露天礦運(yùn)輸車牽引電動機(jī)絕緣試驗(yàn)應(yīng)用研究

中車永濟(jì)電機(jī)有限公司 山西永濟(jì) 044502

在大型露天礦，礦石運(yùn)輸車大部分采用交流牽引電動機(jī)提供動力，牽引電動機(jī)故障會導(dǎo)致運(yùn)輸車無法工作，直接影響礦石運(yùn)輸。因此牽引電動機(jī)在露天礦運(yùn)輸中占有非常重要的地位，它的可靠運(yùn)行直接影響到露天礦的生產(chǎn)效率。在中煤能源平朔露天煤礦，有數(shù)十臺小松 830E、930E 重型自卸卡車，載重 220～290 t，每臺卡車裝有 2 個(gè)牽引電動機(jī)，控制方式為柴油發(fā)動機(jī)拖動同步主發(fā)電機(jī)，發(fā)出來的交流電先整流再由變頻器逆變成頻率可調(diào)的交流電，供給牽引電動機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。牽引電動機(jī)檢修的核心是絕緣，牽引電動機(jī)絕緣被稱為牽引電動機(jī)的心臟，交流牽引電動機(jī)由于采用變頻器供電，變頻器產(chǎn)生的高頻尖峰電壓對絕緣有較強(qiáng)的電腐蝕作用。牽引電動機(jī)絕緣失效導(dǎo)致的繞組接地和匝間短路占牽引電動機(jī)故障的 30% 以上。目前，露天礦電動機(jī)檢修部門一些專業(yè)技術(shù)人員對牽引電動機(jī)絕緣試驗(yàn)方法認(rèn)識不全面、不深入，無法發(fā)現(xiàn)牽引電動機(jī)絕緣的一些潛在缺陷，導(dǎo)致牽引電動機(jī)檢修后運(yùn)行故障率較高。筆者將高鐵牽引電動機(jī)定期維護(hù)保養(yǎng)和檢修技術(shù)引入露天礦運(yùn)輸車牽引電動機(jī)檢修中，特別是電動機(jī)絕緣試驗(yàn)方法，取得了良好效果。

1 電動機(jī)絕緣故障及絕緣老化

1.1 絕緣故障

電動機(jī)絕緣分為對地絕緣和匝間絕緣。對地絕緣指電動機(jī)帶電導(dǎo)體與不帶電部分之間的絕緣，匝間絕緣指電動機(jī)不同電位導(dǎo)體之間的絕緣。

電動機(jī)絕緣故障主要表現(xiàn)為繞組接地和匝間短路。接地指電動機(jī)帶電導(dǎo)體與不帶電部分短路；匝間短路指電動機(jī)不同電位導(dǎo)體短路。這 2 種故障均由絕緣失效引起。

1.2 絕緣老化

電動機(jī)長期運(yùn)行后絕緣會逐漸老化，造成電動機(jī)老化的因素主要有熱應(yīng)力、電氣應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力。

(1)熱應(yīng)力指繞組的運(yùn)行溫度對絕緣的影響。絕緣處于高溫下，超過臨界溫度后，會被空氣氧化，使絕緣脆化、分層。每升高 10 ℃，絕緣壽命縮短一半。

(2)電氣應(yīng)力指絕緣在電動機(jī)電壓作用下，如果有缺陷，先局部微小放電，電火花會轟擊固體絕緣，使絕緣出現(xiàn)空隙，反過來又加劇局部放電，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致絕緣失效。

(3)機(jī)械應(yīng)力指絕緣受到機(jī)械力的作用產(chǎn)生磨損。例如電動機(jī)工作時(shí)會振動，如果槽中的線圈比較松，線圈與鐵心相對移動產(chǎn)生摩擦，造成主絕緣磨損。

(4)環(huán)境應(yīng)力指環(huán)境因素對絕緣的影響。凝結(jié)在繞組上的潮氣、過高的濕度、侵蝕性的化學(xué)物質(zhì)、油污和粉塵污染、冷卻空氣的腐蝕性顆粒，都會形成導(dǎo)電通路，造成絕緣爬電和內(nèi)部局部放電，加劇絕緣老化[1]。

2 牽引電動機(jī)絕緣試驗(yàn)

