的奇数倍时将发生谐振，即导体中的电流和电压有90°的相位差，如图1b所示。摘要 特高频（UHF）检测法是变频电机绝缘诊断局部放电（PD）的重要方法，采集得到的PD信号电磁频谱与放电类型、传感器天线及信号接收装置密切相关，然而，传统方法难以判定PD信号是绕组绝缘放电特征，还是绝缘绕组作为发射天线的辐射特性。该文将聚酰亚胺单点交叉试样作为偶极子天线，利用高频电磁仿真软件计算天线谐振频率，分析不同长度、不同交叉角度下试样天线的辐射特性；然后利用宽频天线（0.5～2 GHz的阿基米德螺旋天线）搭建PD检测实验平台，研究试样天线长度、实验环境和方波脉冲电压参数对PD信号频域特性的影响。在此基础上，仿真分析扁线电机定子匝间绝缘局部放电的电磁辐射特性，依据IEC 60034-18-41标准对匝间绝缘和主绝缘施加相应的方波脉冲电压，利用宽频天线进行PD检测。结果表明，单点交叉试样天线的计算谐振频率f1、仿真谐振频率f2和PD信号频域f3基本一致，且均随试样天线的增长往低频域移动；10 cm的单点交叉试样天线的仿真谐振频率为2.15 GHz，此试样下实验得到的PD频域信息缺失，时域幅值大幅下降。可以得出，电机匝间绝缘的放电特性与其作为发射天线的辐射特性相关。
关键词：变频电机 绝缘系统 局部放电 重复方波脉冲电压 UHF天线
以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带电力电子器件将进一步提升未来电气设备的效率和功率密度，有助于减轻电动汽车/飞机质量，增加续航里程，提高巡航能效，实现减排降噪。变频驱动下电气设备的绝缘系统将承受ns级极短上升时间的脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）电压[1-2]。电机绝缘系统在热[3]、电[4-5]、环境[6-7]、机械四大应力的冲击下，发生局部放电（Partial Discharge, PD）的概率将增大，系统的安全性能面临着更大挑战。随着电力电子驱动技术的发展，绝缘可靠性已成为制约变频电机向高频、高压及高功率密度发展的重要因素。
为保证电机安全可靠运行，国际电工技术委员会（International Electro-technical Commission, IEC）制定电机绝缘故障诊断和状态监测测试标准[8-10]。对于低压变频电机（Type Ⅰ），根据IEC 60034- 18-41[8]标准必须在电机出厂前进行绝缘系统的局部放电起始放电电压（Partial Discharge Inception Voltage, PDIV）测试，以保证其在运行期间不发生局部放电。根据IEC 60034-27-5[9]标准进行局部放电测试时，主绝缘和相间绝缘分别承受逆变器输出的相电压和线电压；对于匝间绝缘，直接承受逆变器输出的脉宽调制电压，绕组匝间的电压分布不均。因此，测试电压须采用与电机端部电压具有相似上升速率的重复方波脉冲电压。
通过局部放电实验能够诊断电机定子绕组线圈松动和污染等原因引起的绝缘电老化和热老化现象。在PD发生过程中同时伴随产生超声波、电磁波、光、热、化学物质等各种理化现象。其中，PD产生的电磁波具有大量的有效信息，接收并处理分析PD电磁波信号已成为绝缘状态诊断的主要研究领域。
通过耦合局部放电发生时辐射出的电磁信号进行PD检测，特高频（Ultra High Frequency, UHF）测试方法在局部放电的现场测试中得到了广泛应 用[11-14]。PD发生时伴随着发射宽频信号，因此可以设计多类型天线结合放大器和滤波器，以优化PD检测系统的信噪比。对此，国内外专家学者针对UHF天线传感器进行了优化改进[12-15]。
目前，对于PD电磁辐射特性的研究主要集中在分析局部放电特高频信号的传播特性、PD信号后端处理以及PD模式识别：对PD传播路径损耗进行研究，分析PD信号的时频域特性和电磁传播的衰减特性[16-18]；然后对PD信号进行特征参量的提取，提高放电缺陷类型的识别准确率[19-21]。如文献[16]中提出一种基于惠更斯原理的计算电气设备局部放电电磁传播方法，实现对大尺寸、复杂结构的干式变压器内部局部放电电磁传播计算，分析了大尺寸电气设备内部局部放电电磁传播规律。
国内外学者对各类UHF天线在PD检测中的应用进行了大量的实验分析，给出了PD信号时频域特性的表征报告。然而，对于影响PD电磁辐射特性的关键影响因素研究甚少。
目前，已知的UHF检测系统接收到的PD信号的影响因素有：①所使用的天线的频率响应：检测灵敏度取决于PD电磁发射的频率含量；②实验环境：噪声强度、信号传播距离、传播路径等密切相关；③信号接收装置：如示波器的带宽、采样率等相关参数。
