TS 61800-8-2017. Электрические приводные системы с регулируемой скоростью. Часть 8. Спецификация напряжения на силовом сопряжении. М.: Стандартинформ, 2017. 53 с.

54. Schinkel M. Efficient HF Modeling and Model Parameterization of Induction Machines for Time and Frequency Domain Simulations // Conference Proceedings — IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition — APEC. 2006. Vol. 2006. P. 1181-1186.

55. Sundeep S. Peak Voltage Stress on Stator Winding in PWM Inverter Fed Drives // Proceedings — 2020 International Conference on Electrical Machines, ICEM 2020. 2020. P. 1579-1585.

56. Heidler B. High-Frequency Model and Parameter Identification of Electrical Machines

Using Numerical Simulations // Proceedings — 2015. IEEE International Electric Machines and Drives Conference, IEMDC 2015. 2016. P. 1221-1227.

57. Boglietti A., Carpaneto E. An Accurate Induction Motor High-Frequency Model for Electromagnetic Compatibility Analysis // Electric Power Components and Systems. 2001. Vol. 29. No. 3. P. 191-209.

58. Ryu Y., Han K.J. Improved Transmission Line Model of the Stator Winding Structure of an AC Motor Considering High-Frequency Conductor and Dielectric Effects // 2017 IEEE International Electric Machines and Drives Conference, IEMDC 2017. 2017. No. 1.

59. May N. Induction Motor and PMSM Models with High-Frequency Effect. 2020. P. 1-14.

60. Boglietti A., Carpaneto E. An Accurate High Frequency Model of AC PWM Drive Systems for EMC Analysis // Conference Record — IAS Annual Meeting (IEEE Industry Applications Society). 2001. Vol. 2. No. C. P. 1111-1117.

61. Liu Y. Overvoltage Mitigation of Submersible Motors with Long Cables of Different Lengths // 2014 17th International Conference on Electrical Machines and Systems, ICEMS 2014. 2014. Vol. 1. No. 1. P. 638-644.

62. Riding the Reflected Wave-IGBT Drive Technology Demands New Motor and Cable Considerations // Proceedings of 1996 IAS Petroleum and Chemical Industry Technical Conference. 1996. P. 75-84.

63. Petrarca C. Analysis of the Voltage Distribution in a Motor Stator Winding Subjected to Steep-Fronted Surge Voltages by Means of a Multiconductor Lossy Transmission Line Model // IEEE Transac-tions on Energy Conversion. 2004. Vol. 19. No. 1. P. 7-17.

64. Guardado J.L., Cornick K.J. Calculation of Machine Winding Electrical Parameters at High Frequencies for Switching Transient Studies // IEEE Transactions on Energy Conversion. 1996. Vol. 11. No. 1. P. 33-40.

65. Ватаев А.С. Высокочастотные электромагнитные процессы и перенапряжения в частотно-регулируемых асинхронных электродвигателях с короткозамкнутым ротором: дисс. ... канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2009. 188 с.

66. Осипов П.П. Цилиндрический линейный асинхронный привод с частотным управлением: дисс. ... канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2001. 264 с.

67. Супуева А.С. Снижение дефектности межвитковой изоляции обмоток низковольтных асинхронных электродвигателей: дисс. ... канд. техн. наук. Томск, 2016. 121 с.

68. Сушков В.В.Оценка остаточного ресурса изоляции погружного электродвигателя установок электрических центробежных насосов добычи нефти при воздействиях импульсных перенапряжений // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2017. Т. 328, № 10. С. 74-80.

69. Gavrilenko V. Characterization of Winding Insulation of Electrical Machines Fed by Voltage Waves with High dV/dt. Université Paris-Saclay; Université polytechnique de Tomsk (Russie), 2020.

70. Сухачев И.С. Совершенствование защиты от импульсных перенапряжений электротехнического комплекса погружных установок электроцентробежных насосов добычи нефти: дисс. ... канд. техн. наук. Томск, 2018. 131 с.

