牽引電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)高寒環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)研究

史開(kāi)華，劉冠芳，吉永紅，郭大鵬，雷平振

（中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，陜西 西安 710016）

0 引言

目前，牽引電機(jī)的正常運(yùn)行環(huán)境溫度為-40～40℃，隨著軌道交通市場(chǎng)的開(kāi)拓和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，牽引電機(jī)將在更低環(huán)境溫度下應(yīng)用（-50℃下啟動(dòng)，-60℃以內(nèi)的冰雪環(huán)境中運(yùn)行），這將對(duì)其在高寒地區(qū)的可靠應(yīng)用提出了更高要求。絕緣結(jié)構(gòu)是電機(jī)的“心臟”，電機(jī)運(yùn)行的可靠性很大程度上由電機(jī)絕緣性能決定[1-2]。因此，按照國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3-5]，在高寒環(huán)境條件下使用的絕緣結(jié)構(gòu)，除應(yīng)滿足原有基本性能要求以外，還應(yīng)根據(jù)絕緣結(jié)構(gòu)對(duì)低溫及溫度變化的敏感程度進(jìn)行必要的人工模擬環(huán)境試驗(yàn)，以考核其在高寒環(huán)境條件下的環(huán)境適應(yīng)能力。

高寒地區(qū)氣溫低、溫差大，電機(jī)在低溫啟動(dòng)時(shí)，由于絕緣材料的韌性降低，在機(jī)械振動(dòng)和電磁振動(dòng)等的反復(fù)作用下，可能導(dǎo)致絕緣結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開(kāi)裂或分層現(xiàn)象[6-7]；溫度的劇烈變化使絕緣結(jié)構(gòu)漆膜積聚應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)漆膜強(qiáng)度后會(huì)導(dǎo)致絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)開(kāi)裂和缺陷，促進(jìn)絕緣劣化[8-9]；同時(shí)，由于牽引電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)幾乎完全暴露在戶外環(huán)境，在寒冷地區(qū)，運(yùn)行環(huán)境極易造成牽引電機(jī)的絕緣表面凝露甚至積水，從而在一定程度上增大泄漏電流，降低絕緣性能，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致絕緣結(jié)構(gòu)擊穿失效[8,10]。

本研究針對(duì)牽引電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)開(kāi)展了低溫沖擊振動(dòng)、冷熱沖擊、濕熱、浸水等環(huán)境適應(yīng)性模擬試驗(yàn)和研究，測(cè)試其絕緣性能，對(duì)其高寒環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行分析評(píng)估。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制作

參照GB/T 17948.3—2006[11]中規(guī)定的試樣制作要求，設(shè)計(jì)并制作了試驗(yàn)用定子局部模型，模擬繞組帶鐵芯結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行相應(yīng)的絕緣處理，如圖1所示，每個(gè)定子局部模型有5支可供測(cè)試的線圈。絕緣結(jié)構(gòu)的參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 定子局部模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of stator partial model

表1 絕緣結(jié)構(gòu)的參數(shù)Tab.1 The parameters of insulation structure

1.2 絕緣結(jié)構(gòu)低溫沖擊振動(dòng)試驗(yàn)

低溫沖擊振動(dòng)試驗(yàn)依據(jù)GB/T 21563—2018[12]進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為(-60±3)℃，試驗(yàn)流程如圖2所示，共循環(huán)4個(gè)周期。模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)條件分別如表2和表3所示。

在試驗(yàn)過(guò)程中的第0、2、4周期后，通過(guò)觀察定子局部模型的外觀并測(cè)試其絕緣電阻、介質(zhì)損耗因數(shù)、對(duì)地電容、局部放電、起暈電壓、浸水絕緣電阻（浸水3 h，浸水狀態(tài)下測(cè)試）等電氣性能參數(shù)，以考核絕緣結(jié)構(gòu)對(duì)極端低溫的耐受性，特別是低溫條件下振動(dòng)沖擊和潮濕對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)的影響[13-16]。測(cè)試前需在(150±3)℃/6 h條件下做烘潮處理并自然恢復(fù)至室溫狀態(tài)。試驗(yàn)完成后，對(duì)定子局部模型進(jìn)行工頻擊穿電壓測(cè)試，若擊穿電壓仍保持在80%以上，則認(rèn)為該絕緣結(jié)構(gòu)滿足-60℃低溫環(huán)境的應(yīng)用要求。

圖2 低溫沖擊振動(dòng)試驗(yàn)流程圖Fig.2 Flow chart of low temperature shock vibration test

