潮濕環(huán)境對牽引電機(jī)定子繞組絕緣性能影響研究

2023-12-15 09:12:36劉冠芳張曉強(qiáng)樊潔心裴曉梅

絕緣材料 2023年11期

劉冠芳，張曉強(qiáng)，樊潔心，裴曉梅

（1.中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，山西永濟(jì) 044502；2.軌道交通牽引電機(jī)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西永濟(jì) 044502）

0 引言

隨著軌道交通市場領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，牽引電機(jī)在高寒、潮濕等特殊環(huán)境下的應(yīng)用越來越廣泛。寒冷環(huán)境會使電機(jī)繞組絕緣層表面產(chǎn)生凝露[1]，嚴(yán)重時會產(chǎn)生積水，電機(jī)長期在潮濕、凝露及積水環(huán)境中運(yùn)行和存放，會出現(xiàn)絕緣電阻下降的現(xiàn)象，導(dǎo)致電機(jī)無法正常運(yùn)行、甚至引發(fā)絕緣失效等故障[2]。因此，開展潮濕環(huán)境對牽引電機(jī)繞組絕緣性能的影響研究，找出電機(jī)繞組絕緣系統(tǒng)中的薄弱點(diǎn)，對電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有非常重要的指導(dǎo)意義。

在25℃的環(huán)境溫度中，當(dāng)空氣相對濕度大于80%時，電機(jī)絕緣的吸濕現(xiàn)象會顯著增加，因此濕度對絕緣系統(tǒng)的影響不容忽視。環(huán)境濕度對電機(jī)絕緣性能的影響國內(nèi)外學(xué)者已做了大量研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)潮濕環(huán)境對絕緣電阻的影響較大，絕緣受潮后絕緣電阻下降明顯[3-4]，介質(zhì)損耗因數(shù)隨著濕度的增加而增大[5]，正弦電壓下局部放電幅值隨著濕度的增加而降低[6]，單極性重復(fù)短脈沖下電機(jī)匝間絕緣的耐電暈壽命隨著濕度的增加而縮短[2]，電機(jī)絕緣系統(tǒng)經(jīng)過溫度變化、鹽霧、濕熱試驗(yàn)后絕緣性能下降[1,7-8]。以上研究主要以絕緣材料和電機(jī)結(jié)構(gòu)模型為研究對象，而針對潮濕環(huán)境下電機(jī)存放和運(yùn)行對整體電機(jī)絕緣系統(tǒng)的影響未見研究報(bào)道。

本文以560 kW 牽引電機(jī)定子繞組絕緣系統(tǒng)為研究對象，對比測量在潮濕環(huán)境中運(yùn)行前后的繞組絕緣性能，分析濕氣向絕緣系統(tǒng)滲透的主要途徑，以確定電機(jī)絕緣受潮性能下降的關(guān)鍵位置，從而指導(dǎo)電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣準(zhǔn)備

牽引電機(jī)整體絕緣系統(tǒng)受環(huán)境濕度影響的結(jié)構(gòu)包括主絕緣、端部絕緣和聯(lián)線絕緣，對主絕緣受潮的影響分析使用電機(jī)定子試樣，對端部絕緣和聯(lián)線絕緣的受潮影響分析使用電機(jī)繞組端部（包含聯(lián)線）試樣。

1.1.1 電機(jī)定子

一臺新造牽引電機(jī)定子（以下簡稱新造定子），一臺運(yùn)行7 年后的牽引電機(jī)定子（以下簡稱檢修定子），4 極電機(jī)，12 個極相組，耐溫等級為200 級，采用有機(jī)硅絕緣系統(tǒng)。

1.1.2 電機(jī)繞組端部

將檢修定子繞組引線端的端部整體切下，隨機(jī)取其中的5 個端部試樣進(jìn)行試驗(yàn)，每個試樣分成A（R 角）、B（斜邊）、C（鼻部）和D（聯(lián)線焊接部位）4 個區(qū)段部分，如圖1所示。