71. Дудкин А.Н., Леонов А.П., Супуева А.С. Влияние дефектов в межвитковой изоляции на ее стойкость к эксплуатационным нагрузкам, характерным для энергоэффективных способов управления электротехническим оборудованием. Томск: Известия ТПУ, 2015. Т. 326. № 11. C. 83-89.

72. Leonov A.P. Determination of Enamel Insulation Corona Resistance by High-Frequency Modulated Pulses // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2015. Vol. 81. No. 1.

73. Bolgova V. Effect of High Switching Frequencies on Enamel Insulation Degradation of Motors Fed by SiC-based Inverters // Proceedings of the 2020 IEEE 3rd International Conference on Dielectrics, ICD 2020. 2020. P. 106-109.

74. Bolgova V. Essais de tenue d'isolation entre spires pour enroulements de machines électriques alimentées par des ondes de tension à très forts dV/dt. 2018. No. Sge. P. 3-5.

75. Bolgova V. Influence of VFD Parameters on Voltage Stresses in Low Voltage Windings // 2016 57th International Scientific

Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University, RTUCON 2016. 2016.

76. Leonov A. Estimation of Winding Insulation Resistance to the Corona Discharges // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2014. Vol. 66. No. 1.

77. Bolgova V. Development of Testing Methods for Winding Turn-To-Turn Insulation of Low Voltage Motors Fed by PWM Converters // 2017 19th European Conference on Power Electronics and Applications, EPE 2017 ECCE Europe. 2017. Vol. 2017-January. No. 1.

78. Garganeev A. Simulation of the Aging Process of Insulating Systems Variable Frequency Drive // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 135. No. 1.

79. Leonov A. Influence of Defects in Windings Insulation on Its Operation Reliability // EEEIC 2016 — International Conference on Environment and Electrical Engineering. 2016. P. 4-7.

80. Leonov A.P., Maryin S.S. Estimation of Reliability System Insulation of Low-Voltage Machines at a Stage of Designing, Manufacture and While in Service. P. 282-283.

81. Пат. 2491565 РФ, МПК G01R 31/12. Способ определения стойкости изоляции эмалированных проводов к поверхностным разрядам / А.П. Леонов, А.А. Коробцов,

A.С. Супуева (РФ). № 2012109972/28, заявлено 14.03.2012; опубл. 27.08.2013. Бюл. № 24.

82. Пат. 2630549 РФ, МПК G 01 R 31/14. Устройство для определения стойкости изоляции эмалированных проводов к коронным разрядам / А.П. Леонов, В.В. Редько, Д.И. Чарков, Е.Ю. Солдатенко (РФ). № 2016116657, заявл. 27.04.2016; опубл. 11.09.2017. Бюл. № 26.

83. Пат. 2723227 РФ, МПК G01 R31/12 . Устройство для определения стойкости сте-кловолокнистой или пленочной изоляции обмоточных проводов к коронным разрядам / А.П. Леонов, С.В. Колесников, Д.И. Чарков,

B.В. Редько (РФ). № 2020100218, заявл. 31.12.2019; опубл. 09.06.2020. Бюл. № 16.

References

1. Sokolovskii G.G. Elektroprivody pere-mennogo toka s chastotnym regulirovaniem

[Frequency Controlled AC Electric Drives]. Moscow, Academia Publ., 2006. 265 p. [in Russian].

2. Bulgakov A.A. Chastotnoe uprav-lenie asinkhronnymi dvigatelyami [Frequency Control of Asynchronous Motors]. Moscow, Energoizdat Publ., 1982. 216 p. [in Russian].

3. Anuchin A.S. Sistemy upravleniya elektroprivodov: uchebnoe posobie [Electric Drive Control Systems : Textbook]. Moscow, Izdatel'skii dom MEI, 2015. 373 p. [in Russian].

4. Il'inskii N.F. Osnovy elektroprivoda: uchebnoe posobie dlya vuzov [Fundamentals of Electric Drive : a Textbook for Universities]. Moscow, Izdatel'skii dom MEI, 2017. 224 p. [in Russian].

