關(guān)于一種機(jī)車電機(jī)定子故障的分析及對策研究

蔣富強(qiáng)

摘要：隨著機(jī)車牽引電機(jī)的修程越來越高，定子故障率也呈上升趨勢，而定子故障現(xiàn)象主要表現(xiàn)為定子繞組絕緣擊穿，線圈與定子鐵芯電腐蝕嚴(yán)重。本文針對定子線圈燒損現(xiàn)象，分析了產(chǎn)生原因并提出了應(yīng)對措施。

關(guān) 鍵 詞：牽引電機(jī) 絕緣擊穿 真空壓力浸漆

該機(jī)車牽引電機(jī)為三相鼠籠式異步牽引電動機(jī)，電機(jī)的可靠性受到其絕緣性能的制約，特別在基于PWM脈寬調(diào)制變頻器供電的三相異步牽引電機(jī)中，電機(jī)定子繞組反復(fù)承受短時(shí)矩形電壓脈沖的沖擊，電機(jī)繞組端電壓變化率很大，這對電機(jī)絕緣性能的要求很高。

該型機(jī)車電機(jī)的定子接地，基本全部都是由于定子繞組絕緣擊穿造成，因此，在經(jīng)過近10年的運(yùn)行后，定子絕緣老化的趨勢不可避免，如不采取措施，電機(jī)燒損的情況還會繼續(xù)出現(xiàn)，將嚴(yán)重威脅機(jī)車正常運(yùn)營。

1定子繞組絕緣擊穿分析

該型電機(jī)采用VVVF 牽引逆變器供電，定子繞組為Y型接法。定子繞組絕緣系統(tǒng)等級200，對地用聚酰亞胺復(fù)合云母作為主絕緣，采用有機(jī)硅樹脂作為繞組浸漬漆，并且在繞組出槽口采用Nomex紙以增強(qiáng)線圈的耐振動能力，同時(shí)采用VPI（真空壓力浸漆）技術(shù)進(jìn)行固化成型。

電機(jī)在長時(shí)間的運(yùn)行后，其絕緣性能勢必會下降，并且由于其供電環(huán)境多變，電機(jī)燒損的幾率相對而言更高，故有必要對燒損原因進(jìn)行分析，從定子繞組燒損現(xiàn)象看，造成牽引電機(jī)燒損的原因主要有以下2 點(diǎn)。

1.1繞組絕緣材料局部放電的影響

發(fā)生局部放電的主要原因是過電壓致使絕緣體內(nèi)部或表面電場強(qiáng)度分布不均，特別是當(dāng)絕緣內(nèi)部存在缺陷時(shí)，例如存在氣隙或金屬雜質(zhì)等，出現(xiàn)某些區(qū)域的電場強(qiáng)度高于平均電場強(qiáng)度或擊穿場強(qiáng)低于平均場強(qiáng)的情況，從而導(dǎo)致在該區(qū)域發(fā)生放電現(xiàn)象。局部放電會造成空間電荷的抽出與注入，增加絕緣材料介質(zhì)損耗，并逐漸導(dǎo)致絕緣材料發(fā)熱分解，致使絕緣性能降低。

目前對絕緣局部放電的研究已經(jīng)成為評價(jià)絕緣材料性能和壽命的重要方向。由于局部放電的復(fù)雜性，需要通過多種表征參數(shù)（最大放電電量、平均放電電量、放電重復(fù)率、起始放電電壓等）才能全面地反映絕緣狀態(tài)。局部放電的檢測大多都是通過脈沖電流檢測法進(jìn)行，然后對采集到的數(shù)據(jù)特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而評估試驗(yàn)對象的絕緣性能。

1.2電機(jī)繞組發(fā)熱對絕緣的影響

該型電機(jī)采用強(qiáng)迫通風(fēng)，但由于機(jī)車運(yùn)行路況等因素的影響，進(jìn)風(fēng)口容易積累灰塵等異物，阻礙進(jìn)風(fēng)量，從而導(dǎo)致與外界的熱交換減小。同時(shí)由于傳動端處為出風(fēng)口，該區(qū)域溫度相對其他區(qū)域較高，發(fā)熱對該區(qū)域的絕緣老化程度影響相對較大，而電機(jī)的燒損位置就處于該區(qū)域，絕非巧合。

集膚效應(yīng)的作用也會增加電機(jī)損耗，特別是轉(zhuǎn)子的銅耗，也會增加電機(jī)發(fā)熱。電機(jī)的損耗發(fā)熱會加劇繞組老化，并且熱量會使絕緣材料膨化，進(jìn)一步增強(qiáng)局部放電或者電暈的力度，使絕緣性能下降，在過電壓尖峰的作用下就很容易導(dǎo)致絕緣擊穿。在電機(jī)定子繞組在通風(fēng)槽口、線圈直線出槽口處以及繞組端部，電場比較集中，當(dāng)局部位置場強(qiáng)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，氣體發(fā)生局部電離，產(chǎn)生電暈現(xiàn)象。電暈產(chǎn)生熱效應(yīng)和臭氧、氦的氧化物使線圈內(nèi)局部溫度升高，致使絕緣老化、破損、腐蝕。

從電機(jī)的燒損現(xiàn)象來看，電機(jī)燒損位置十分相近，均位于繞組通風(fēng)槽直線出槽口處，線圈和定子鐵芯電腐蝕嚴(yán)重，最終導(dǎo)致匝間絕緣擊穿，絕緣擊穿后短路大電流發(fā)熱燒損對地絕緣而使電機(jī)對地短路。因此，綜合考慮定子線圈直線出槽口處的通風(fēng)條件、繞組匝間絕緣材料、發(fā)熱情況等因素，該型電機(jī)定子絕緣薄弱區(qū)域很有可能就位于定子繞組直線出槽口處。