牽引電動機(jī)絕緣老化是不可避免的，關(guān)鍵是在牽引電動機(jī)檢修中如何評判牽引電動機(jī)絕緣是否可以繼續(xù)使用。各地露天礦牽引電動機(jī)檢修部門的電動機(jī)絕緣試驗(yàn)方法互不相同，筆者引入高鐵牽引電動機(jī)的絕緣試驗(yàn)方法，并參考相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)露天礦運(yùn)輸車牽引電動機(jī)絕緣試驗(yàn)規(guī)范化。

2.1 對地絕緣試驗(yàn)

2.1.1 絕緣電阻

絕緣電阻試驗(yàn)是測量電動機(jī)帶電部分與不帶電部分之間絕緣的電阻值，如定子線圈與機(jī)座，測量時(shí)需斷開電動機(jī)與其他設(shè)備的電氣連接，在電動機(jī)銅導(dǎo)體與機(jī)座之間施加一個(gè)直流電壓，測量絕緣的電阻值。測量儀器使用 FLUCKF1508 絕緣測試儀。電動機(jī)絕緣電阻測試電壓如表 1 所列。

對于冷態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)的電動機(jī)，則以冷態(tài)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考核，對于進(jìn)行熱試驗(yàn)和負(fù)載試驗(yàn)的牽引電動機(jī)，則以熱態(tài)標(biāo)準(zhǔn)考核。

(1)中小型電動機(jī) 熱態(tài)下電動機(jī)絕緣的絕緣電阻最小值。

式中：UN為電動機(jī)額定電壓，V；P為電動機(jī)額定功率，對直流和交流電動機(jī)，kW，對交流同步發(fā)電機(jī)為 kvar。

若以式(1)計(jì)算所得數(shù)值＜0.38 MΩ，則以 0.38 MΩ 作為最小允許值。

(2)變頻調(diào)速牽引電動機(jī) JB/T 7118—2004 規(guī)定熱態(tài)下絕緣電阻的最小限值為 0.69 MΩ。冷態(tài)時(shí)，低壓電動機(jī)(額定電壓≤1 000 V 的交流電動機(jī)；額定電壓≤1 500 V 的直流電動機(jī))絕緣電阻的最小限值為5 MΩ；高壓電動機(jī)(額定電壓＞1 000 V 的交流電動機(jī)；額定電壓＞1 500 V 的直流電動機(jī))絕緣電阻的最小限值為 50 MΩ[2]。

電動機(jī)絕緣電阻等于配件絕緣電阻并聯(lián)后的總電阻，低于各配件絕緣電阻。因此電動機(jī)絕緣電阻低，并不能認(rèn)為所有配件絕緣電阻低，只能說明牽引電動機(jī)絕緣存在薄弱點(diǎn)。因此，找到絕緣電阻低的薄弱點(diǎn)，消除絕緣薄弱點(diǎn)即可使?fàn)恳妱訖C(jī)絕緣電阻升高。例如：直流牽引電動機(jī)定子主極繞組絕緣電阻低，主極繞組由 4 個(gè)主極線圈串聯(lián)，只須分段測量查找，找出絕緣電阻低的主極線圈，更換主極線圈絕緣，即可提高電動機(jī)整體的絕緣電阻。

2.1.2 極化指數(shù)與吸收比

在露天礦電修車間，檢修人員往往認(rèn)為電動機(jī)絕緣電阻足夠大，達(dá)到 1 GΩ 以上，電動機(jī)絕緣就是合格的，這種認(rèn)識是片面的。電動機(jī)絕緣的好壞除了用絕緣電阻的大小評判外，還需要用絕緣電阻隨時(shí)間變化的快慢來評判。正常狀態(tài)下，測量絕緣電阻時(shí)電動機(jī)絕緣電阻值是隨著時(shí)間的增加逐步增加，不同電動機(jī)絕緣狀態(tài)不同，絕緣電阻增長速度不同。假如 2 臺牽引電動機(jī)，絕緣電阻均為 1 GΩ。一臺牽引電動機(jī)絕緣電阻上升到 1 GΩ 用時(shí) 20 s，另一臺用時(shí) 120 s，則第一臺電動機(jī)絕緣電阻升高的快，表明絕緣抵御電壓的能力強(qiáng)，絕緣狀態(tài)好。為了表示絕緣電阻隨時(shí)間變化快慢的程度，引入極化指數(shù)PI和吸收比Km2 個(gè)指標(biāo)。