采集到的PD电磁波的频率含量与放电类型、传感器天线类型以及信号接收装置密切有关。但采集到的信号是放电的特征还是被测试样作为发射天线的特征尚不清楚。意大利学者A. Rumi等在文献[22]中提出，绝缘试样长度对PD频域分布的影响较大，伴随试样长度的增长，PD频域分布逐渐往低频移动，并提出一种新的PD辐射理念：由PD产生的电磁辐射可以被理想化为由辐射体发出的信号，且与试样的几何特性相关。文中仅采用绞线对试样进行实验分析，缺乏相应的科学解释。PD信号上升沿极陡，脉冲宽度在ns级，激发频率高达千兆赫兹（GHz），绝缘试样作为发射天线是否参与进行PD电磁波信号辐射需要进行深入研究和科学实验论证。此外，目前国内外尚未有研究对电机匝间绝缘及简化绝缘试样（如单点交叉试样）作为发射天线进行辐射特性分析。
因此，本研究从仿真和实验两个角度对电机匝间绝缘试样进行电磁辐射特性分析，利用宽频带阿基米德螺旋天线搭建电机匝间绝缘PD检测平台，进行PD信号频域分析。通过仿真分析和实验测试，解释匝间绝缘电磁辐射特性及其关键影响因素，揭示匝间绝缘试样参数对PD辐射特性的影响规律。
简化匝间绝缘试样（如单点交叉试样）常用于模拟电机匝间绝缘以评估其局部放电及老化特性，其产生的局部放电UHF电磁波信号的频域主要分布在0.5～2 GHz[15]。单点交叉绝缘试样具有典型偶极子天线的物理形态，理论上来讲，绝缘试样能够作为发射天线进行电磁辐射特性分析。
PD产生的电磁辐射可以理想化地看作是辐射单元发出的信号。模拟电机匝间绝缘的单点交叉试样可视作典型的偶极子天线。偶极子天线是最基本的天线类型，半波偶极子天线是偶极子天线最常用的形式，是许多复杂形式天线的基本构成单元。偶极子天线由两根导体组成，两根导体施加电压极性相反，如图1a所示。当偶极子天线的电气长度是半波长的奇数倍时将发生谐振，即导体中的电流和电压有90°的相位差，如图1b所示。
图1 偶极子天线及其电压电流分布
Fig.1 Dipole antenna and its voltage and current distribution
当谐振频率在30 MHz以上时，半波偶极子天线长度为
（1）
式中，K值取决于半波长与导体的直径之比，本文取K=0.95；f为天线谐振频率（MHz）；L为天线的尺寸（m）。
单点交叉试样的示意图如图2所示，长度L1分别选取为100、150、200、250、300 mm，线径为1.5 mm；L2为交叉试样的长度，其值为单根试样长度L1与夹角
的余弦值的乘积。偶极子天线进行理论计算得到的谐振频率见表1。
图2 单点交叉试样
Fig.2 Single point cross sample
表1 试样天线参数及谐振频率
Tab.1 Sample parameters and resonant frequency
L1/mmL2/mmf1/GHz 10070.72.12 150106.11.41 200141.41.06 250176.80.85 300212.10.71
偶极子天线的阻抗和谐振频率与天线的导体直径（相对于波长）有关，随着导体直径的增加，单位长度的电容将增加，单位长度的电感将减小，天线的谐振频率将降低。
较长的试样相较于较短的试样具有低频带特征。若单点交叉试样作为发射天线影响PD辐射频率，就意味着单点交叉试样的长度发生了改变，试样作为发射天线进行PD辐射时，接收到的PD频域特征也发生改变。
单点交叉试样作为半波偶极子天线的变形天线进行电磁辐射时，天线的物理长度不会完全等同于工作波长的一半，周围环境中的传导表面和物体也会影响天线谐振频率。因此，必须通过仿真计算得到试样作为发射天线的辐射频带。
测试试样为变频电机匝间聚酰亚胺单点交叉试样，线径为1.5 mm，覆盖绝缘漆厚度为35 
，两线棒交叉角度为60°。天线仿真设计相关参数均参考绝缘试样实际物理参数。
利用高频电磁场仿真软件进行仿真计算，结果得到的试样天线回波损耗S11如图3所示，分析可知，不同长度天线的谐振频率与理论计算近似一致，试样天线的谐振频率伴随试样长度的减短而往高频移动。试样由100 mm增长到300 mm所对应的第一个低频谐振频率分别为2.15、1.50、1.14、0.93、0.79 GHz，略高于理论计算谐振频率，是因为单点交叉试样作为半波偶极子天线的变形天线，外层PI的存在会增加天线的谐振频率。
图3 不同长度下试样天线回波损耗S11
Fig.3 Simulated S11 parameter diagramat
不同长度试样天线3D辐射方向图如图4所示，是在上述五个长度试样分别对应的谐振频率下，仿真得到的试样天线的辐射增益方向图，其表征物理量为增益，单位为dB。300 mm试样天线在其谐振频率0.79 GHz下的增益最大，最大增益可达13.4 dB，随着试样天线从300 mm缩短至150 mm，各天线在其谐振频率下的最大增益逐渐减小。100 mm下的试样天线辐射方向图为全向，波瓣宽度小、波瓣分散性大。
