一種大功率異步牽引電機(jī)定子故障辨析及處理

裴亞偉

（南車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412001）

一種大功率異步牽引電機(jī)定子故障辨析及處理

裴亞偉

（南車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412001）

電機(jī)定子故障主要分為接地、三相直流電阻不平衡、掃膛三大類。依據(jù)電機(jī)連線原理圖，采用兆歐表、直流電阻測(cè)試儀，輔以定子交出各項(xiàng)檢測(cè)流程、引線頭絕緣剝除法、金相實(shí)驗(yàn)等，準(zhǔn)確找到故障點(diǎn)并判斷故障原因，及時(shí)修復(fù)電機(jī)并改進(jìn)現(xiàn)有工藝。

異步電機(jī);故障分類;檢測(cè);原因分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)調(diào)查，感應(yīng)電機(jī)的繞組故障和軸承故障分別占電機(jī)故障的46%和40%。故感應(yīng)電機(jī)的故障檢測(cè)主要針對(duì)定子故障、轉(zhuǎn)子故障和軸承故障3部分，其中感應(yīng)電機(jī)定子線圈繞組故障是導(dǎo)致電機(jī)失效的主要原因之一。

蘭州、西寧機(jī)務(wù)段機(jī)車運(yùn)行環(huán)境惡劣，電機(jī)受振動(dòng)、風(fēng)沙影響較大且長(zhǎng)期處于過載運(yùn)行。

針對(duì)該段返回電機(jī)不同類型的故障現(xiàn)象進(jìn)行準(zhǔn)確快速的原因分析十分必要，有助于縮短維修周期、減少不必要的工作量、找出問題根源從而改進(jìn)現(xiàn)有生產(chǎn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)保增長(zhǎng)、保質(zhì)量目標(biāo)，樹立公司品牌形象。

1 定子連線圖及命名方法

文章所述牽引機(jī)車用電機(jī)為異步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)定子采用Y形帶中性點(diǎn)連接方式繞組，嵌線方式采用雙層短距疊繞組，轉(zhuǎn)子為鼠籠型。具體參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)基本參數(shù)

如圖1所示，定子臥式放置時(shí)，從并頭端方向看，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；三相引出線對(duì)應(yīng)中1點(diǎn)，順時(shí)針方向依次為2點(diǎn)鐘、3點(diǎn)鐘……；回路環(huán)從外到內(nèi)依次為U、V、W及中性環(huán)；每種顏色代表一相，每塊顏色代表一個(gè)極相組，每個(gè)極相組有兩個(gè)引線頭，沿順時(shí)針方向分別為下層邊和上層邊。

2 性能要求

三相直流電阻值范圍：32.3mΩ～35.7mΩ（折算至20℃時(shí)）

圖1 電機(jī)連線原理圖及引線命名方式

各相直流電阻值偏差須滿足≤2%（0.68mΩ）

絕緣電阻：用兆歐表（1000V檔）測(cè)定絕緣電阻1min，電阻值在200MΩ以上。

對(duì)地耐壓：DC11kV，加壓3min，無擊穿和閃爍。

層間耐壓檢測(cè)：電壓8600V，3s，觀察振蕩波形與基準(zhǔn)波形是否一致。

2.1 檢測(cè)儀表

（1）兆歐表；

（2）紅外測(cè)溫儀；

（3）三相直流電阻測(cè)試儀；（4）直流耐壓機(jī)；

（5）多功能匝間耐壓機(jī)。

2.2 返修電機(jī)檢測(cè)步驟

（1）接收定子，觀察定子情況；

（2）若有燒損現(xiàn)象，拆剪引線頭焊接點(diǎn)，剝除引線頭焊接點(diǎn)絕緣，觀察內(nèi)部焊接點(diǎn)情況是否斷裂或存在裂紋，必要時(shí)進(jìn)行金相試驗(yàn)，判斷故障原因；

（3）若無明顯故障點(diǎn)，測(cè)量絕緣電阻值及三相直流電阻值（測(cè)量前清理擦拭引出線接線板）；

（4）若絕緣電阻值很低（kΩ級(jí)），通過電流加熱法用紅外測(cè)溫儀確定擊穿點(diǎn)；

（5）若絕緣電阻值較低（MΩ級(jí)），對(duì)定子烘潮后重新測(cè)量絕緣電阻；

（6）若三相直流電阻值在要求范圍內(nèi)但偏差≧1%，用橡膠榔頭和嵌線打板輕擊各引線頭，觀察直流電阻表數(shù)值是否跳動(dòng)從而確定故障點(diǎn)。

