羅小蘭，丁祿振，鄧日江，楊振中，何云風(fēng)，裴亞偉

（中車(chē)株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲412001）

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JD142A型交流異步牽引電機(jī)接地故障原因分析及改進(jìn)

羅小蘭，丁祿振，鄧日江，楊振中，何云風(fēng)，裴亞偉

（中車(chē)株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲412001）

摘 要：針對(duì)出口澳大利亞的SDA1-006號(hào)機(jī)車(chē)在中間直流電壓欠壓工況下，接連數(shù)臺(tái)JD142A牽引電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子端環(huán)脫落、砸傷定子繞組導(dǎo)致電機(jī)接地故障的問(wèn)題，進(jìn)行理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，采取電機(jī)過(guò)載保護(hù)、中間欠壓保護(hù)及過(guò)溫保護(hù)等措施，確保電機(jī)在欠壓工況下的運(yùn)行安全，使該類(lèi)型電機(jī)接地故障得到較好解決。

關(guān)鍵詞：接地；中間直流電壓；欠壓；保護(hù)

SDA1型交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)是中車(chē)資陽(yáng)機(jī)車(chē)有限公司出口澳大利亞的一款干線貨運(yùn)機(jī)車(chē)，最大運(yùn)用功率3000kW，中間直流電壓1500V等級(jí)［1］，由中車(chē)株洲電機(jī)公司配套提供JD142A型牽引電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)大功率內(nèi)燃機(jī)車(chē)交流傳動(dòng)牽引電機(jī)向發(fā)達(dá)國(guó)家出口的零突破［2］。

該型機(jī)車(chē)投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)，JD142A牽引電機(jī)整體運(yùn)行穩(wěn)定。2014年3月，SDA1-006號(hào)車(chē)頻繁報(bào)1、2架主回路接地，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)第2、3、4、5位電機(jī)接地。

1　原因分析

經(jīng)拆檢電機(jī)發(fā)現(xiàn)，4臺(tái)電機(jī)的傳動(dòng)端端環(huán)已脫落，但導(dǎo)條端面清晰完整未變形，說(shuō)明端環(huán)脫落屬過(guò)熱失效，并非機(jī)械失效。護(hù)環(huán)表面有焊料劃擦痕跡，出風(fēng)口處發(fā)現(xiàn)焊料熔渣，確認(rèn)轉(zhuǎn)子曾發(fā)生過(guò)熱。脫落的端環(huán)砸落在定子繞組上，導(dǎo)致繞組端部局部擦傷。

上述拆檢結(jié)果表明，電機(jī)接地并非定子繞組絕緣失效，應(yīng)屬電機(jī)在過(guò)流狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子短時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重，致使端環(huán)脫落，砸傷定子繞組所致。

1.1電機(jī)欠壓工況分析

據(jù)了解SDA1-006號(hào)機(jī)車(chē)在接地故障發(fā)生前，因勵(lì)磁電阻與整流模塊燒損等問(wèn)題，曾頻繁報(bào)中間直流欠壓，而牽引電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，未報(bào)過(guò)相關(guān)故障。

中間直流電壓是內(nèi)燃機(jī)車(chē)交流傳動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它決定了主發(fā)電機(jī)、牽引變流器及牽引電機(jī)等設(shè)備的輸入及輸出電壓、電流［3］。

當(dāng)中間直流環(huán)節(jié)欠壓時(shí)，牽引電機(jī)輸入電壓下降，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，故電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降，為了盡量維持轉(zhuǎn)矩平衡，電機(jī)轉(zhuǎn)速減小，轉(zhuǎn)差率增大，轉(zhuǎn)子切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流增大，轉(zhuǎn)子發(fā)熱量增大，同時(shí)電機(jī)定子電流也隨之增大［4］。而SDA1型機(jī)車(chē)逆變器過(guò)流保護(hù)值僅根據(jù)IGBT晶體管容量設(shè)定為1500A（峰值），遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電機(jī)最大啟動(dòng)電流933A（峰值），并不能形成對(duì)電機(jī)的有效保護(hù)，系統(tǒng)無(wú)法及時(shí)切除保護(hù)電機(jī)，可能使電機(jī)轉(zhuǎn)子持續(xù)發(fā)熱嚴(yán)重而失效。