表2 模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)試驗(yàn)條件Tab.2 Simulated long-life vibration testing conditions

表3 沖擊試驗(yàn)條件Tab.3 Shock testing conditions

1.3 絕緣結(jié)構(gòu)溫度變化/濕熱試驗(yàn)

根據(jù)環(huán)境試驗(yàn)中溫度變化和恒定濕熱對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn) GB/T 2423.22—2012[17]和 GB/T 2423.3—2016[18]進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)流程如圖3所示，共循環(huán)4個(gè)周期，每個(gè)周期中依次進(jìn)行28次溫度變化和168 h恒定濕熱試驗(yàn)。溫度變化的試驗(yàn)條件為：高溫(150±3)℃下3 h，低溫(-60±3)℃下3 h，升、降溫速率為(3.0±0.6)℃/min。恒定濕熱的試驗(yàn)條件為：相對(duì)濕度為(93%±3%)RH，溫度為(40±2)℃。

圖3 溫度變化/濕熱試驗(yàn)流程圖Fig.3 Flow chart of temperature change and hygrothermal test

在試驗(yàn)過(guò)程中的第0、2、4周期后，通過(guò)觀察定子局部模型的外觀并測(cè)試其絕緣電阻、介質(zhì)損耗因數(shù)、對(duì)地電容、局部放電、起暈電壓等電氣性能參數(shù)，以考核絕緣結(jié)構(gòu)對(duì)極端高低溫變化的耐受性，特別是熱機(jī)械應(yīng)力和潮濕對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)的影響[13-16]。

此外，為研究干燥恢復(fù)處理的效果，定子局部模型在第2和第4周期常溫下測(cè)量各介電特性參數(shù)之后，再在(150±3)℃/6 h條件下做烘潮處理并自然恢復(fù)至室溫狀態(tài)后重復(fù)測(cè)量各介電特性參數(shù)。

試驗(yàn)完成后，對(duì)定子局部模型進(jìn)行浸水絕緣電阻（浸水3 h，浸水狀態(tài)下測(cè)試）及工頻擊穿電壓測(cè)試，若擊穿電壓仍保持在80%以上，則認(rèn)為該絕緣結(jié)構(gòu)滿足-60℃低溫環(huán)境的應(yīng)用要求。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 低溫沖擊振動(dòng)試驗(yàn)

絕緣結(jié)構(gòu)在常溫下的介質(zhì)損耗因數(shù)和對(duì)地電容隨試驗(yàn)周期數(shù)的變化趨勢(shì)分別如圖4和圖5所示。從圖4～5可以看出，隨著試驗(yàn)周期數(shù)的增加，絕緣結(jié)構(gòu)在Un測(cè)量電壓下的常溫介質(zhì)損耗因數(shù)和對(duì)地電容呈先增大后減小的趨勢(shì)，而常溫介質(zhì)損耗因數(shù)增量（Δtanδ=tanδ1.5Un-tanδ0.2Un）和常溫對(duì)地電容增量（ΔC=C1.5Un-C0.2Un）呈逐漸增大的趨勢(shì)，說(shuō)明在低溫沖擊振動(dòng)的作用下，絕緣內(nèi)部的空隙逐漸增多，從而使局部放電附加的額外損耗增加。試驗(yàn)4周期后，絕緣結(jié)構(gòu)的Δtanδ仍小于1.0%，按JB/T 50133—1999[19]標(biāo)準(zhǔn)要求，其仍屬于優(yōu)等品。

圖4 絕緣結(jié)構(gòu)介質(zhì)損耗因數(shù)與試驗(yàn)周期數(shù)的關(guān)系Fig.4 The relation between dielectric loss factor of insulation structure and test periods

圖5 絕緣結(jié)構(gòu)對(duì)地電容與試驗(yàn)周期數(shù)的關(guān)系Fig.5 The relation between capacitance-to-ground of insulation structure and test periods

絕緣結(jié)構(gòu)在常溫下的局部放電起始電壓(PDIV)隨試驗(yàn)周期數(shù)的變化趨勢(shì)如圖6所示。從圖6可以看出，隨著試驗(yàn)周期數(shù)的增加，絕緣結(jié)構(gòu)的PDIV呈下降趨勢(shì)，進(jìn)一步說(shuō)明絕緣內(nèi)部的空隙逐漸增多，絕緣性能出現(xiàn)劣化。

圖6 絕緣結(jié)構(gòu)PDIV與試驗(yàn)周期數(shù)的關(guān)系Fig.6 The relation between PDIV of insulation structure and test periods