5. Karmakar S. Induction Motor Fault Diagnosis. ISA Transactions, 2016, Vol. 2, No. 5, pp. 1441-1451.

6. Bernshtein L.M. Izolyatsiya elektri-cheskikh mashin obshchepromyshlennogo primeneniya [Insulation of Electric Machines of General Industrial Application]. Moscow, Enregoizdat Publ., 1981. 367 p. [in Russian].

7. Ermolin N.P. Nadezhnost' elektri-cheskikh mashin [Reliability of Electric Machines]. Leningrad, Energiya Publ., 1976. 248 p. [in Russian].

8. Kaufhold M. Failure Mechanism of the Interturn Insulation of Low Voltage Electric Machines Fed by Pulse-Controlled Inverters. IEEE Electrical Insulation Magazine, 1996, Vol. 12, No. 5, pp. 9-16.

9. GOST 60034-18-41 — IEC/TS 2014. Kvalifikatsionnye i tipovye ispytaniya dlya sistem elektroizolyatsii tipa I, ispol'zuemykh vo vrashchayushchikhsya elektricheskikh mashinakh s pitaniem ot preobrazovatelei istochnika napryazheniya [State Standard 60034-18-41 — IEC/TS 2014. Qualification and Type Tests for Type I Electrical Insulation Systems Used in Rotating Electric Machines Powered by Voltage Source Converters]. Moscow, Standartinform Publ., 2014. 31 p. [in Russian].

10. Montanari G.C., Seri P. The Effect of Inverter Characteristics on Partial Discharge and Life Behavior of Wire Insulation. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2018, Vol. 34, No. 2, pp. 32-39.

11. Montanari G.C. Prospects for Increasing Supply Voltage and Design of Electrical Field

Rotating Machine Windings Supplied from Power Electronics. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2020, Vol. 36, No. 3, pp. 31-38.

12. Yin W. Failure Mechanism of Win-ding Insulations in Inverter-Fed Motors. IEEE Electrical Insulation Magazine, 1997, Vol. 13, No. 6, pp. 18-23.

13. Montanari G.C. Partial Discharge and Aging of AC Cable Systems under Repetitive Voltage Transient Supply. 34th Electrical Insulation Conference, EIC 2016, 2016, No. June, pp. 379-382.

14. Wang L. High-Frequency Modeling of the Long-Cable-Fed Induction Motor Drive System Using TLM Approach for Predicting Overvoltage Transients. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, Vol. 25, No. 10, pp. 2653-2664.

15. Kaufhold M. Electrical Stress and Failure Mechanism of the Winding Insulation in PWM-Inverter-Fed Low-Voltage Induction Motors. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2000, Vol. 47, No. 2, pp. 396-402.

16. Kim J.S. Evaluation of Cable Aging Degradation Based on Plant Operating Condition. Journal of Nuclear Science and Technology, 2005, Vol. 42, No. 8, pp. 745-753.

17. Lahoud N. Lifetime Model of the Inverter-Fed Motors Secondary Insulation by Using a Design of Experiments, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2015, Vol. 22, No. 6, pp. 3170-3176.

18. Sili E. Polyimide Lifetime under Partial Discharge Aging: Effects of Tem-perature, Pressure and Humidity. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2013, Vol. 20, No. 2, pp. 435-442.

19. Smirnov G.V. Nadezhnost' izolyatsii obmotok elektrotekhnicheskikh izdelii [Reliability of Insulation of Windings of Electrical Equipment]. Omsk, Izd-vo Tom. un-ta, 1990. 192 p. [in Russian].

20. Kukleva L.E., Pokholkov Yu.P., Shamshur V.M. Vliyanie teplovogo stareniya na obrazovanie defektov v izolyatsii emal'-provodov [The Effect of Thermal Aging on the Formation of Defects in the Insulation of Enamel Wires]. Izvestiya TPU, 1974, Vol. 282, pp. 52-54. [in Russian].

21. Niasar M.G. Partial Discharges in a Cavity Embedded in Oil-Impregnated Paper: Effect of Electrical and thermal Aging. IEEE

Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2015, Vol. 22, No. 2, pp. 1071-1079.