極化指數(shù)PI指牽引電動機(jī) 10 min 絕緣電阻與 1 min 絕緣電阻的比值。

吸收比Km指牽引電動機(jī) 60 s 的絕緣電阻值與 15 s 絕緣電阻值的比值。

對于新造牽引電動機(jī)，PI≥1.5；對于檢修牽引電動機(jī)，PI≥1.2。Km≥1.3，表明絕緣合格[3]。

2.1.3 交流工頻耐壓

交流工頻耐壓試驗(yàn)指對電動機(jī)施加交流工頻電壓，模擬電動機(jī)實(shí)際工況，檢測絕緣是否合格。如果電動機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)生接地故障，將在電動機(jī)繞組上產(chǎn)生過電壓，可能使運(yùn)行中的定子繞組發(fā)生故障。交流耐壓試驗(yàn)的目的就是為了發(fā)現(xiàn)絕緣的這類潛在缺陷。需要注意的是，交流工頻耐壓是破壞性試驗(yàn)，試驗(yàn)前須在絕緣電阻、極化指數(shù)、吸收比試驗(yàn)合格后進(jìn)行，否則容易擊穿絕緣，將故障擴(kuò)大。交流工頻耐壓試驗(yàn)時(shí)間為 60 s。

DL/T 596—1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，交流電動機(jī)定子繞組工頻耐壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：①不更換或局部更換定子繞組，試驗(yàn)電壓為 1.5UN，但不低于 1 000 V；②全部更換定子繞組，試驗(yàn)電壓為2UN+1 000 V，但不低于 1 500 V。直流電動機(jī)繞組的交流耐壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：①不更換或局部更換繞組，試驗(yàn)電壓為 1 000 V；②全部更換繞組后，試驗(yàn)電壓為2UN+1 000 V，但不低于 1 500 V。

2.1.4 直流泄漏電流試驗(yàn)

直流泄漏電流試驗(yàn)是指將直流電壓施加在絕緣上，測量直流泄漏電流，通過泄漏電流的大小和規(guī)律可有效發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷。它不是破壞性試驗(yàn)，不會引起絕緣的電老化，不能與交流工頻耐壓試驗(yàn)互相替代。參照 IEC60034 標(biāo)準(zhǔn)，直流泄漏電流耐壓試驗(yàn)值為交流工頻耐壓試驗(yàn)值的 1.7 倍，試驗(yàn)時(shí)其余繞組和機(jī)座必須接地。試驗(yàn)結(jié)果如果出現(xiàn)以下情況之一：①外施電壓不變，泄漏電流時(shí)間增大；②在額定試驗(yàn)電壓，泄漏電流＞20 μA，則需要查找絕緣缺陷[4]。

2.1.5 介質(zhì)損耗因數(shù)及增量試驗(yàn)

介質(zhì)損耗是絕緣材料的一種特性。理想狀態(tài)下，繞組絕緣的特性類似于純電容器，也就是說，它儲存能量，而不消耗能量。實(shí)際上，絕緣在承受交流電壓時(shí)，介質(zhì)內(nèi)會通過電流產(chǎn)生能量損耗，引起介質(zhì)發(fā)熱，這種損耗稱介質(zhì)損耗，介質(zhì)損耗越大，說明絕緣能量損耗越嚴(yán)重，狀態(tài)越差。常見介質(zhì)損耗的原因有絕緣受潮和絕緣老化變質(zhì)。介質(zhì)損耗的大小用介質(zhì)損耗因數(shù)tgδ來表示。介質(zhì)損耗因數(shù)tgδ為通過絕緣的有功電流Ir與無功電流Ic的比值。介質(zhì)損耗相量圖如圖 1 所示。

圖1 介質(zhì)損耗相量圖Fig.1 Phasor diagram of dielectric loss

介質(zhì)損耗因數(shù)tgδ與絕緣材料中的空氣含量、溫度、試驗(yàn)頻率和外施電壓有關(guān)。tgδ在電壓升高時(shí)急增，這是絕緣結(jié)構(gòu)夾雜氣孔的主要特征，由于空氣電離使介質(zhì)損耗增加。

