电气应力与电场强度

对于额定电压低于1000V的电动机和发电机定子绕组，常规50/60 Hz工频的电气应力对绝缘老化的影响微乎其微。在这种低电压的定子及转子绕组中，绝缘厚度基本上取决于机械方面的考虑，即绝缘必须足够厚，以承受线圈绕组的严苛环境和绕组运行期间所受机械力。

额定电压高于1000V的常规50/60Hz定子绕组，其绝缘厚度首先取决于电场强度，即额定工频电压除以绝缘厚度[式（1.4）]。如果有局部放电（PD）存在，工频电压就会引起绝缘老化。在第1.4.4节中已经讨论过，局部放电是一些小的电火花，发生在绝缘内部的气泡中，或者线圈绝缘表面上。这些电火花包含电子和离子，轰击固体绝缘。构成绝缘的有机物（如薄膜、聚酯、沥青、环氧等）在这种轰击下，由于某些化学键（如碳-氢键）断裂（分离）而劣化；持续足够长时间以后，PD会在主绝缘有机质部分腐蚀出贯穿的孔洞，从而导致绝缘故障。

如果存在局部放电，则电场强度水平E（单位为kV/mm）和绝缘寿命L（单位为h）的关系，常用负幂函数电气模型^[6]表示：

L=cE^-n （2.2）

式中，c是常数；n被称作幂律常数。这个模型基于Eyring，还有其他一些人的工作^[7]。与热老化一样，电场强度也有一个阈值，处于阈值以下，实际上不会存在电场强度引起的老化。这个阈值就是局部放电的熄灭电压（DEV）。有时式（2.2）中的E可以替换成E-E₀，E₀为场强阈值，低于E₀则不会发生老化。如果把电场强度与故障前的持续时间之间的关系用双对数坐标纸画出来，该直线的斜率取决于于式（2.2）中的n。

幂律常数n对电机绝缘结构来说，一般为9～12^[8～10]。假定n=10，电场强度增加2倍，绝缘寿命会缩短1000倍。因此在局部放电发生时，电场强度（电压）对绝缘服役寿命有非常重大的影响。虽然n被视为常数，但有报告称n可能会随着电场强度的大小而改变^[11]。因此有时用一个指数模型表达电场强度对绝缘寿命的影响，例如：(www.xing528.com)

L=ae^bE （2.3）

式中，a、b为常数，不过，这个模型很少用于旋转电机绝缘。

与Arrhenius热应力模型一样，式（2.2）所表征的模型，原则上使得在高电场强度下加速老化试验的基础上，进行绝缘服役寿命计算成为可能。在第2.4节中我们将看到，人们开发出规范的程序，用于进行以局部放电故障过程为模型的电场强度耐受试验。这些试验是确定成型绕组定子线圈主绝缘厚度的基础。

另一种电气应力使绝缘老化的重要方式是，散嵌绕组定子或者同步电机转子的匝间绝缘上出现很多电压脉冲。采用脉宽调制技术（PWM）的电压源逆变器馈电驱动装置（IFD），能产生每秒数以万计的短上升沿的脉冲。正如第8.9和8.10节描述的那样，这些脉冲能够在定子绕组或风力机发电机转子绕组的头几匝上施加相对较高的电压。散嵌绕组电机绝缘较薄而且其中存在大量空气泡，额定电压低至440V的电机在IFD运行过程中，就已侦测到局部放电^[12，13]。这些放电会逐渐侵蚀有机膜绝缘，从而引发故障。即使没有局部放电，有人提出电场强度足够高时，在某些情况下也会发生空间电荷注入现象，尽管这似乎在电机绕组中不可能发生^[14，15]。随着每一次电压脉冲，这个过程都包含一次从铜导体表面缺陷处发射电子进入绝缘膜中。这种伴随着脉冲的重复电子注入，会破坏膜绝缘的化学键，最终足够多的化学键断裂引起击穿。在采用“静态励磁系统”的同步电机转子绕组中，使用晶闸管或其他电子开关器件获取直流。有报道说，由晶闸管和电子开关产生的电压脉冲会导致局部放电机制的绝缘老化现象^[16]（见第9.5、10.6和11.1节）。

因而，正如工频交流电气应力能使成型绕组定子绝缘老化那样，由电子开关设备产生的电压脉冲也会使定子、异步电动机的绕线转子和大型同步电机转子的绝缘老化。