图4 不同长度试样天线3D辐射方向图
Fig.4 3D radiation pattern under sample antenna of different lengths
上述研究分析了不同试样长度对试样天线谐振频率和辐射特性的影响。若在同样的试样长度下，单点交叉试样两线棒的交叉角度对试样天线辐射特性的影响需进一步研究。
对交叉角度为0°、30°、60°、120°、150°和180°的试样进行了辐射特性仿真分析。结果得到天线回波损耗S11和3D辐射方向图分别如图5和图6所示，试样天线可以分为三组情况进行分析：0°和180°，30°和150°，60°和120°。
图5 不同交叉角度下试样天线回波损耗S11
Fig.5 Simulated S11 parameter diagram
当交叉角度为0°和180°时，0°情况下两线棒平行紧挨在一起，一端均为10 mm裸铜；180°的情况下一线棒的首与另一线棒的尾紧挨在一起。两种情况下的试样天线谐振频率是一致的，方向图最大增益仅为-10.4 dB和-14 dB。实际单点交叉绝缘试样的PD检测实验中并不会出现0°和180°，后续实验将不考虑试样平行下的PD实验。
图6 不同交叉角度度试样天线3D方向图
Fig.6 3D radiation pattern under sample antenna of different angles
30°和150°下试样天线仿真得到的S11曲线基本重合，谐振频率均为0.8 GHz和1.71 GHz。60°和 120°下S11曲线重合度高，试样天线谐振频率一致，为0.78 GHz和1.72 GHz。
仿真得到0°、30°、60°和180°下的3D辐射增益方向图如图6所示，0°和180°情况下的试样天线最大增益最小，30°和60°交叉角度下的试样天线方向图是一致的。
得出以下重要结论：试样天线交叉角度在30°～150°变化过程中，天线谐振频率不发生改变，3D方向图一致。因此，在30°～150°区间范围内，具有一定角度变化对试样天线的辐射特性基本无影响。
为验证绝缘试样长度尺寸、交叉角度、实验环境和施加的方波脉冲电压参数对PD信号频域特性的影响，本节从实验角度对电机匝间绝缘试样辐射产生的PD信号进行电磁辐射特性分析，利用宽频带阿基米德螺旋天线进行PD信号频域分析。
搭建一套由高压直流电源和方波发生器构成的重复方波电压绝缘测试平台，如图7所示。通过对输入的直流电压斩波可产生电压波形参数灵活可调的重复方波电压，其电压峰峰值最高为20 kV，频率最高为100 kHz，上升时间最短为100 ns。
图7 局部放电测试平台
Fig.7 Sketch of PD test system
采用宽频阿基米德平面螺旋天线检测单点交叉试样产生的放电信号[15]，天线的测试信号频段约为300 MHz～2 GHz，能够从强电磁干扰中提取出电机绝缘微弱的放电信号。数字示波器的最高采样率为20 GS/s，带宽为2.5 GHz，方波电压信号与局部放电信号同步显示。
为验证同一单点交叉试样放电频域的一致性，本文进行不同气压下同一个单点交叉试样放电的采集与分析，控制变量为单点放电。采用真空箱模拟不同高度的气压，实验中真空模拟室的模拟压力值分别为101.3、80、60、40 kPa，分别对应1、0.8、0.6和0.4 bar（1 bar=0.1 MPa）。
其次，为研究不同试样长度下绝缘试样产生PD的频域特征，将试样分为五组，长度分别为100、150、200、250和300 mm。每组五根试样。每次实验前，用无水酒精清洗样品，并在155℃干燥2 h。试样置于气候室内，温度和相对湿度分别保持在25℃和40%。
为获得较为平稳的放电信息，在施加电压10 min后进行放电信号的采集，每个实验条件下连续采集至少200个放电脉冲，并计算放电脉冲的频谱平均值，绘制每个条件下的放电时频域分布谱图。
研究了不同气压（0.4～1 bar）下的单点交叉试样的频域辐射特性，实验结果如图8所示，频域分布在0.5～1.6 GHz，伴随气压的降低，频域幅值变大。在相同电压条件下（3.5 kV、200 ns、1 kHz、占空比50%），同样长度（200 mm）的单点交叉试样局部放电的频域一致性较好。
图8 不同气压下的局部放电时频域分布
Fig.8 PD test results in time and frequency domain under different air pressures
