超高速动车组牵引电机绝缘破坏影响机制及材料改性研究

动车组变频调速牵引电机是高速铁路牵引系统的核心，其绝缘系统是保障安全运行的关键。列车超高速运行产生的强温度场及变流器输出高频陡脉冲电压会对电机绝缘造成更大的冲击，急需建立具有可靠工作性能的绝缘系统。本项目拟研究纳米复合电介质在不同温度场下空间电荷输运特性的电导机制,探索空间电荷在局部高温区的累积特性；针对强温升效应对局部放电初始电子产生概率的影响，分析高频陡脉冲电压下局部放电的脉冲特性，探明残余电荷的弥散特性及其对后续放电的影响；解析强温度场致使载流子活性变化对其不断入陷和脱陷过程的影响，探明该过程影响介质放电、加速老化及绝缘破坏的机理；对现有绝缘材料改性制备多种纳米复合电介质试样，采用不同热导率及耐放电性能的复合电介质按不同绕包方式研制多种绝缘结构，探索能满足动车组超高速运行工况的新型绝缘系统。

变频调速牵引电机是动车组的核心部件之一，其绝缘系统是保障安全运行的关键。超高速列车是未来发展趋势，其产生的强温度场及变流器输出高频陡脉冲电压相较于普通高速列车对电机绝缘造成更大的冲击，急需建立更加稳定、可靠的绝缘系统。本课题通过研究强温度场和高频陡脉冲下变频电机绝缘系统失效机理以及材料的改性，为超高速动车组电机的绝缘系统设计提供了理论基础。主要研究内容及结果包括四个方面：.研究了牵引电机内部温度场分布及纳米复合绝缘材料在不同老化温度下空间电荷分布特性。结果表明，额定状态下牵引电机转子最高温度达到178℃，接近H级绝缘材料耐热极限；纳米粒子可抑制空间电荷在复合薄膜中的积累，且随着老化温度的上升，空间电荷在纳米薄膜内的积累密度变大，使纳米薄膜绝缘性能下降。.针对强温升效应对局部放电初始电子产生概率的影响，分析了高频陡脉冲电压下局部放电的脉冲特性，探明了残余电荷的弥散特性及其对后续放电的影响。结果表明，温度升高，加强了电荷的活性，增加了局部放电获得初始电子的概率；纳米填充物引入了更多的界面，减小了残余电荷的驻留效应，进而减弱了局部放电剧烈程度。此外，陡脉冲上升时间、频率以及占空比对局部放电特性影响巨大。.解析了强温度场下载流子活性的变化规律以及该过程影响介质放电、加速老化及绝缘破坏的机理。结果表明，热作用下聚酰亚胺环开环和醚键断裂会导致聚酰亚胺分子破坏，聚合度降低。同时，局部放电会首先侵蚀聚酰亚胺薄膜表层，接着逐渐向介质内部发展，形成并发展为贯穿性的放电通道，导致绝缘失效。.采用原位聚合法制备了聚酰亚胺纳米复合薄膜，研究了其耐电晕性能以及热传导机制。结果表明，纳米氧化铝粒子改性后，表面带官能团与聚酰亚胺基体间通过化学键连接，形成稳定的界面区域。高温会刺激受限的空间电荷和极性基团，改变纳米复合薄膜中的陷阱参量。此外，纳米粒子既增加电导率疏散电荷，又可形成保护层，减弱薄膜受电晕侵蚀的作用。同时，纳米粒子可提升薄膜导热性，在薄膜内部形成导热通道，降低因局部过热而导致的热击穿的可能性。