圖1 電機(jī)定子繞組端部試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of motor stator winding end sample

1.2 試樣方法

1.2.1 電機(jī)定子繞組試驗(yàn)

對電機(jī)定子繞組進(jìn)行不同溫度的濕熱試驗(yàn)，設(shè)置高溫為80℃，低溫為30℃，相對濕度為93%，高溫或低溫下保持4 h 后交變1 次，共6 個周期。分別測試濕熱試驗(yàn)前后電機(jī)定子的絕緣電阻和擊穿電壓，分析定子繞組受潮后對絕緣性能的影響。

對受潮的電機(jī)定子繞組進(jìn)行烘干，待電機(jī)定子在烘箱中冷卻至50℃左右移出烘箱，在自然環(huán)境中連續(xù)放置50 h，在此期間每隔一定時間測試一次絕緣電阻，對比分析電機(jī)絕緣在吸潮過程絕緣電阻的變化規(guī)律。

1.2.2 電機(jī)繞組端部試驗(yàn)

對電機(jī)繞組端部4 個部分（如圖1 所示）分別進(jìn)行不同溫度的濕熱試驗(yàn)，試驗(yàn)條件與電機(jī)定子繞組試驗(yàn)一致。當(dāng)對其中某一部位進(jìn)行濕熱試驗(yàn)時，對其他部位包繞聚四氟乙烯帶和硅橡膠自粘帶進(jìn)行防潮處理，測試濕熱試驗(yàn)前后的絕緣電阻，并對比分析電機(jī)繞組端部的絕緣薄弱點(diǎn)。

1.3 設(shè)備儀器

Fluke1508型絕緣電阻表，F(xiàn)luke公司；工頻耐壓測試儀，上海海鷹電氣有限公司。

2 結(jié)果與討論

2.1 電機(jī)定子繞組

2.1.1 濕熱試驗(yàn)

對濕熱試驗(yàn)前后新造定子和檢修定子的絕緣電阻進(jìn)行測試，結(jié)果如表1所示。

表1 濕熱試驗(yàn)前后電機(jī)定子繞組絕緣電阻Tab.1 Insulation resistance of motor stator winding before and after wet heat test GΩ

從表1 可以看出，新造定子濕熱試驗(yàn)前后的絕緣電阻均大于檢修定子，這是因?yàn)闄z修定子絕緣系統(tǒng)在運(yùn)行中受電、熱、機(jī)械以及環(huán)境應(yīng)力的影響，使其絕緣性能下降[9]，導(dǎo)致濕熱試驗(yàn)后的絕緣電阻顯著降低，下降至1 GΩ 以下。進(jìn)一步將檢修定子繞組分為12 個線圈組，分別進(jìn)行絕緣電阻測試，結(jié)果如圖2所示。

圖2 檢修定子繞組濕熱試驗(yàn)前后絕緣電阻變化Fig.2 Change of insulation resistance of old stator winding before and after wet heat test

從圖2 可以看出，濕熱試驗(yàn)后每組線圈的絕緣電阻均明顯下降，但每組線圈的絕緣電阻也各不相同，這主要是因?yàn)榫€圈在運(yùn)行時承受的應(yīng)力不同，運(yùn)行后每個繞組的絕緣老化程度也不同[10-11]。對絕緣電阻1 GΩ 以上和以下各3 個線圈組進(jìn)行擊穿電壓測試，分析絕緣電阻與擊穿電壓的關(guān)系，結(jié)果如表2所示。

表2 線圈絕緣電阻與擊穿電壓的關(guān)系Tab.2 Relationship between insulation resistance and breakdown voltage of coil

從表2 可以看出，線圈絕緣電阻與擊穿電壓雖有一定關(guān)系，但沒有明顯的關(guān)聯(lián)度，說明絕緣電阻下降不是繞組絕緣缺陷造成的，而是由于電機(jī)運(yùn)行后電機(jī)繞組端部表面有污垢、油等污染物，受潮后表面泄漏電流增大，導(dǎo)致電阻降低[12]。