22. Kuchinskii G.S. Chastichnye razryady v vysokovol'tnykh konstruktsiyakh [Partial Discharges in High-Voltage Structures]. Leningrad, Energiya Publ., 1979. 224 p. [in Russian].

23. Wang P. The Influence of Repetitive Square Wave Voltage Parameters on Enameled Wire Endurance. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2014, Vol. 21, No. 3, pp. 1276-1284.

24. Stone G. Inverter-Fed Drives: Which Mator Starors Are at Risk? IEEE Industry Applications Magazine, 2000.

25. Stone G.C., Lloyd B.A. IIECStandards for Variable Speed Drives and Motor Winding Insulation. 2018, pp. 1-4.

26. Gupta B.K. Degradation of Turn Insulation in Motor Coils under Repetitive Surges. IEEE Transactions on Energy Conversion, 1990, Vol. 5, No. 2, pp. 320-326.

27. Brutsch R., Weyl P. A New Winding Wire for Inverter Driven Motors. 2002.

28. Culbert I. Experience with Partial Discharge Testing during Voltage Surges as Required by IEC 60034-18-41 and 60034-1842. IEEE Conference Record of Annual Pulp and Paper Industry Technical Confe-rence, 2009, pp. 156-160.

29. Montanari G.C. et al. Partial Dis-charge and Life Behavior of Rotating Machine Wire Insulation under PWM Waveforms: The Influence of Inverter Characteristics. 2017 IEEE Electrical Insulation Conference, EIC 2017, 2017, No. June, pp. 161-164.

30. Montanari G.C. Partial Discharge and Life Behavior of Rotating Machine Wire Insulation under PWM Waveforms: The Influence of Inverter Characteristics. 2017 IEEE Electrical Insulation Conference, EIC 2017, 2017, No. June, pp. 161-164.

31. Montanari G.C., Ciani F. Inverter Design and Partial Discharge Phenomenology in Insulation Systems of Rotating Machines. 2017 IEEE International Electric Machines and Drives Conference, IEMDC 2017, 2017.

32. Guastavino F. Electrical Aging Test and Repetitive Partial Discharge Inception Voltage on Random Wire Wound Winding Insulation. 2014 IEEE Conference on Electrical Insulation

and Dielectric Phenomena, CEIDP 2014, 2014, pp. 510-513.

33. Billard T. Recent Advances in On-Line PDs'Detection in Power Conversion Chains Used in Aeronautics. Proceedings-2017. IEEE Workshop on Electrical Machines Design, Control and Diagnosis, WEMDCD 2017, 2017, pp. 281-289.

34. Hammarstrom T.J.A. Partial Discharge Characteristics at Ultra-Short Voltage Risetimes. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2018, Vol. 25, No. 6, pp. 2241-2249.

35. Roger D. A Proposition for Improving the Design of Motor Windings for low-Pressure Environment. 2018 IEEE Transportation and Electrification Conference and Expo, ITEC 2018, 2018, Vol. 1, pp. 406-411.

36. Guastavino F. Effect of Thermal Stress over the Partial Discharge Inception Voltage on Twisted Pairs. Annual Report — Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, CEIDP, 2020, Vol. 2020-0ctob., pp. 366-368.

37. Roy M. Polymer Nanocomposite Dielectrics — The Role of the Interface. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2005, Vol. 12, No. 4, pp. 629-642.

38. Shehata F. Preparation and Characteristics of Cu-Al2O3. Nanocomposite, 2011, Vol. 2011, No. December, pp. 25-33.

39. Guastavino F. A Review on the Comparison of Conventional and Corona Resistant Nanofilled Enamels. Proceedings — 2021 IEEE Workshop on Electrical Machines Design, Control and Diagnosis, WEMDCD 2021, 2021, pp. 213-218.

40. Koliatene F. Impact of the Aeronautic Environment on the Partial Discharges Ignition: A Basic Study. Conference Record of IEEE International Symposium on Electrical Insulation, 2008, pp. 603-606.