絕緣結(jié)構(gòu)的起暈電壓隨試驗(yàn)周期數(shù)的變化趨勢(shì)如圖7所示。

圖7 絕緣結(jié)構(gòu)起暈電壓與試驗(yàn)周期數(shù)的關(guān)系Fig.7 The relation between inception voltage of insulation structure and test periods

從圖7可以看出，隨著試驗(yàn)周期數(shù)的增加，絕緣結(jié)構(gòu)的起暈電壓呈下降趨勢(shì)，這可能是由槽口絕緣與鐵心之間在低溫沖擊振動(dòng)的作用下產(chǎn)生的微裂縫或剝離所致。

絕緣結(jié)構(gòu)浸水3 h絕緣電阻及擊穿電壓與試驗(yàn)周期數(shù)的關(guān)系如表4所示。從表4可以看出，隨著試驗(yàn)周期數(shù)的增加，絕緣結(jié)構(gòu)的浸水絕緣電阻呈下降趨勢(shì)，但試驗(yàn)4周期后仍保持在78.0 GΩ。相對(duì)于初始擊穿電壓，低溫沖擊振動(dòng)試驗(yàn)后，絕緣結(jié)構(gòu)的擊穿電壓下降了約11%，說(shuō)明絕緣結(jié)構(gòu)存在輕微劣化現(xiàn)象，但仍處于較高水平，且滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

表4 絕緣結(jié)構(gòu)絕緣電阻及擊穿電壓與試驗(yàn)周期數(shù)的關(guān)系Tab.4 The relation between insulation resistance,breakdown voltage of insulation structure with test periods

綜上所述，在低溫沖擊振動(dòng)的作用下，絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空隙逐漸增多，且槽口絕緣與鐵心之間產(chǎn)生了微裂縫或剝離，存在輕微劣化現(xiàn)象。但試驗(yàn)4周期后絕緣結(jié)構(gòu)的浸水絕緣電阻仍保持在78.0 GΩ左右，且擊穿電壓仍保持在90%左右，表明該絕緣結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的耐低溫性能和防潮性能，可以滿足-60℃低溫環(huán)境的應(yīng)用要求。

2.2 溫度變化/濕熱試驗(yàn)

絕緣結(jié)構(gòu)在常溫下的介質(zhì)損耗因數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)增量及對(duì)地電容隨試驗(yàn)周期數(shù)的變化趨勢(shì)分別如圖8～10所示。從圖8～10可以看出，隨著試驗(yàn)周期數(shù)的增加，絕緣結(jié)構(gòu)在Un測(cè)量電壓下的常溫介質(zhì)損耗因數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)增量Δtanδ及對(duì)地電容均有所增大，說(shuō)明在溫度變化的作用下，絕緣內(nèi)部的空隙逐漸增多，從而使絕緣內(nèi)部局部放電附加的額外損耗增加。當(dāng)經(jīng)過(guò)150℃/6 h干燥處理后，絕緣結(jié)構(gòu)的介質(zhì)損耗因數(shù)和對(duì)地電容又有所降低，說(shuō)明干燥處理對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)吸濕的干燥效應(yīng)是存在的，溫度變化/濕熱試驗(yàn)后絕緣結(jié)構(gòu)存在一定的“可恢復(fù)的劣化”成分[8]。去潮前后，絕緣結(jié)構(gòu)的介質(zhì)損耗因數(shù)增量基本相當(dāng)，進(jìn)一步說(shuō)明其介質(zhì)損耗因數(shù)增量的增加確實(shí)是由絕緣內(nèi)部的空隙增多所致，而不是由潮濕引起。試驗(yàn)4周期后，絕緣結(jié)構(gòu)的介質(zhì)損耗因數(shù)增量仍小于1.0%，按JB/T 50133—1999[19]標(biāo)準(zhǔn)要求，其仍屬于優(yōu)等品。

圖8 絕緣結(jié)構(gòu)介質(zhì)損耗因數(shù)與試驗(yàn)周期數(shù)的關(guān)系Fig.8 The relation between dielectric loss factor of insulation structure and test periods

圖9 絕緣結(jié)構(gòu)介質(zhì)損耗因數(shù)增量與試驗(yàn)周期數(shù)的關(guān)系Fig.9 The relation between Δtanδ of insulation structure and test periods

圖10 絕緣結(jié)構(gòu)對(duì)地電容與試驗(yàn)周期數(shù)的關(guān)系Fig.10 The relation between capacitance-to-ground of insulation structure and test periods

