JD142A型交流異步牽引電機接地故障原因分析及改進

羅小蘭，丁祿振，鄧日江，楊振中，何云風，裴亞偉

（中車株洲電機有限公司，湖南 株洲412001）

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JD142A型交流異步牽引電機接地故障原因分析及改進

羅小蘭，丁祿振，鄧日江，楊振中，何云風，裴亞偉

（中車株洲電機有限公司，湖南 株洲412001）

摘 要：針對出口澳大利亞的SDA1-006號機車在中間直流電壓欠壓工況下，接連數臺JD142A牽引電機發生轉子端環脫落、砸傷定子繞組導致電機接地故障的問題，進行理論分析與試驗驗證，采取電機過載保護、中間欠壓保護及過溫保護等措施，確保電機在欠壓工況下的運行安全，使該類型電機接地故障得到較好解決。

關鍵詞：接地；中間直流電壓；欠壓；保護

SDA1型交流傳動內燃機車是中車資陽機車有限公司出口澳大利亞的一款干線貨運機車，最大運用功率3000kW，中間直流電壓1500V等級［1］，由中車株洲電機公司配套提供JD142A型牽引電機，實現了我國大功率內燃機車交流傳動牽引電機向發達國家出口的零突破［2］。

該型機車投入運營以來，JD142A牽引電機整體運行穩定。2014年3月，SDA1-006號車頻繁報1、2架主回路接地，檢測發現第2、3、4、5位電機接地。

1　原因分析

經拆檢電機發現，4臺電機的傳動端端環已脫落，但導條端面清晰完整未變形，說明端環脫落屬過熱失效，并非機械失效。護環表面有焊料劃擦痕跡，出風口處發現焊料熔渣，確認轉子曾發生過熱。脫落的端環砸落在定子繞組上，導致繞組端部局部擦傷。

上述拆檢結果表明，電機接地并非定子繞組絕緣失效，應屬電機在過流狀態下，轉子短時發熱嚴重，致使端環脫落，砸傷定子繞組所致。

1.1電機欠壓工況分析

據了解SDA1-006號機車在接地故障發生前，因勵磁電阻與整流模塊燒損等問題，曾頻繁報中間直流欠壓，而牽引電機運行穩定，未報過相關故障。

中間直流電壓是內燃機車交流傳動系統的一個關鍵參數，它決定了主發電機、牽引變流器及牽引電機等設備的輸入及輸出電壓、電流［3］。

當中間直流環節欠壓時，牽引電機輸入電壓下降，電機電磁轉矩與電壓平方成正比，故電機轉矩下降，為了盡量維持轉矩平衡，電機轉速減小，轉差率增大，轉子切割旋轉磁場產生的感應電流增大，轉子發熱量增大，同時電機定子電流也隨之增大［4］。而SDA1型機車逆變器過流保護值僅根據IGBT晶體管容量設定為1500A（峰值），遠遠大于電機最大啟動電流933A（峰值），并不能形成對電機的有效保護，系統無法及時切除保護電機，可能使電機轉子持續發熱嚴重而失效。

1.2電機欠壓損耗計算

表1所示為JD142A牽引電機欠壓狀態損耗單點計算結果，通過與額定狀態的損耗值進行比較可知，當電機處于欠壓工況下，電機轉差率與電流迅速增大，轉子端環、導條電密增大約為額定值的2倍左右，轉子發熱嚴重。具體變化曲線如圖1、2所示，當電壓跌落時，額定點（A點）對應的轉矩下降，為了保持相同轉矩水平，電機轉差率需從Sa增大至Sb，相應地電機轉子導條電流從I2a增大至I2b.