41. Kikuchi H. Development of Polya-mide-Imide/Silica Nanocomposite Enameled Wire. Electronics and Communications in Japan, 2013, Vol. 96, No. 6, pp. 41-48.

42. Kikuchi H., Hanawa H. Inverter Surge Resistant Enameled Wire with Nanocomposite Insulating Material. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2012, Vol. 19, No. 1, pp. 99-106.

43. Yoo J. Surge-Resistant Nanocomposite Enameled Wire Using Silica Nanoparticles with

Binary Chemical Compositions on the Surface. Journal of Nanomaterials, 2015, Vol. 2015.

44. Amin M., Ali M. Polymer Nanocom-posites for High Voltage Outdoor Insulation Applications. Reviews on Advanced Materials Science, 2015, Vol. 40, No. 3, pp. 276-294.

45. Florkowska B. Experimental Evaluation of Breakdown Voltage and Life Time for Models of the Low Voltage Electrical Motors Windings. Przeglad Elektrotechniczny, 2016, Vol. 92, No. 10, pp. 21-25.

46. Minnick M.G. The Effect of Winding Stresses on the Pulse Endurance of Corona Resistant Magnet Wire. 2004, pp. 19-22.

47. Guastavino F. Electrical Aging Tests on Different Kind of Insulating Systems Adopted for Induction Stator Motor. Annual Report — Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, CEIDP, 2015, Vol. 2015-Decem., pp. 808-811.

48. Arora T.G., Aware M.V. Life Model for PWM Controlled Induction Motor Insulation using Design of Experiments Method. Electric Power Components and Systems, 2019, Vol. 47, No. 1-2, pp. 153-163.

49. Frost N. Considerations for Rotating Low-Voltage Machine Insulation Designs. Conference Record of IEEE International Symposium on Electrical Insulation, 2008, pp. 571-574.

50. Liao R. The Process of Creeping Discharge-Caused Damage on Oil/Pressboard Insulation. Turkish Journal of Electrical Engineering and Computer Sciences, 2016, Vol. 24, No. 3, pp. 1434-1445.

51. GOST IEC / TS 60034-18-42-2014. Kvalifikatsionnye ipriemochnye ispytaniya dlya sistem elektroizolyatsii, stoikikh k chastichnomu razryadu, tipa II, ispol'zuemykh vo vrash-chayushchikhsya elektricheskikh mashinakh s pitaniem ot preobrazovatelei istochnika napryazheniya [GOST IEC / TS 60034-18-42 — Qualification and Acceptance Tests for Electrical Insulation Systems Resistant to Partial Discharge , Type II , Used in Rotating Electric Machines Powered by Voltage Source Converters]. Moscow, Standartinform, 2014. 28 p. [in Russian].

52. GOSTIEC/TS 60034-25-2017. Mashiny elektricheskie vrashchayushchiesya. Chast' 25 Elektricheskie mashiny peremennogo toka, ispol'zuemye v sistemakh silovogo privoda.

Rukovodstvo po primeneniyu [State Standard IEC/TS 60034-25-2017. Electric Rotating MACHINES. Part 25. AC Electric Machines Used in Power Drive Systems. Application Guide]. Moscow, Standartinform Publ., 2017. 73 p. [in Russian].

53. GOST IEC/TS 61800-8-2017. Elektricheskie privodnye sistemy s reguli-ruemoi skorost'yu. Chast' 8. Spetsifikatsiya napryazheniya na silovom sopryazhenii [State Standard IEC/TS 61800-8-2017. Electric Drive Systems with Adjustable Speed. Part 8. Specification of the Voltage at the Power Interface]. Moscow, Standartinform Publ., 2017. 53 p. [in Russian].

54. Schinkel M. Efficient HF Modeling and Model Parameterization of Induction Machines for Time and Frequency Domain Simulations. Conference Proceedings—IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition -APEC, 2006, Vol. 2006, pp. 1181-1186.