3 定子故障現(xiàn)象分類及原因分析

定子繞組故障的主要原因有磨損、污染、裂紋、腐蝕等原因造成的絕緣失效和機(jī)械振動(dòng)造成的引線頭移位。主要表征分為以下7種。

3.1 絕緣電阻低

（1）現(xiàn)象。①定子繞組經(jīng)定子接地。槽口或槽中有擊穿痕跡，絕緣電阻kΩ級(jí)，如圖2、圖3所示。

圖2 定子槽中擊穿

圖3 定子槽口擊穿

圖4

（2）原因分析。①定子擊穿原因：線圈制作過程中絕緣包扎可能存在稀包現(xiàn)象致使運(yùn)行過程中絕緣薄弱點(diǎn)被擊穿。②由于軸承損壞、軸彎曲等原因致使定、轉(zhuǎn)子摩擦(俗稱掃膛)引起鐵心溫度急劇上升，燒毀槽絕緣、匝間絕緣，從而造成繞組匝間短路或?qū)Φ亍胺排凇保瑖?yán)重時(shí)會(huì)使定子鐵心倒槽、錯(cuò)位、轉(zhuǎn)軸磨損、端蓋報(bào)廢等。

3.2 三相直流電阻不平衡

（1）現(xiàn)象。兩個(gè)電阻值偏大，引線頭拆剪后剝除絕緣發(fā)現(xiàn)某相引線頭斷裂，如圖5所示，UW與VW兩電阻值偏大，拆剪引線頭后發(fā)現(xiàn)共有相W某引線頭斷裂。

圖5 引線斷裂

（2）原因分析。運(yùn)行中長(zhǎng)期受振動(dòng)影響使偏大的兩個(gè)電阻共有相引線頭斷裂，繼續(xù)運(yùn)行將導(dǎo)致該引線頭燒損。

3.3 回路環(huán)引線頭燒損

（1）現(xiàn)象。與回路環(huán)連接處某引線燒損，附近有銅瘤及絕緣過熱現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 引線燒損

（2）原因分析。電機(jī)繞組絕緣受機(jī)械振動(dòng)(如啟動(dòng)時(shí)大電流沖擊，拖動(dòng)設(shè)備振動(dòng)、電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡等)作用，使繞組出現(xiàn)匝間松馳、絕緣裂紋等不良現(xiàn)象，破壞效應(yīng)不斷積累，熱脹冷縮使繞組受到摩擦，從而加速了絕緣老化，最終導(dǎo)致最先碳化的絕緣破壞直至燒毀繞組。

3.4 匝間/相間短路

（1）現(xiàn)象。線圈鼻部或直線邊燒損，如圖7所示。

圖7 匝間/相間短路

（2）原因分析。由于長(zhǎng)時(shí)間過載過熱運(yùn)行，繞組絕緣老化加速，絕緣最薄弱點(diǎn)碳化引起匝間短路、相間短路或?qū)Φ囟搪返痊F(xiàn)象，使繞組局部燒毀。

3.5 掃膛

（1）現(xiàn)象。①定子鐵心磨損。通常伴有線圈燒損及接地現(xiàn)象，絕緣電阻kΩ級(jí)，如圖8所示。

圖8 定子鐵心磨損

圖9 定子線圈割傷

（2）原因分析。①軸承損壞或外來異物導(dǎo)致轉(zhuǎn)子掃膛；②電機(jī)引線頭斷裂或繞組燒損使三相電源不平衡，相電流的對(duì)稱性破壞，轉(zhuǎn)矩降低，蜂鳴和振動(dòng)加劇，電磁振動(dòng)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)為橢圓形軌跡進(jìn)而掃膛。