在上述实验条件基础上，在标准大气压条件下，研究不同试样长度下绝缘试样产生PD的频域特征。分析得到不同长度绝缘试样产生的PD时频域谱图如图9所示，伴随试样长度由300 mm到150 mm减短时，PD信号频域分布逐渐往高频移动，此规律与试样作为发射天线的谐振频率的变化规律一致。
图9 不同试样长度下的局部放电时频域分布
Fig.9 PD test results in time and frequency domain under sample of different lengths
表2列出了不同长度试样天线的计算谐振频率f1和仿真谐振频率f2以及不同单点交叉试样产生的PD频域分布f3。可见，试样长度为300 mm时，仿真谐振频率在0.79 GHz和1.73 GHz，该试样的PD频域分为0.6～0.8 GHz和1～1.2 GHz两部分。
图10为不同长度单点交叉试样产生的PD信号箱线图。相较于300 mm，试样长度为250 mm时，试样仿真谐振和实验PD频率均往高频移动，且PD幅值降低。200 mm和150 mm长度的绝缘试样产生的PD信号频域分布与其作为试样天线的谐振频率是基本一致的，伴随绝缘试样的减短，所辐射PD信号频域在往高频移动的同时，时域信号不断减小。
表2 试样天线计算、仿真和PD频域分布
Tab.2 Sample antenna calculation, simulation and PD frequency distribution
L1/mmf1/GHzf2/GHzf3/GHz 3000.710.79/1.730.6～0.8、1～1.2 2500.850.93/2.060.69～1.22 2001.061.140.78～1.15 1501.411.500.87～1.40 1002.122.15频带缺失幅值小
图10 不同试样长度下的局部放电幅值箱线图
Fig.10 PD magnitude at different lengths of single sample
而当试样长度缩短到100 mm时，试样仿真谐振频率在2.15 GHz，高于阿基米德螺旋天线工作频率范围，且该条件下的试样天线S11最低，回波损耗性能较差，在该试样条件下所接收到的PD信号频率缺失严重，导致PD时域幅值大幅降低。
天线的结构参数决定了天线的辐射特性。试样天线作为偶极子天线，试样长度会影响天线的谐振频带。通过仿真分析发现，角度对试样天线仿真辐射特性的影响不大，谐振频率几乎不变。
本节设计实验进行角度对绝缘试样PD辐射特性影响的研究，绝缘试样长度为200 mm，实验选择单点交叉试样的交叉角度分别为30°、60°、120°和150°。为保证变量单一性，选择同一组单点交叉试样，放电点保持唯一性。实验电压参数为幅值为3.5 kV、频率为1 kHz、占空比为50%的双极性方波脉冲电压。
对采集数据进行PD时频域分析发现，不同试样角度下的局部放电时频域分布如图11所示，不同角度下的绝缘试样PD频域分布一致，与试样天线仿真结果一致。
图11 不同试样角度下的局部放电时频域分布
Fig.11 PD test results in time and frequency domain under sample of different angles
为了分析施加电压参数对PD频域分布的影响，设计了不同占空比和不同上升时间方波脉冲电压，对200 mm长度的绝缘试样进行局部放电实验：
（1）占空比：本次实验设置脉冲正电压持续时间在500～2 500 ms之间，即占空比从10%到50%，施加在绝缘试样上的高频脉冲频率为50 Hz，上升、下降时间均为200 ns。
（2）上升时间：脉冲电压上升时间为60、200、500和1 000 ns，占空比设置为50%，频率为50 Hz。
测试结果：不同方波脉冲电压占空比对绝缘试样局部放电幅值的影响较小，绘制如图12所示的放电频域分布，可以看出，占空比对放电频域分布无影响。
图12 不同施加电压占空比下局部放电频域分布
Fig.12 The frequency distribution of PD under different impulse voltage duty cycle
伴随方波脉冲电压上升时间的减小，局部放电幅值增加，放电频域分布不受方波脉冲电压上升时间的影响。不同施加电压上升时间下局部放电频域分布如图13所示。
图13 不同施加电压上升时间下局部放电频域分布
Fig.13 The frequency distribution of PD under different impulse voltage rise times
综合上述分析可知，环境因素和外施电压参数的变化不会影响PD频域分布，而当绝缘试样的长度逐渐变短时，宽频天线检测到的PD频域分布逐渐往高频移动，这与试样天线的仿真谐振频率变化规律基本吻合。因此可以得到以下重要结论：绝缘试样产生PD的电磁辐射特性，对应于试样天线的谐振辐射特性。即绝缘试样发生局部放电的同时参与辐射局部放电电磁波信号。