2牽引電機(jī)燒損的對策

為了降低牽引電機(jī)燒損故障率，從電機(jī)大修工作的實(shí)際情況出發(fā)，可以采用以下方案解決。

2.1 ?對電機(jī)重新進(jìn)行真空壓力浸漆（VPI），或者進(jìn)行絕緣升級

為了提高大中型電機(jī)質(zhì)量和可靠性，現(xiàn)在均采用真空壓力浸漆工藝，將電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子先放到烘爐內(nèi)預(yù)熱，然后在浸漆罐內(nèi)抽空空氣，再把浸漬漆輸入罐內(nèi)，浸沒電機(jī)，用氦氣在液面上加一定的壓力，利用浸漬漆的毛細(xì)作用，以實(shí)現(xiàn)均勻浸漆，最后再送到烘爐，在一定的溫度條件下，使電機(jī)的繞組和鐵芯固化成一體。其主要優(yōu)點(diǎn)如下：（1）增強(qiáng)繞組的機(jī)械強(qiáng)度;（2）增強(qiáng)繞組層間、匝間的絕緣強(qiáng)度;（3）達(dá)到“三防”即防潮、防鹽霧、防霉的要求;（4）降低運(yùn)行溫度和溫升;（5）提高絕緣導(dǎo)熱性以及電機(jī)的出力，一般可提高10% ～ 15% ，并且降低電機(jī)的噪聲。當(dāng)然，如果重新浸漆，其浸漆前的預(yù)備工作跟新制電機(jī)不同，舊電機(jī)重新浸漆需要對定子繞組重新進(jìn)行嚴(yán)格地清潔除漆，以保證浸漆效果。采用真空壓力浸漆重新對電機(jī)進(jìn)行加強(qiáng)絕緣，可以在一定程度上降低定子絕緣老化導(dǎo)致可能引發(fā)的絕緣擊穿故障率。

2.2 ?完善電機(jī)檢修工藝與手段

在電機(jī)大修過程中，目前只作絕緣測試、耐壓試驗(yàn)以及相間直流電阻的測量。采用絕緣電阻測量和耐壓測試。這樣靜態(tài)測試無法模擬電機(jī)動態(tài)運(yùn)行過程，包括變化的負(fù)載、頻繁的起停、多向的振動等等。因此目前的檢修手段，無法對電機(jī)的絕緣性能作出全面、細(xì)致地評估，也無法掌握絕緣性能的老化情況。另外，目前的檢修只是對兩相之間的靜態(tài)電阻進(jìn)行了測量，而牽引電機(jī)本身就是很大的感性負(fù)載，因此僅憑測量的電阻值來判斷定子繞組三相平衡是不夠準(zhǔn)確的，只有綜合考慮阻抗相角等參數(shù)才能比較準(zhǔn)確地判斷電機(jī)的靜態(tài)電氣性能。

為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的全面監(jiān)測與預(yù)測維修，需要完善與改進(jìn)現(xiàn)有的檢修手段。因此，在較為完善的檢修設(shè)備與技術(shù)條件下，通過測試表征牽引電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)，例如三相電壓、電流、直流電阻、阻抗、電感、相角、對地絕緣、介質(zhì)損耗、吸收比等，從而利于評判繞組匝間品質(zhì)并且發(fā)現(xiàn)早期微小的匝間短路。

表1為美國能源部及IEEE的電機(jī)參數(shù)評判標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，阻抗測試較直流電阻的測試更精確，I/F 用于評估故障源于定子還是轉(zhuǎn)子，且能夠診斷早期匝間短路等故障。表中數(shù)據(jù)為三相繞組任意兩相之間繞組參數(shù)測量值的偏差，例如當(dāng)任意兩相之間阻抗偏差大于等于5% ，則可判定該電機(jī)存在繞組故障。

總之，通過完善與改善牽引電機(jī)檢測手段，對電機(jī)運(yùn)行過程中的各關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行定期監(jiān)控，將有助于對其狀態(tài)的全面評估，將電機(jī)燒損的風(fēng)險(xiǎn)降低到最小。

3結(jié)論

牽引電機(jī)絕緣系統(tǒng)的老化不可避免。電機(jī)的燒損是由端電壓過沖、發(fā)熱損耗空間電荷以及電磁激振力的綜合作用導(dǎo)致的，并且以上各種因素活躍的主要區(qū)域很可能就位于繞組直線出槽口處。因此有必要完善電機(jī)架在大修過程中的檢修手段以及對定子絕緣采取補(bǔ)救措施，特別是對匝間絕緣進(jìn)行加強(qiáng)。與此同時(shí)，采用比較可靠的檢測手段對電機(jī)進(jìn)行全面的絕緣性能評測，對存在問題的電機(jī)采取相應(yīng)的措施。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陸寶琦.交流變頻電機(jī)的絕緣[J].絕緣材料，2001，（3）：29-34。

[2] 何恩廣.交流傳動機(jī)車變頻調(diào)速牽引電機(jī)絕緣破壞機(jī)理及對策研究[R].北京：清華大學(xué)，2003。

[3] 何恩廣，陳紅生，劉學(xué)忠，等.變頻交流牽引電機(jī)絕緣系統(tǒng)新構(gòu)想[J].電力機(jī)車技術(shù)，2002，（3）：17-19。