潜在绝缘缺陷的检测：驱动电机长期可靠性的关键
汽车行业正在经历深刻的变革，从内燃机向电动化动力总成转型，电机生产中质量和过程控制的要求也发生了重大转变。在汽车行业，驱动电机已随处可见，因而确保电机性能的长期可靠至关重要。
检测定子和转子绕组的绝缘缺陷关系到电机的工作效率和使用寿命。绝缘测试是一项重要工作，无论在设计阶段、试制优化阶段，还是在生产过程的质量控制阶段都十分重要。定子的同相匝间或相间或绕组与电机壳之间的绝缘缺陷可导致短路现象。一旦发生短路，电流所流经的路径的电阻将异常低。进而导致电机绕组电流过大，发热过多，最终损坏电机绕组。绝缘缺陷的后果是电机效率下降、功能异常，甚至失效。
为检测此类绝缘缺陷，监管部门要求进行专项检测，例如“浪涌”和“耐压”检测，这些检测必须在生产中100%完成，以确保最终产品质量。
然而，这些测试无法检测到部分绝缘缺陷，因为其仅可检测高能状态下可导致绝缘层击穿的绝缘失效问题。对于潜在缺陷，“耐压”检测不是合适的检测方法，而潜在缺陷可导致绝缘层在长时间运转后才出现击穿问题。尽管这些缺陷在初期并无危害，但最终可导致灾难性的失效，特别是变频器驱动的电机。因此，应使用灵敏和可靠的检测方法检测潜在缺陷。
轻微绝缘缺陷的种类十分广泛，因其无法产生大电流，在检测中无法被发现：比如，导线或发夹绝缘漆上的小气泡，定子线槽中绝缘纸的轻微撕裂，定子绕组本身浸渍的不完善或不完整，这些都可导致绝缘质量下降，但不足以导致短路。
如果检测发现这些缺陷似乎未导致短路，读者可能要问为什么还要费力进行检测。不幸的是，这些缺陷隐蔽的很深，我们将其称为潜在缺陷，在电机使用初期没有可见的危害，但可在短时间内触发绝缘层完全被击穿。
例如，两个发夹绝缘漆接触面上存在的小气泡，至少在最初不会产生大量电流，只有轻微放电，也即局部放电。然而，这些局部放电现象在每个电压峰值时都不断地重复，足以导致绝缘层的绝缘性能衰减，进而不可避免地导致击穿。击穿事故可能发生在使用数天或数月后，具体时间取决于潜在缺陷的大小和电机工况的恶劣程度。
如果电机工况下是由变频器驱动，击穿问题则尤其明显，例如驱动电机（不限于驱动电机），脉幅调制产生尖峰电压，其加剧了绝缘层的热应力和电气应力。
工况特别恶劣，加之汽车行业的质量控制十分严格，所以驱动电机的生产过程必须可靠避免潜在绝缘缺陷。
局部放电测试法是一种可靠的检测潜在缺陷的方法。用局部放电检测法进行绝缘状况分析首先用在产品设计和开发阶段。用实验室模式检测，逐渐提高电压进行重复检测，直到触发第一次局部放电现象，即可确定“PDIV局部放电起始电压”。需要注意的是，什么是电机应有的正常工况，其可取决于项目参数（例如，绝缘材质的选择）或工艺参数（例如，浸渍周期的时间长度），以确保相对起始电压充足的安全设计冗余。在设计和开发阶段进行这些检测，工程师可优化绝缘材质和生产工艺，确保充足的安全冗余。此外，在产线上进行这些检测可确保在标称电压下，无局部放电，进而确保最终产品的质量。
质量和过程控制需要在产线上100%地重复此检测，以验证在产品标称电压下无任何局部放电现象。
以上可见，重要的是用什么检测方法可以发现潜在绝缘缺陷所导致的局部放电现象，检测方法需要灵敏和可靠，且在实验室和在产线上都可使用。
事实上，可进行这类检测的技术有多种并可达到不错的工作性能；但其中的部分检测方法难以在生产环境下达到同样的可靠性！
马波斯比较了三种不同的检测方法，检测中使用正弦或脉冲电压测量三相定子产生的局部放电。马波斯考虑采用的三种方法都是IEC 61934标准中有关用脉冲电压的检测方法。
