電力機(jī)車電機(jī)／主變?cè)验g耐壓絕緣檢測(cè)裝置研究

徐雨笛

（華東交通大學(xué) 大學(xué)本科，江西 南昌 330000）

0 引言

電力機(jī)車的牽引電機(jī)、主變壓器（簡(jiǎn)稱主變）以及高壓互感器電抗器，均是低內(nèi)阻大功率的有感元件，在運(yùn)行中由于溫升、機(jī)械負(fù)荷、電磁場(chǎng)及周圍媒介的作用，電氣性能會(huì)出現(xiàn)劣化。在檢修過(guò)程中不論是大修，還是小修，繞組絕緣檢測(cè)試驗(yàn)是修制質(zhì)量體系可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，對(duì)于電機(jī)的解體檢查或小修電機(jī)，必須通過(guò)匝間絕緣耐壓試驗(yàn)，配合其他相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定其是否進(jìn)一步處理，避免出現(xiàn)在線燒毀的事故發(fā)生。對(duì)于大修電機(jī)，匝間絕緣耐壓試驗(yàn)，可檢測(cè)出繞線、嵌線、接線、浸漆、裝配過(guò)程中的繞組漆膜損傷現(xiàn)象，使修制質(zhì)量得到有效保障，故匝間絕緣耐壓測(cè)試是一個(gè)重要試驗(yàn)手段，試驗(yàn)結(jié)果分析也是正確判斷故障的關(guān)鍵技術(shù)。因此，基于“繞組沖擊法”，研制出電力機(jī)車電機(jī)／主變?cè)验g耐壓絕緣檢測(cè)裝置，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)指導(dǎo)檢修人員采取準(zhǔn)確的修制方法。

1 裝置的設(shè)計(jì)

電力機(jī)車電機(jī)／主變?cè)验g耐壓絕緣檢測(cè)裝置采取便攜式結(jié)構(gòu)，主要工作原理為繞組沖擊法。繞組沖擊法是利用“形成脈沖”的瞬時(shí)大電流的高變化率,在被測(cè)設(shè)備繞組匝間產(chǎn)生足夠高的檢測(cè)電壓。檢測(cè)顯示信號(hào)直接取自繞組匝間。它在準(zhǔn)確、可靠、實(shí)用及經(jīng)濟(jì)性上都較以往的“片間壓降”、“空載發(fā)電機(jī)電壓”、“中頻發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)”等方法,有明顯的優(yōu)越性。裝置工作時(shí)使用內(nèi)置DC 12V鋰電池組供電，電源組經(jīng)變頻通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖發(fā)生器信號(hào)的占空比，選擇性的向沖擊控制器供電，控制器輸出大于500Vpp峰值的低頻脈沖信號(hào)，向試驗(yàn)電機(jī)的繞組加入沖擊電壓，裝置通過(guò)電機(jī)繞組瞬時(shí)大電流高變化率的檢測(cè)，來(lái)達(dá)到被測(cè)電機(jī)或主變繞組的絕緣狀態(tài)，工作原理如圖1所示。

圖1 耐壓絕緣檢測(cè)裝置工作原理圖

2 電路組成

電力機(jī)車電機(jī)／主變?cè)验g耐壓絕緣檢測(cè)裝置由：DC 12.6V 充電接口電路、電池組充電保護(hù)控制電路、12V 鋰電池組、隔離電源組電路、逆變控制器及高壓顯示電路、沖擊電壓加載頻率調(diào)節(jié)控制電路、檢測(cè)爪信號(hào)取樣控制器、信號(hào)放大整形儀表顯示電路和故障檢測(cè)報(bào)警電路組成。

2.1 DC12.6V充電接口電路

電路由鋰電池組BT、繼電器K1、二極管D13，D14，D15組成，主要工作是電池組在充電過(guò)程中，確保主板處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，同時(shí)電量表處于顯示狀態(tài)。如圖2所示。

圖2 DC 12.6V充電接口電路

2.2 電池組充電保護(hù)控制電路

電路由集成芯片S-8209A、場(chǎng)效應(yīng)管、三極管、阻容等外圍元件組成。主要是在-40℃至+85℃的環(huán)境溫度范圍內(nèi)，時(shí)刻監(jiān)視電芯電壓和充放回路電流，及時(shí)控制電流回路的通斷，防止電池由于高溫環(huán)境而導(dǎo)致電池?fù)p壞。如圖3所示。

圖3 LGP-10kV充電保護(hù)控制電路

2.3 12V鋰電池組

裝置內(nèi)置6只型號(hào)為26650金鋼鋰電池，實(shí)行兩并三串，額定電壓11.1V，放電電流可達(dá)7.2A（實(shí)測(cè)），性能的一致性好。

2.4 隔離電源組電路

電路由電源模塊T1、T2、T3 及阻容等外圍元件組成。主要是將12V鋰電池組的電源變換成各獨(dú)立所需的電壓值，向不同的電路供電，以防各電路工作時(shí)的相互干擾。如圖4所示。

圖4 隔離電源組電路

2.5 逆變控制器及高壓顯示電路

電路由電壓驅(qū)動(dòng)型脈寬調(diào)制控制模塊外圍阻容元件組成，主要工作是通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖發(fā)生器信號(hào)的占空比，使高頻變壓器輸出200V～600V 高壓。如圖5所示。

圖5 逆變控制器及高壓顯示電路

2.6 沖擊電壓加載頻率調(diào)節(jié)控制電路

電路由單時(shí)基制控制模塊LM555J、光電耦合器U4、繼電器及外圍阻容元件組成。主要工作是通過(guò)調(diào)節(jié)沖擊電壓的頻率，控制被測(cè)電機(jī)繞組瞬時(shí)大電流高變化率信號(hào)的采樣時(shí)間。如圖6所示。