55. Sundeep S. Peak Voltage Stress on Stator Winding in PWM Inverter Fed Drives. Proceedings — 2020 International Conference on Electrical Machines, ICEM 2020, 2020, pp. 1579-1585.

56. Heidler B. High-Frequency Model and Parameter Identification of Electrical Machines Using Numerical Simulations. Proceedings — 2015. IEEE International Electric Machines and Drives Conference, IEMDC 2015, 2016, pp. 1221-1227.

57. Boglietti A., Carpaneto E. An Accurate Induction Motor High-Frequency Model for Electromagnetic Compatibility Analysis. Electric Power Components and Systems, 2001, Vol. 29, No. 3, pp. 191-209.

58. Ryu Y., Han K.J. Improved Transmission Line Model of the Stator Winding Structure of an AC Motor Considering High-Frequency Conductor and Dielectric Effects. 2017 IEEE International Electric Machines and Drives Conference, IEMDC 2017, 2017, No. 1.

59. May N. Induction Motor and PMSM Models with High-Frequency Effect, 2020, pp. 1-14.

60. Boglietti A., Carpaneto E. An Accurate High Frequency Model of AC PWM Drive Systems for EMC Analysis. Conference Record

- IAS Annual Meeting (IEEE Industry Applications Society), 2001, Vol. 2, No. C, pp.1111-1117.

61. Liu Y. Overvoltage Mitigation of Submersible Motors with Long Cables of Different Lengths. 201417th International Conference on Electrical Machines and Systems, ICEMS 2014, 2014, Vol. 1, No. 1, pp. 638-644.

62. Riding the Reflected Wave-IGBT Drive Technology Demands New Motor and Cable Considerations. Proceedings of 1996 IAS Petroleum and Chemical Industry Technical Conference, 1996, pp. 75-84.

63. Petrarca C. Analysis of the Voltage Distribution in a Motor Stator Winding Subjected to Steep-Fronted Surge Voltages by Means of a Multiconductor Lossy Transmission Line Model. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2004, Vol. 19, No. 1, pp. 7-17.

64. Guardado J.L., Cornick K.J. Calculation of Machine Winding Electrical Parameters at High Frequencies for Switching Transient Studies. IEEE Transactions on Energy Conversion, 1996, Vol. 11, No. 1, pp. 33-40.

65. Vataev A.S. Vysokochastotnye elektro-magnitnye protsessy i perenapryazheniya v chastotno-reguliruemykh asinkhronnykh elektrodvigatelyakh s korotkozamknutym rotorom: diss. ... kand. tekhn. nauk [High-Frequency Electromagnetic Processes and Overvoltages in Frequency-Controlled Asynchronous Motors with a Short-Circuited Rotor. Cand. Diss. Abstract]. Saint-Petersburg, 2009. 188 p. [in Russian].

66. Osipov P.P. Tsilindricheskii lineinyi asinkhronnyi privod s chastotnym upravleniem: diss. ... kand. tekhn. nauk [Cylindrical Linear Asynchronous Drive with Frequency Control]. Saint-Petersburg, 2001. 264 p. [in Russian].

67. Supueva A.S. Snizhenie defektnosti mezhvitkovoi izolyatsii obmotok nizkovol'tnykh asinkhronnykh elektrodvigatelei: diss. ... kand. tekhn. nauk [Reducing the Defect of the Inter-Turn Insulation of the Windings of Low-Voltage Asynchronous Electric Motors]. Tomsk, 2016. 121 p.

68. Sushkov V.V.Otsenka ostatochnogo resursa izolyatsii pogruzhnogo elektro-dvigatelya ustanovok elektricheskikh tsentro-bezhnykh nasosov dobychi nefti pri voz-deistviyakh impul'snykh perenapryazhenii [Evaluation of Submersible Electric Motor Insulation Residual Resource in Oil Production Electric Centrifugal Pumps under the Influence of Impulse Overvoltages]. Izvestiya Tomskogo

politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov—Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2017, Vol. 328, No. 10, pp. 74-80. [in Russian].