马波斯提议的电容耦合法是IEC 60270要求的检测方法，在用正弦电压检测期间，可用单位C库伦表征局部放电（PD）等级，正弦波频率可达400 Hz，因此，可直接比较不同检测设备的测量结果。正弦电压检测法用nC单位表征局部放电（PD）等级，而脉冲电压检测用mV表征。我们的所有设备都基于该方法。
天线法是基于对局部放电（PD）产生的电磁辐射的测量。测量结果只用mV表征。
高频电流互感器（HFCT）法是检测电缆（将电压输送到待测产品）中的电流峰值作为局部放电（PD）的结果。测量结果只用mV表征。
用三种方法测量局部放电（PD）等级，其结果难以直接比较，这是因为第二和第三种检测方法只有mV测量结果，其幅值取决于检测设备的内部工作情况，因此，除非执行专项校准程序，否则无法比较不同检测设备的结果。
然而，如果考虑局部放电起始电压（PDIV），则可比较这三种方法的测量结果。这是局部放电（PD）等级超过预定义阈值时的电压值（用正弦信号检测为rms值，用脉冲信号检测为峰值）。考虑到上述困难，也即难以比较不同测量方法的绝对结果，我们选择使用相对电压来比较，在此电压下局部放电（PD）信号的测量结果须与背景噪声显著不同。
基于电容耦合法的检测设备是马波斯e.d.c.的LT400检测仪。这款检测仪设计用于新产品设计阶段在实验室应用，以及产品定型开始生产前在质量管理部使用，以帮助其选择下线检测的理想检测参数。这款检测仪使用的软件与产线上检测仪使用的软件相同，可轻松将检测参数传到产线上。而且，LT400也是充当局部放电（PD）检测的高压发生器，确保精密和可靠的测量。
为进行此比对性分析，我们使用以200和500 MHz的UHF频段工作的设备，可接收天线或高频电流互感器（HFCT）的输入，确保充分的灵活性。PD模拟输出放大，经过简化后续处理，并最终可达成精确的局部放电（PD）测量。为直接比较两台检测仪的测量信号，将Picoscope数字信号采集示波器连接笔记本电脑并将输出到待测产品的高电压信号提供给两台检测仪。
检测发现，在线下检测中，三种局部放电检测方法基本相当，包括正弦和脉冲电压的线下检测。特别是，电容耦合法至少与天线法和HFCT的局部放电方法同样灵敏。
在外部电磁噪声抗干扰能力方面，电容耦合法的抗干扰能力更强，对干扰的敏感性很低，甚至可忽略不计，这是在电磁噪声严重的环境中使用的显著优势，例如工厂。另一方面，天线和高频电流互感器（HFCT）的传感器对噪声更敏感，对于其所处的检测环境，噪声不可避免。
电容耦合法的另一个优点是检测方案的校准十分简单且可靠，因此，可比对不同检测仪的测量结果。无论是正弦还是脉冲电压检测，都可用校准仪校准，校准器输出与预定义的局部放电等级相对应的信号，正弦电压检测用nC表征，脉冲电压检测用mV表征。
可靠的局部放电（PD）测量解决方案的需求在不断提高，电容耦合法是一种可靠且灵活通用的测量方法，测量精度高，可有效避免外部噪声的干扰。而天线和高频电流互感器（HFCT）等其它测量方法可提供有价值的信息，但易受噪声影响，可见，为特定使用场景选择合适的测量技术十分重要。
检测潜在绝缘缺陷是确保驱动电机长期可靠工作的基础要求。局部放电检测是识别潜在绝缘缺陷的灵敏且可靠的方案，因此，可有效避免潜在绝缘失效。制造商在实验室和产线环境中使用此检测方法，可确保严格的质量标准，从而为汽车行业提供坚固耐用的电机产品。
马波斯e.d.c. LT400是创新的检测方案，为提高局部放电（PD）测量技术提供了坚实的基础，从而确保电气系统的可靠和安全。马波斯为电动化动力总成的生产过程提供全新技术和方法，从而帮助工程师和研发人员在电动车领域不断推陈出新。