本节对变频扁线电机定子槽内的匝间绝缘试样作为发射天线的电磁辐射特性进行仿真分析，以此获得电机匝间绝缘试样的PD辐射特性。此外，还分析了定子铁心的存在对绕组辐射性能的影响。
图14为一个定子槽的截面示意图，包括六层不同相的绕阻、绕阻之间的匝间绝缘、绕阻与定子之间的主绝缘以及填充在气隙中的浸渍漆。电机绕组的电磁仿真将严格按照实际电机绕组的排列、绝缘材料物理参数进行。
图14 定子槽截面示意图
Fig.14 A cross section of stator coil
扁线电机槽内有六层扁线，取其槽内双层绕组（匝间绝缘试样A和匝间绝缘试样B，其中试样B带定子铁心）进行辐射特性仿真分析，仿真模型如图15所示，同时对定子铁心对绕组的电磁辐射特性进行分析。
图15 槽内绕组仿真示意图
Fig.15 Simulation diagram of in-slot winding
仿真得到的S11性能结果如图16所示。可以看出，槽内绕组作为发射天线的谐振频率较多，且分布于小于4 GHz低频范围内；若只针对S11＜-10 dB的谐振频点，有定子铁心的绕组谐振频点有5个，而无定子铁心的绕组谐振频点仅有两个。可见，定子铁心的存在可以降低绕组的辐射频带，同时使得绕组作为发射天线的S11性能更优。
图16 不同试样天线仿真S11曲线
Fig.16 Simulated S11 parameter diagram
将电机定子绕组中每一匝单独剥离，使得每一相绕组中的匝与匝之间不直接相连。电机定子槽内绕组绝缘PD检测连接如图17所示，匝间绝缘中的其中一匝独立加压，相邻另一匝接地，构建与仿真试样相同的匝间绝缘绕组试样。
图17 电机定子槽内绕组绝缘PD检测连接
Fig.17 Inverter-fed motor stator insulation sample connection diagram
设置方波脉冲电压的上升时间为100 ns，频率为50 Hz，占空比为50%。实验分析电机匝间绝缘的局部放电起始电压（Partial Discharge Inception Voltage, PDIV）及PD电磁频域特性。测试结果如图18、图19所示。
图18 方波脉冲电压与正弦电压下PDIV对比
Fig.18 Impulse voltage and sinusoidal voltage PDIV comparison
图19 匝间绝缘局部放电时频域分布
Fig.19 PD test results in time and frequency domain
利用PD Base进行正弦下的PDIV测试，利用宽带阿基米德螺旋天线检测方波脉冲电压下的PDIV。匝间绝缘ab和cd的对应位置如图14所示，采用正弦和方波脉冲电压测试同一绝缘试样的PDIV，发现方波脉冲电压下的PDIV略低，具有陡上升时间的方波脉冲电压对绝缘的冲击较大，其起始放电电压更低。从图18的结果中可以看出，正弦和方波脉冲电压下槽内匝间绝缘PDIV的规律一致，槽内匝间ab的绝缘PDIV略高于槽内匝间cd。
然后，在方波脉冲电压下采集PDIV条件下的放电数据，连续采集PD数据点至少10个，分析槽内匝间绝缘的时频域分布。处理至少10个PD点的时频域分布绘制于同一谱图，结果如图19a、图19b所示，槽内匝间绝缘ab与匝间绝缘cd产生的PD频域峰值分布是一致的，均在0.5～1 GHz；对比分析匝间绝缘放电频域分布及其作为试样天线的谐振频率如图20所示。可以发现，试样天线呈现多频带特性，绝缘试样所产生的PD频域分布包含在槽内匝间绕组作为发射天线的仿真谐振频域内。
图20 绝缘试样放电频域分布与试样天线谐振频率对比
Fig.20 The PD frequency of the sample and the resonant frequency distribution of the sample antenna
图21a、图21b分别为匝间绝缘ab和匝间绝缘cd发生局部放电的短时傅里叶变换谱图。可以发现，中心频率在0.9 GHz和1.8 GHz的窄带信号贯穿整个时域，可以排除其为放电信号，而是通信干扰，该窄带干扰为GSM900/1800双频段干扰。
图21 匝间绝缘局部放电短时傅里叶变换谱图
Fig.21 Short-time Fourier transform spectrum of turn-turn insulation PD