69. Gavrilenko V. Characterization of Winding Insulation of Electrical Machines Fed by Voltage Waves with High dV/dt. Université Paris-Saclay; Université polytechnique de Tomsk (Russie), 2020.

70. Sukhachev I.S. Sovershenstvovanie zashchity ot impul'snykh perenapryazhenii elektrotekhnicheskogo kompleksa pogruzhnykh ustanovok elektrotsentrobezhnykh nasosov dobychi nefti: diss. ... kand. tekhn. nauk [Improvement of Protection against Pulsed Overvoltages of the Electrical Complex of Submersible Installations of Electric Centrifugal Pumps of Oil Production]. Tomsk, 2018. 131 p. [in Russian].

71. Dudkin A.N., Leonov A.P., Supueva A.S. Vliyanie defektov v mezhvitkovoi izolyatsii na ee stoikost' k ekspluatatsionnym nagruzkam, kharakternym dlya energo-effektivnykh sposobov upravleniya elektro-tekhnicheskim oborudovaniem [The Influence of defects on the Winding Insulation Resistance to Operational Loads Inherent for Variable Frequency Drive]. Izvestiya TPUProceedings of Tomsk Polytechnic University. Georesource Engineering, 2015, Vol. 326, No. 11, pp. 83-89. [in Russian].

72. Leonov A.P. Determination of Enamel Insulation Corona Resistance by High-Frequency Modulated Pulses. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering,

2015, Vol. 81, No. 1.

73. Bolgova V. Effect of High Switching Frequencies on Enamel Insulation Degradation of Motors Fed by SiC-based Inverters. Proceedings of the 2020 IEEE 3rd International Conference on Dielectrics, ICD 2020, 2020, pp. 106-109.

74. Bolgova V. Essais de tenue d'isolation entre spires pour enroulements de machines électriques alimentées par des ondes de tension à très forts dV/dt. 2018, No. Sge, pp. 3-5.

75. Bolgova V. Influence of VFD Parameters on Voltage Stresses in Low Voltage Windings. 2016 57th International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University, RTUCON 2016,

2016.

76. Leonov A. Estimation of Winding Insulation Resistance to the Corona Discharges. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2014, Vol. 66, No. 1.

77. Bolgova V. Development of Testing Methods for Winding Turn-To-Turn Insulation of Low Voltage Motors Fed by PWM Converters. 2017 19th European Conference on Power Electronics and Applications, EPE 2017 ECCE Europe, 2017, Vol. 2017-January, No. 1.

78. Garganeev A. Simulation of the Aging Process of Insulating Systems Variable Frequency Drive. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2016, Vol. 135, No. 1.

79. Leonov A. Influence of Defects in Windings Insulation on Its Operation Reliability. EEEIC 2016 — International Conference on Environment and Electrical Engineering, 2016, pp. 4-7.

80. Leonov A.P., Maryin S.S. Estimation of Reliability System Insulation of Low-Voltage Machines at a Stage of Designing, Manufacture and While in Service. P. 282-283.

81. Leonov A.P., Korobtsov A.A., Supue-va A.S. Sposob opredeleniya stoikosti izolyatsii emalirovannykh provodov k poverkhnostnym razryadam [Method for Determining the Insulation Resistance of Enameled Wires to Surface Discharges]. Patent RF, No. 2491565, 2013. [in Russian].

82. Leonov A.P., Red'ko V.V., Charkov D.I., Soldatenko E.Yu. Ustroistvo dlya opredeleniya stoikosti izo-lyatsii emali-rovannykh provodov k koronnym razryadam [Device for Determining the Insulation Resistance of Enameled Wires to Corona Discharges]. Patent RF, No. 2630549, 2017. [in Russian].

83. Leonov A.P., Kolesnikov S.V., Charkov D.I., Red'ko V.V. Ustroistvo dlya oprede-leniya stoikosti steklovoloknistoi ili plenochnoi izolyatsii obmotochnykh provodov k koronnym razryadam [A Device for Determining the Resistance of Fiberglass or Film Insulation of Winding Wires to Corona Discharges]. Patent RF, No. 2723227, 2020. [in Russian].