表1　JD142A牽引電機欠壓狀態損耗單點計算結果

圖1　電機欠壓工況T-s曲線

圖2　電機欠壓工況I2-s曲線

1.3電機欠壓模擬試驗

下圖3、4所示為JD142A牽引電機在上述額定及欠壓工況下試驗測得的定子溫升曲線，同時測算得到欠壓工況下電機轉子進出風口溫度如表2所示。

圖3　定子溫升曲線（額定工況）

圖4　定子溫升曲線（欠壓工況）

表2　欠壓工況電機定、轉子進、出風口溫度

試驗結果證實，電機欠壓導致電機定、轉子各部位溫度隨時間成線性迅速升高，溫升程度明顯大于額定工況，其中轉子溫升高于定子溫升，在定子溫度達到280℃條件下，轉子出風口溫度最高可達到360℃以上，說明欠壓工況對電機轉子的溫升影響更大。在電機過流保護未及時觸發的情況下，電機轉子可能因溫升劇烈而失效。

2　改進措施

為避免牽引電機后續再發生類似故障，須完善機車中間直流電壓欠壓保護措施；同時應修訂電機過載保護與過溫保護限值，當電機電流或溫升異常時能及時獲得系統保護。

（1）中間直流欠壓保護

按表3所示牽引、制動工況各檔中間直流電壓參考值實施保護。其中，在牽引工況下，若中間直流電壓比參考值低100V，開始實施線性降功，直至比參考值低200 V，降功完全，延時2 min后，屏顯中間直流欠壓異常；在制動工況下，對于5～8檔，若中間直流電壓比參考值低300 V，延時30 s后，屏顯中間直流欠壓異常。若中間直流電壓低于500 V，不論牽引或制動工況，均報中間直流欠壓故障，逆變封鎖。

表3　牽引、制動工況各檔位中間電壓參考值

（2）電機過載保護

采集電機線電流總有效值，按下表4分3檔實施過載保護。

表4　電機過載保護設置

（3）電機過溫保護

電機溫度超過180℃，開始線性降功；升至200℃，降功完全，逆變封鎖；電機溫度低于170℃，恢復正常功率。

3　結束語

通過上述JD142A型牽引電機的欠壓工況分析、損耗計算及溫升試驗驗證，確認機車電機接地的故障原因為中間直流電壓異常跌落導致電機工作在過流狀態，未及時獲得系統隔離保護，電機轉子發熱嚴重發生端環脫落，局部砸傷定子繞組所致。采取所述保護措施后，JD142A牽引電機在線運行未再報類似接地故障，改進效果顯著。

由于該故障模式較為少見，本文首次明確了中間直流電壓跌落工況下機車電機的特殊保護需求，為后續內燃機車牽引傳動系統設計及電機控制保護積累了寶貴經驗。

參考文獻：

［1］楊振中，阮鴻芳，丁祿振，王長江.交流傳動內燃機車用牽引電動機研制［J］.電機技術，2015，（01）：16-20.

［2］廖忠文，王平華，韓笑，等.出口澳大利亞SDA1型機車牽引傳動系統設計［J］.內燃機車，2012，（11）：11-15.

［3］何良.交流傳動內燃機車能量傳遞與中間直流環節電壓調節技術［J］.機車電傳動，2008，（2）：24-27.

［4］湯蘊璆，史乃.電機學［M］.北京:機械工業出版社，1999.

Reason Analysis and Improvement Measures for Ground Fault of JD142A Asynchronous Traction Motor

LUO Xiao-lan，DING Lu-zhen，DENG Ri-jiang，YANG Zhen-zhong，HE Yun-feng，PEI Ya-wei （CRRC Zhuzhou Electric CO.，LTD.，Zhuzhou Hunan 412001，China）

Abstract：Based on theoretical analysis and experimental verification of the successive ground faults of JD142A traction motors of SDA1-006 locomotive，which were caused by local damage of stator windings owing to the fall off of the rotor end ring in under-voltage working condition，the overload protection，under-voltage protection and over temperature protection of motor were implemented effectively.

Key words：ground fault；intermediate DC voltage；under-voltage；protection

中圖分類號：TM305

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）03-0233-03

收稿日期：2015-12-10

作者簡介：羅小蘭（1985-），女，湖南株洲人，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向為牽引電機設計與維護技術。