當(dāng)電場強(qiáng)度加強(qiáng)到某一臨界值，絕緣層缺陷部位開始局部放電，tgδ急增。通常將 0.6UN與 0.2UN電壓測得的tgδ差值稱為增量Δtgδ。Δtgδ可作為評價(jià)絕緣內(nèi)缺陷程度的另一個(gè)指標(biāo)。

理論上tgδ和Δtgδ越小越好，當(dāng)絕緣老化時(shí)，極化現(xiàn)象嚴(yán)重，tgδ和Δtgδ會大幅增加。

根據(jù) GB/T 20833.3—2018 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在室溫下，0.2UN下介質(zhì)損耗因數(shù)的初始值tgδ(0.2UN)最大值為 2.0×10-4，增量 Δtgδ(0.6UN與 0.2UN下介質(zhì)損耗因數(shù)之差)最大值為 5.0×10-3[5]。

2.2 匝間絕緣試驗(yàn)

匝間絕緣是不同電位導(dǎo)體之間的絕緣。其試驗(yàn)方法屬于對比試驗(yàn)，比較電動機(jī)三相之間的電參數(shù)是否一致，來判斷是否有匝間絕緣失效引起的繞組匝間短路故障。試驗(yàn)方法有匝間高頻浪涌試驗(yàn)。

測試原理：牽引電動機(jī)繞組等值電路類似于一個(gè)R-L電路，用測試儀器對繞組試驗(yàn)時(shí)，相當(dāng)于并聯(lián)一個(gè)電容，形成R-L-C電路，如圖 2 所示。

試驗(yàn)時(shí)，儀器給 2 個(gè)繞組施加同樣的脈沖電壓，儀器示波器上顯示 2 個(gè)繞組的震蕩衰減放電波形。震蕩衰減放電波形如圖 3 所示。當(dāng) 2 個(gè)繞組的形狀、匝數(shù)等參數(shù)完全相同時(shí)，其波形完全重合，如圖 3(a)所示；若 2 個(gè)繞組的電磁參數(shù)不完全相同，如匝數(shù)不相等、磁阻不相等、電容不相等，則其放電曲線就會有差異，如圖 3(b)所示。GB/T 22714—2008 規(guī)定給繞組施加脈沖電壓為交流工頻耐壓的 1.7 倍，時(shí)間為 1～3 s。

圖2 R-L-C 電路Fig.2 R-L-C circuit

圖3 震蕩衰減放電波形Fig.3 Oscillation attenuation discharge waveform

評判標(biāo)準(zhǔn)：三相繞組波形重合為絕緣合格，不重合表明匝間短路。

3 結(jié)語

高鐵牽引電動機(jī)事關(guān)行車安全和生命安全，質(zhì)量要求高于露天礦運(yùn)輸車牽引電動機(jī)，試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)先于運(yùn)輸車牽引電動機(jī)，通過上述絕緣試驗(yàn)方法的高鐵牽引電動機(jī)絕緣故障率遠(yuǎn)低于電動機(jī)行業(yè)平均水平。將高鐵電動機(jī)絕緣試驗(yàn)方法在國家能源準(zhǔn)能黑岱溝礦830E 卡車 GEB25 牽引電動機(jī)進(jìn)行了應(yīng)用，通過絕緣試驗(yàn)的 GEB25 牽引電動機(jī)可靠性明顯提升，故障率大幅下降。因此，在運(yùn)輸車牽引電動機(jī)絕緣試驗(yàn)方面引入高鐵牽引電動機(jī)絕緣試驗(yàn)技術(shù)，有利于運(yùn)輸車牽引電動機(jī)絕緣試驗(yàn)全面、統(tǒng)一、規(guī)范，提高了電動機(jī)絕緣故障診斷準(zhǔn)確率，可在早期發(fā)現(xiàn)露天礦運(yùn)輸車牽引電動機(jī)絕緣故障，降低牽引電動機(jī)運(yùn)行故障率，保證露天礦生產(chǎn)運(yùn)輸正常進(jìn)行。