简化匝间绝缘试样（如单点交叉试样）常用于模拟电机匝间绝缘以评估其局部放电及老化特性，实验分析发现，其产生的局部放电UHF电磁波信号的频域主要分布在0.5～2 GHz。同时，单点交叉绝缘试样具有典型偶极子天线的物理形态，理论上来讲，绝缘试样能够作为发射天线进行电磁辐射特性分析。因此，若将试样交叉点处产生的放电作为信号辐射源，则单点交叉试样作为偶极子天线起到辐射该PD信号的作用。
已知，较长的试样相较于较短的试样具有低频带特征。基于此，仿真分析不同长度下的单点交叉绝缘试样天线的电磁辐射特性，得到不同长度下试样天线的谐振频率和电磁辐射方向图；然后，通过实验分析绝缘试样长度、交叉角度、实验环境和施加的方波脉冲电压参数对PD信号频域特性的影响。仿真和实验研究发现：
（1）仿真得到不同长度试样天线的谐振频率f2与其理论计算谐振频率f1近似一致（见表2），且试样天线谐振频率伴随试样长度的减短往高频移动：试样由300 mm缩短到100 mm所对应的第一个低频谐振频率分别为0.79、0.93、1.14、1.50、2.15 GHz，f2略高于f1，这是因为单点交叉试样作为半波偶极子天线的变形天线，外层聚酰亚胺的存在会增加天线的谐振频率。
（2）实验得到不同长度绝缘试样下采集到的PD频域分布（见图9），伴随试样长度由300 mm缩短到150 mm，采集到的PD峰值频域分布（f3）分别为：0.6～0.8 GHz、1～1.2 GHz、0.69～1.22 GHz、0.78～1.15 GHz、0.87～1.40 GHz，伴随绝缘试样的减短，所辐射PD信号频域在往高频移动的同时，时域信号不断减小。而当试样长度缩短到100 mm时，试样天线仿真谐振频率在2.15 GHz，高于阿基米德螺旋天线工作频率范围（0.3～2 GHz），在该试样条件下所接收到的PD信号频率缺失，导致PD时域幅值大幅降低。
（3）当绝缘试样长度一定时，不同角度下的绝缘试样PD频域分布一致，与试样天线仿真结果一致。环境条件下气压的改变和方波脉冲电压上升时间和占空比这两个外施电压参数的变化不会影响PD频域分布。
综合仿真与实验分析可见，试样天线的计算谐振频率f1和仿真谐振频率f2以及不同单点交叉试样产生的PD频域分布f3均伴随长度的增加而减小，且一致性较好。表明试样的单点交叉点作为天线的馈电点时，单点交叉试样作为偶极子天线能够起到辐射该PD信号的作用，且试样天线的辐射性能会影响绝缘试样的PD辐射特性。
本节所使用的扁线电机每个槽内有六根扁线，同一槽内的相邻扁线构成槽内匝间绝缘，本研究将同一槽内的六根扁线所对应的端部单独剥离，使得同一槽内的扁线绕组互不相连，实现槽内匝间绝缘的单独加压。对扁线电机定子匝间绝缘的电磁辐射特性进行仿真与实验分析。
仿真得到简化匝间绝缘试样与带定子铁心匝间绝缘试样天线的谐振频带如图16所示，可见，定子铁心对匝间绝缘试样天线的电磁辐射起到促进作用，其辐射特性相较于简化试样低频特性更优，且回波损耗（S11）更低，性能更好。
对扁线电机定子槽内匝间绝缘进行PD实验分析，采集到的PD时频域分布谱图如图19所示。两个槽内匝间绝缘的放电频域分布基本一致，且PD频域分布包含在匝间绕组作为发射天线的仿真谐振频带内（见图20）。综上分析，电机匝间绝缘放电特性与被测试样作为发射天线的辐射特性相关。即绝缘试样发生局部放电的同时参与辐射局部放电电磁波信号。
仿真S11曲线如图22所示，仿真分析了不同馈电点位置（试样总长为140 mm，取相对于电机端部的10、30、50、70、90、110、130 mm处进行馈电）匝间绝缘试样天线的辐射特性。
图22 不同馈电位置处试样天线仿真S11曲线
Fig.22 Simulated S11 parameter diagram
仿真结果显示：扁线电机匝间绝缘试样作为发射天线的辐射特性呈现多频带性，有效工作带宽可延伸至5 GHz；对电机定子匝间绝缘进行PD采集时所使用的示波器带宽为2.5 GHz，因此，实验分析PD频域分布在0.5～2.0 GHz较为明显（见图21）。此外，匝间馈电点的变化对试样天线的多谐振频带的特性无影响。因此，匝间绝缘放电位置的变化对PD频域分布不会产生影响，相同结构的匝间绝缘产生的PD频域分布是一致的。
本研究从仿真和实验两个角度，对电机匝间绝缘试样作为发射天线辐射PD信号进行电磁辐射特性分析，利用宽频带阿基米德螺旋天线对电机匝间绝缘PD信号进行测试频域分析。结果表明：环境因素和外施电压参数的变化不会影响匝间绝缘PD频域分布。绝缘试样作为发射天线的辐射性能会对应于PD信号的辐射特性。即绝缘试样发生局部放电的同时参与辐射局部放电电磁波信号。
此外，仿真和实验分析了扁线电机定子槽内匝间绝缘的时频域分布。扁线电机匝间绝缘试样作为发射天线的辐射特性呈现多频带特性，匝间馈电点的变化对试样天线的多谐振频带的特性无影响，匝间绝缘放电位置的变化对PD频域分布不会产生影响。因此，相同结构的匝间绝缘产生的PD频域分布是一致的。