圖6 沖擊電壓加載頻率調(diào)節(jié)控制電路

2.7 檢測(cè)爪信號(hào)取樣控制器

電路由探針、自復(fù)式檢測(cè)按鈕、航空插頭組成。主要工作是通過(guò)檢測(cè)爪探針將被測(cè)電機(jī)或主變繞組瞬時(shí)大電流高變化率信號(hào)經(jīng)航空插頭供信號(hào)放大整形儀表顯示電路和故障檢測(cè)報(bào)警電路檢測(cè)。如圖7所示。

圖7 檢測(cè)爪信號(hào)取樣控制器連接圖

2.8 信號(hào)放大整形儀表顯示電路

電路由高精密運(yùn)算放大器模塊OP07 及外圍阻容元件組成。主要工作是將被測(cè)電機(jī)或主變繞組瞬時(shí)大電流高變化率的信號(hào)，通過(guò)光電耦合，運(yùn)算放大后由儀表顯示。如圖8所示。

圖8 信號(hào)放大整形儀表顯示電路

2.9 故障檢測(cè)報(bào)警電路

電路由高精密運(yùn)算放大器模塊OP07 及外圍阻容元件組成。主要工作是將被測(cè)電機(jī)或主變繞組瞬時(shí)大電流高變化率的信號(hào)，通過(guò)光電耦合，運(yùn)算放大后監(jiān)控是否正常及報(bào)警。如圖9所示。

3 裝置的測(cè)試原理及實(shí)驗(yàn)

匝間耐壓絕緣檢測(cè)裝置需要在不損壞被測(cè)電機(jī)／主變的條件下測(cè)試其電氣性能，首要條件是能在短暫的瞬間判別繞組的品質(zhì)。測(cè)量時(shí)將與標(biāo)準(zhǔn)線圈測(cè)量時(shí)同樣的脈沖通過(guò)電容器放電施加于被測(cè)繞組，由于繞組電感量和Q 值的存在，構(gòu)成一個(gè)RLC 并聯(lián)諧振回路，將產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)于該放電脈沖的電壓衰減波形，比較該衰減波形的某些特征，可以檢測(cè)線圈匝間和層間短路及圈數(shù)和磁性材料的差異，通過(guò)施加一個(gè)高電壓脈沖，根據(jù)出現(xiàn)的電暈或?qū)娱g放電來(lái)判斷絕緣是否良好。如圖10所示。

圖10 典型的線圈自激衰減振蕩波形

3.1 沖擊電壓的設(shè)定

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T22716-2008《直流電機(jī)電樞繞組匝間絕緣試驗(yàn)規(guī)范》中第5.4 節(jié)試驗(yàn)限值規(guī)定［1］：對(duì)于額定電壓660V以下的一般用途電機(jī)，片間沖擊電壓峰值應(yīng)不低于350Vpp。對(duì)于起重，冶金等特殊電機(jī)及額定電壓為660V以上的電機(jī)，片間沖擊電壓峰值應(yīng)不低于500Vpp，沖擊次數(shù)不少于5次。

按國(guó)標(biāo)GB/T22716-2008規(guī)范，為適應(yīng)機(jī)車的牽引電機(jī)和勵(lì)磁發(fā)電機(jī)等輔機(jī)繞組的匝間絕緣檢測(cè)，把沖擊電壓設(shè)定為200V～600V可調(diào)的范圍。

3.2 采樣間隔時(shí)間dt的選擇

采樣間隔時(shí)間需要根據(jù)圖6 的電路進(jìn)行計(jì)算，圖6 是一個(gè)沖擊電壓加載頻率調(diào)節(jié)控制電路，頻率可通過(guò)公式F=1.443/（R3+2*W3）*C3 進(jìn)行調(diào)節(jié)，范圍為1.4Hz～144.3Hz，本次測(cè)試將其調(diào)整為3Hz，即間隔時(shí)間dt=1/F≈0.33秒。

3.3 脈沖沖擊能量的設(shè)定

脈沖沖擊能量=VxIxdt=500*0.39*0.33≈64.35(焦耳)，式中：Vx為加載電壓；Ix為加載電流；dt為加載間隔時(shí)間。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)測(cè)機(jī)車牽引電機(jī)波形如圖11，符合圖10 波形。

圖11 SS7機(jī)車牽引電機(jī)串勵(lì)繞組匝間耐壓絕緣檢測(cè)波形

4 結(jié)論

檢測(cè)顯示信號(hào)直接取自繞組匝間。它在準(zhǔn)確、可靠、實(shí)用及經(jīng)濟(jì)性上都較以往的“片間壓降”、“空載發(fā)電機(jī)電壓”、“中頻發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)”等方法,有明顯的優(yōu)越性。電力機(jī)車電機(jī)／主變?cè)验g耐壓絕緣檢測(cè)裝置是便攜式結(jié)構(gòu)，方便線上，線下使用，符合國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)機(jī)車主回路和輔回路上的感性元件的檢測(cè)，裝置采用“逆變”技術(shù)，無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)獲取高壓，檢測(cè)信號(hào)通過(guò)“光電耦合”使高、低壓分離，確保裝置的安全。電力機(jī)車電機(jī)／主變?cè)验g耐壓絕緣檢測(cè)裝置操作簡(jiǎn)單，技術(shù)先進(jìn)，適合于鐵路機(jī)車車輛，大型廠礦，供電系統(tǒng)的感性元件檢測(cè)，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。