2.1.2 吸潮試驗(yàn)

新造定子和檢修定子出烘箱時的溫度為47.6℃，絕緣電阻分別為82.6 GΩ 和46.7 GΩ，此時環(huán)境溫度為33℃，相對濕度為60.4%。在自然環(huán)境放置50 h 的過程中，在第3～16 h 及27～38 h 期間（夜晚）的環(huán)境溫度范圍為27～31℃，相對濕度范圍為65%～72%，而在第16～27 h 及38～50 h 期間（白天）的環(huán)境溫度范圍為31～34℃，相對濕度范圍為50%～65%。新造定子和檢修定子的絕緣電阻隨放置時間的變化如圖3和圖4所示。

圖3 新造定子繞組絕緣電阻變化Fig.3 Insulation resistance change of new stator winding

圖4 檢修定子繞組絕緣電阻變化Fig.4 Insulation resistance cahnge of old stator winding

從圖3 和圖4 可以看出，新造定子在出烘箱2 h后繞組絕緣電阻增大，檢修定子出烘箱2 h 后繞組絕緣電阻先減小后增大，這主要是檢修定子繞組烘干后潮氣雖然已經(jīng)排除但是濕氣通道仍然存在，因此檢修定子出烘箱后潮濕空氣使繞組絕緣電阻下降，隨后電機(jī)的溫度下降，使繞組絕緣電阻又有所增加。

經(jīng)2 h后夜晚期間電機(jī)定子絕緣電阻下降，16 h后的白天期間絕緣電阻又回升，這主要是由于夜晚濕度較大，容易形成凝露，導(dǎo)致電機(jī)定子表面泄漏電流增大，即表面絕緣電阻降低[13]，而白天溫度升高且濕度較小，從而使試樣濕氣有所排除，絕緣電阻出現(xiàn)回升的趨勢。

牽引電機(jī)實(shí)際運(yùn)行溫度比較高，約180℃以上，每天運(yùn)行時間長達(dá)16 h，因此在運(yùn)行中可以將電機(jī)完全烘干，但是從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在潮濕環(huán)境中存放繞組絕緣電阻又會降低，并且相隔1 天絕緣電阻的最大值變小，電機(jī)絕緣長時吸潮后繞組絕緣電阻會產(chǎn)生持續(xù)降低的趨勢，說明隨著時間的增加濕氣通道越明顯。

2.2 電機(jī)繞組端部

對電機(jī)繞組端部斜邊和鼻部試樣的絕緣電阻進(jìn)行測試時，在匝導(dǎo)體施加正極性直流測試電壓，采用銅導(dǎo)電膠帶包繞測試位置作為負(fù)電極；對聯(lián)線焊接部位的絕緣電阻進(jìn)行測試時，首先進(jìn)行濕熱試驗(yàn)，然后將聯(lián)線焊接部位浸入水中，在水電極下測試?yán)@組段的絕緣電阻，再將端部試樣烘干，對聯(lián)線焊接部位噴涂導(dǎo)電漆作為低壓端，進(jìn)行繞組段絕緣電阻的測試，5個試樣的電阻中值如表3所示。

表3 濕熱試驗(yàn)前后電機(jī)繞組端部絕緣電阻Tab.3 Insulation resistance of motor winding end before and after wet heat test GΩ

從表3 可以看出，受潮后各部位絕緣電阻均有下降，其中聯(lián)線焊接部位的絕緣電阻最低，這主要是因?yàn)槁?lián)線焊接部位焊接時破壞了電磁線本體絕緣，并且空間尺寸比較小導(dǎo)致絕緣包扎不夠服帖，絕緣防護(hù)主要靠絕緣漆，而有機(jī)硅絕緣樹脂中的硅氧烷分子間作用力較弱[14]，在熱應(yīng)力及機(jī)械應(yīng)力的循環(huán)作用下，絕緣出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，導(dǎo)致潮氣浸入絕緣系統(tǒng)。