上述结论可以为变频电机绝缘绕组辐射PD频域分析提供依据，有利于对PD信号进行特征参量的提取，进一步提高放电缺陷类型的识别准确率。
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Abstract Insulation degradation and flaws can be identified using the partial discharge (PD) test. Ultra-high-frequency (UHF) antenna sensors are commonly used for the detection of PD signals which are helpful to diagnose the insulation performance of inverter-fed motor. The electromagnetic signal generated by the PD contains a large amount of helpful information. The frequency content of the collected PD is closely related to the type of PD, the type of sensor antenna and the signal receiving device, but it is unclear whether the collected signal is the characteristic of the PD or the characteristic of the tested sample as the transmitting antenna. The turn-turn insulation sample of the motor and its simplified insulation sample (such as single-point cross-insulated sample) have the physical form of a typical dipole antenna. Theoretically, PD is a radiation source. The creation of PD is a normal electromagnetic radiation process, and the insulating sample can be utilized as a transmitting antenna for electromagnetic radiation. Therefore, this paper investigates the electromagnetic radiation characteristics of the turn-turn insulation sample as the transmitting antenna. Then, a PD detection platform for the turn-turn sample was built using a wide-band antenna (0.5～2 GHz Archimedes spirl antenna) to analyse the PD signals in the frequency spectrum.
First, the dipole antenna is modeled using a single point cross polyimide sample. Using high-frequency electromagnetic simulation software, the antenna resonance frequency is calculated, and the radiation characteristics of the test antenna under various lengths and cross-angles are simulated. Then, an experimental platform for PD detection of turn-turn insulation is built by using a repetitive impulse voltage source. Experimental research the impacts of insulation sample length, environment, and impulse voltage parameters on the frequency domain characteristics of PD signal.