絕緣結(jié)構(gòu)在常溫下的局部放電起始電壓(PDIV)隨試驗(yàn)周期數(shù)的變化趨勢(shì)如圖11所示。

圖11 絕緣結(jié)構(gòu)PDIV與試驗(yàn)周期數(shù)的關(guān)系Fig.11 The relation between PDIV of insulation structure and test periods

從圖11可以看出，隨著試驗(yàn)周期數(shù)的增加，絕緣結(jié)構(gòu)的PDIV呈下降趨勢(shì)，進(jìn)一步說(shuō)明其絕緣內(nèi)部的空隙逐漸增多，絕緣性能出現(xiàn)劣化現(xiàn)象。相對(duì)于去潮后，去潮前的PDIV更高，說(shuō)明內(nèi)部氣隙及鐵心與外絕緣表面之間的氣隙由于潮氣的存在，其局部放電減弱。

絕緣結(jié)構(gòu)的起暈電壓隨試驗(yàn)周期數(shù)的變化趨勢(shì)如圖12所示。從圖12可以看出，隨著試驗(yàn)周期數(shù)的增加，絕緣結(jié)構(gòu)的起暈電壓呈下降趨勢(shì)，這可能是由槽口絕緣與鐵心之間在溫度變化的作用下產(chǎn)生的微裂縫或剝離所致。絕緣結(jié)構(gòu)去潮前的起暈電壓高于去潮后，這主要是由于潮氣具有均勻槽口電場(chǎng)的作用。相對(duì)于PDIV，起暈電壓的下降速度更快，說(shuō)明冷熱交變作用對(duì)槽口部位的影響更大。

圖12 絕緣結(jié)構(gòu)起暈電壓與試驗(yàn)周期數(shù)的關(guān)系Fig.12 The relation between inception voltage of insulation structure and test periods

絕緣結(jié)構(gòu)的浸水3 h絕緣電阻及擊穿電壓與試驗(yàn)周期數(shù)的關(guān)系如表5所示。

表5 絕緣結(jié)構(gòu)絕緣電阻及擊穿電壓與試驗(yàn)周期數(shù)的關(guān)系Tab.5 The relation between insulation resistance,breakdown voltage of insulation structure with test periods

從表5可以看出，試驗(yàn)4周期后，絕緣結(jié)構(gòu)的浸水絕緣電阻仍保持在130.4 GΩ。相對(duì)于初始擊穿電壓，溫度變化/濕熱試驗(yàn)后絕緣結(jié)構(gòu)的擊穿電壓下降了約10%，說(shuō)明絕緣結(jié)構(gòu)存在輕微劣化現(xiàn)象，但仍處于較高水平，且滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

綜上所述，在溫度變化和濕熱的作用下，絕緣結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空隙逐漸增多，且槽口絕緣與鐵心之間產(chǎn)生了微裂縫或剝離，存在輕微劣化現(xiàn)象，潮氣的存在具有均勻槽口電場(chǎng)的作用。試驗(yàn)4周期后絕緣結(jié)構(gòu)的浸水絕緣電阻和擊穿電壓仍保持較高水平，表明該絕緣結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的耐溫度變化和防潮性能，可以滿足-60℃低溫環(huán)境的應(yīng)用要求。

3 結(jié)論

針對(duì)牽引電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)開(kāi)展了低溫沖擊振動(dòng)、溫度變化/濕熱、浸水等環(huán)境適應(yīng)性模擬試驗(yàn)和研究。主要得到以下結(jié)論：

（1）在低溫沖擊振動(dòng)或溫度變化的作用下，絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空隙逐漸增多，且槽口絕緣與鐵心之間產(chǎn)生了微裂縫或剝離，存在輕微劣化現(xiàn)象，潮氣的存在具有均勻槽口電場(chǎng)的作用。試驗(yàn)后，絕緣結(jié)構(gòu)的浸水絕緣電阻和擊穿電壓仍保持較高水平，表明該絕緣結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的高寒環(huán)境適應(yīng)性和防潮性能，可以滿足-60℃低溫環(huán)境的應(yīng)用要求。

（2）加熱恢復(fù)處理對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)在濕熱試驗(yàn)環(huán)節(jié)中的吸潮有干燥效應(yīng)，可使環(huán)境試驗(yàn)對(duì)其介電性能的影響得到一定程度的恢復(fù)，表明絕緣結(jié)構(gòu)介電性能的降低存在一定的“可恢復(fù)的劣化”成分。