3.6 引出線接線座燒損

（1）現(xiàn)象。接線座內(nèi)三相引出線燒損，如圖10所示。

圖10 接線座燒損

（2）原因分析。接線座螺栓安裝不緊導(dǎo)致該處接觸電阻過大，發(fā)熱嚴(yán)重致燒損。

3.7 多種故障現(xiàn)象

（1）現(xiàn)象。電機(jī)三組繞組全部燒毀，軸承無潤(rùn)滑脂或砂架損壞，定、轉(zhuǎn)子鐵心相磨擦俗稱掃膛。如圖11所示，某電機(jī)W2極相組對(duì)應(yīng)非并頭端鼻部燒損、中11引線燒損、非并頭端槽口線圈沿圓周掃膛、V12引線距焊接點(diǎn)約20mm處斷、W2引線根部斷裂、中7引線根部斷。

圖11 多種故障并發(fā)

圖12 燒損點(diǎn)示意圖

（2）原因分析。如圖12所示，紅色五角星表示引線頭故障點(diǎn)，其中中11燒斷，為明顯主要故障點(diǎn)；而V12、W2、中7點(diǎn)均為拆剪過程中發(fā)現(xiàn)斷裂，故障現(xiàn)象不明顯；W2極相組非并頭端鼻部燒損，且W2引線頭所在線圈非并頭端燒損最為嚴(yán)重。

初步判定電動(dòng)機(jī)過載運(yùn)行，電流超過額定值，電動(dòng)機(jī)溫升超過額定溫升。中11引線頭受振動(dòng)、過載影響最先斷裂，進(jìn)而燒損，電機(jī)引線頭燒損使三相電源不平衡，相電流的對(duì)稱性破壞，轉(zhuǎn)矩降低，蜂鳴和振動(dòng)加劇，電磁振動(dòng)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)為橢圓形軌跡進(jìn)而掃膛；由于中11分屬于W、U相，其中W相電流增大導(dǎo)致W2引線頭所在線圈非并頭端絕緣薄弱點(diǎn)擊穿造成匝間短路，而機(jī)械振動(dòng)及斷裂相電流增大，使中7、V12、W2引線頭斷裂。

4 故障定子處理措施

4.1 修復(fù)故障點(diǎn)

由于絕大多數(shù)故障電機(jī)為引線頭斷裂，將回路環(huán)拆剪，引線斷裂處剪至合適位置，通過整形將引線重新焊接至回路環(huán)。通過只更換回路環(huán)的方式可以大大節(jié)約維修成本。當(dāng)僅接線座內(nèi)燒損時(shí)，將引出線及接線座按相關(guān)工藝更換，節(jié)約維修成本。

4.2 改進(jìn)焊接工藝

焊接溫度、時(shí)間、焊料填充量直接影響焊接質(zhì)量，通過把控焊接工藝可以改善焊接點(diǎn)機(jī)械性能。

4.3 把控原材料質(zhì)量

對(duì)故障電機(jī)引線頭進(jìn)行斷口分析發(fā)現(xiàn)，電磁線材料存在晶體顆粒較大、材料內(nèi)部有氣孔、材料內(nèi)部存在雜質(zhì)、材料有裂紋等重大缺陷。加強(qiáng)電磁線入庫(kù)復(fù)檢，對(duì)供應(yīng)商進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)FAI審核，每批次進(jìn)行微觀金相及氫脆試驗(yàn)等措施。

5 結(jié)論

定子故障現(xiàn)象多種多樣，采用多種手段和儀器，結(jié)合電機(jī)的電氣原理及運(yùn)行機(jī)理，準(zhǔn)確分析故障原因可以在質(zhì)量源頭上杜絕隱患、降低成本。

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Fault Analysis for the Stator of A Kind of Large Power Asynchronous Traction Motor and Processing

PEI Yawei
（CSR Zhuzhou Electric Co.,Ltd.,Zhuzhou，Hunan 412001,China）

Motor stator faults mainly divides into three categories,namely,grounding,imbalanced three phase dc resistance,and friction.According to motor wiring diagram,megohmmeter,DC resistance tester along with the check process of the stator,lead riser insulating method,metallographic test,was applied to find outthe fault point accurately and determine the cause of thefaults,so as to timely repair motor and improve existing processes.

asynchronous motor;fault classification;test;Cause Analysis

U269.6

A

2095-980X（2015）02-0015-03

2015-01-20

裴亞偉（1988），助理工程師。