The outcomes are as follows: firstly, as insulation sample length is increased, the resonant frequency of the sample antenna and the frequency domain of the PD signal shift to low frequency. The resonant frequency of the 10 cm sample antenna is 2.15 GHz, and the PD information discovered by the experiment with this insulation sample is substantially missing in the frequency domain and has a much reduced amplitude in the time domain. Second, the distribution of PD frequency domain is unaffected by the cross Angle of a single-point cross-insulated sample, changes in atmospheric pressure, changes in impulse voltage rise time, or changes in duty cycle. Finally, the turn-turn insulation sample from the flat wire motor exhibits multi-band characteristics as a transmitting antenna, and its effective working bandwidth completely covers the PD frequency domain distribution of the turn-turn insulation. Additionally, the properties of the sample antenna's multi-resonant band are unaffected by the change in the feed point. The PD frequency domain distribution produced by the turn-turn insulation of the same structure is consistent and is unaffected by changes in PD position.
According to the aforementioned findings, the PD characteristic of the turn-turn insulation is related to its radiation characteristic as a transmitting antenna. In other words, while partial discharge is happening, the insulating sample as a transmitting antenna is actively involved in radiating the electromagnetic wave signal.
Keywords：Inverter-fed motors, insulation system, partial discharge, repetitive square wave voltages, ultra-high frequency (UHF) antenna
马世金 女，1996年生，博士研究生，研究方向为新能源汽车变频电机绝缘检测与故障诊断。E-mail: 1246521309@qq.com
王 鹏 男，1982年生，副教授，博士生导师，研究方向为新能源、电力电子装备中的绝缘系统性能评估。E-mail: pwang@scu.edu.cn（通信作者）
中图分类号：TM855
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230477
国家自然科学基金资助项目（51977134）。
收稿日期 2023-04-17
改稿日期 2023-07-07
（编辑 崔文静）