關于一種機車電機定子故障的分析及對策研究

蔣富強

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

關 鍵 詞：牽引電機 絕緣擊穿 真空壓力浸漆

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

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

1定子繞組絕緣擊穿分析

該型電機采用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，對地用聚酰亞胺復合云母作為主絕緣，采用有機硅樹脂作為繞組浸漬漆，并且在繞組出槽口采用Nomex紙以增強線圈的耐振動能力，同時采用VPI（真空壓力浸漆）技術進行固化成型。

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

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部或表面電場強度分布不均，特別是當絕緣內部存在缺陷時，例如存在氣隙或金屬雜質等，出現某些區(qū)域的電場強度高于平均電場強度或擊穿場強低于平均場強的情況，從而導致在該區(qū)域發(fā)生放電現象。局部放電會造成空間電荷的抽出與注入，增加絕緣材料介質損耗，并逐漸導致絕緣材料發(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成為評價絕緣材料性能和壽命的重要方向。由于局部放電的復雜性，需要通過多種表征參數（最大放電電量、平均放電電量、放電重復率、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行，然后對采集到的數據特征參數進行統(tǒng)計分析，從而評估試驗對象的絕緣性能。

1.2電機繞組發(fā)熱對絕緣的影響

該型電機采用強迫通風，但由于機車運行路況等因素的影響，進風口容易積累灰塵等異物，阻礙進風量，從而導致與外界的熱交換減小。同時由于傳動端處為出風口，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，而電機的燒損位置就處于該區(qū)域，絕非巧合。

集膚效應的作用也會增加電機損耗，特別是轉子的銅耗，也會增加電機發(fā)熱。電機的損耗發(fā)熱會加劇繞組老化，并且熱量會使絕緣材料膨化，進一步增強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致絕緣擊穿。在電機定子繞組在通風槽口、線圈直線出槽口處以及繞組端部，電場比較集中，當局部位置場強達到一定數值時，氣體發(fā)生局部電離，產生電暈現象。電暈產生熱效應和臭氧、氦的氧化物使線圈內局部溫度升高，致使絕緣老化、破損、腐蝕。

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

2牽引電機燒損的對策

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

2.1 ?對電機重新進行真空壓力浸漆（VPI），或者進行絕緣升級

為了提高大中型電機質量和可靠性，現在均采用真空壓力浸漆工藝，將電機的定子、轉子先放到烘爐內預熱，然后在浸漆罐內抽空空氣，再把浸漬漆輸入罐內，浸沒電機，用氦氣在液面上加一定的壓力，利用浸漬漆的毛細作用，以實現均勻浸漆，最后再送到烘爐，在一定的溫度條件下，使電機的繞組和鐵芯固化成一體。其主要優(yōu)點如下：（1）增強繞組的機械強度;（2）增強繞組層間、匝間的絕緣強度;（3）達到“三防”即防潮、防鹽霧、防霉的要求;（4）降低運行溫度和溫升;（5）提高絕緣導熱性以及電機的出力，一般可提高10% ～ 15% ，并且降低電機的噪聲。當然，如果重新浸漆，其浸漆前的預備工作跟新制電機不同，舊電機重新浸漆需要對定子繞組重新進行嚴格地清潔除漆，以保證浸漆效果。采用真空壓力浸漆重新對電機進行加強絕緣，可以在一定程度上降低定子絕緣老化導致可能引發(fā)的絕緣擊穿故障率。

2.2 ?完善電機檢修工藝與手段

在電機大修過程中，目前只作絕緣測試、耐壓試驗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)測試無法模擬電機動態(tài)運行過程，包括變化的負載、頻繁的起停、多向的振動等等。因此目前的檢修手段，無法對電機的絕緣性能作出全面、細致地評估，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)電阻進行了測量，而牽引電機本身就是很大的感性負載，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確的，只有綜合考慮阻抗相角等參數才能比較準確地判斷電機的靜態(tài)電氣性能。

為了實現電機運行狀態(tài)的全面監(jiān)測與預測維修，需要完善與改進現有的檢修手段。因此，在較為完善的檢修設備與技術條件下，通過測試表征牽引電機運行狀態(tài)的關鍵參數，例如三相電壓、電流、直流電阻、阻抗、電感、相角、對地絕緣、介質損耗、吸收比等，從而利于評判繞組匝間品質并且發(fā)現早期微小的匝間短路。

表1為美國能源部及IEEE的電機參數評判標準。該標準認為，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子，且能夠診斷早期匝間短路等故障。表中數據為三相繞組任意兩相之間繞組參數測量值的偏差，例如當任意兩相之間阻抗偏差大于等于5% ，則可判定該電機存在繞組故障。

總之，通過完善與改善牽引電機檢測手段，對電機運行過程中的各關鍵參數進行定期監(jiān)控，將有助于對其狀態(tài)的全面評估，將電機燒損的風險降低到最小。

3結論

牽引電機絕緣系統(tǒng)的老化不可避免。電機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架在大修過程中的檢修手段以及對定子絕緣采取補救措施，特別是對匝間絕緣進行加強。與此同時，采用比較可靠的檢測手段對電機進行全面的絕緣性能評測，對存在問題的電機采取相應的措施。

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