1.2電機(jī)欠壓損耗計(jì)算

表1所示為JD142A牽引電機(jī)欠壓狀態(tài)損耗單點(diǎn)計(jì)算結(jié)果，通過(guò)與額定狀態(tài)的損耗值進(jìn)行比較可知，當(dāng)電機(jī)處于欠壓工況下，電機(jī)轉(zhuǎn)差率與電流迅速增大，轉(zhuǎn)子端環(huán)、導(dǎo)條電密增大約為額定值的2倍左右，轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重。具體變化曲線如圖1、2所示，當(dāng)電壓跌落時(shí)，額定點(diǎn)（A點(diǎn)）對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩下降，為了保持相同轉(zhuǎn)矩水平，電機(jī)轉(zhuǎn)差率需從Sa增大至Sb，相應(yīng)地電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電流從I2a增大至I2b.

表1　JD142A牽引電機(jī)欠壓狀態(tài)損耗單點(diǎn)計(jì)算結(jié)果

圖1　電機(jī)欠壓工況T-s曲線

圖2　電機(jī)欠壓工況I2-s曲線

1.3電機(jī)欠壓模擬試驗(yàn)

下圖3、4所示為JD142A牽引電機(jī)在上述額定及欠壓工況下試驗(yàn)測(cè)得的定子溫升曲線，同時(shí)測(cè)算得到欠壓工況下電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)出風(fēng)口溫度如表2所示。

圖3　定子溫升曲線（額定工況）

圖4　定子溫升曲線（欠壓工況）

表2　欠壓工況電機(jī)定、轉(zhuǎn)子進(jìn)、出風(fēng)口溫度

試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，電機(jī)欠壓導(dǎo)致電機(jī)定、轉(zhuǎn)子各部位溫度隨時(shí)間成線性迅速升高，溫升程度明顯大于額定工況，其中轉(zhuǎn)子溫升高于定子溫升，在定子溫度達(dá)到280℃條件下，轉(zhuǎn)子出風(fēng)口溫度最高可達(dá)到360℃以上，說(shuō)明欠壓工況對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的溫升影響更大。在電機(jī)過(guò)流保護(hù)未及時(shí)觸發(fā)的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)子可能因溫升劇烈而失效。

2　改進(jìn)措施

為避免牽引電機(jī)后續(xù)再發(fā)生類(lèi)似故障，須完善機(jī)車(chē)中間直流電壓欠壓保護(hù)措施；同時(shí)應(yīng)修訂電機(jī)過(guò)載保護(hù)與過(guò)溫保護(hù)限值，當(dāng)電機(jī)電流或溫升異常時(shí)能及時(shí)獲得系統(tǒng)保護(hù)。

（1）中間直流欠壓保護(hù)

按表3所示牽引、制動(dòng)工況各檔中間直流電壓參考值實(shí)施保護(hù)。其中，在牽引工況下，若中間直流電壓比參考值低100V，開(kāi)始實(shí)施線性降功，直至比參考值低200 V，降功完全，延時(shí)2 min后，屏顯中間直流欠壓異常；在制動(dòng)工況下，對(duì)于5～8檔，若中間直流電壓比參考值低300 V，延時(shí)30 s后，屏顯中間直流欠壓異常。若中間直流電壓低于500 V，不論牽引或制動(dòng)工況，均報(bào)中間直流欠壓故障，逆變封鎖。

表3　牽引、制動(dòng)工況各檔位中間電壓參考值

（2）電機(jī)過(guò)載保護(hù)

采集電機(jī)線電流總有效值，按下表4分3檔實(shí)施過(guò)載保護(hù)。

表4　電機(jī)過(guò)載保護(hù)設(shè)置

（3）電機(jī)過(guò)溫保護(hù)

電機(jī)溫度超過(guò)180℃，開(kāi)始線性降功；升至200℃，降功完全，逆變封鎖；電機(jī)溫度低于170℃，恢復(fù)正常功率。

3　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述JD142A型牽引電機(jī)的欠壓工況分析、損耗計(jì)算及溫升試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)機(jī)車(chē)電機(jī)接地的故障原因?yàn)橹虚g直流電壓異常跌落導(dǎo)致電機(jī)工作在過(guò)流狀態(tài)，未及時(shí)獲得系統(tǒng)隔離保護(hù)，電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重發(fā)生端環(huán)脫落，局部砸傷定子繞組所致。采取所述保護(hù)措施后，JD142A牽引電機(jī)在線運(yùn)行未再報(bào)類(lèi)似接地故障，改進(jìn)效果顯著。

由于該故障模式較為少見(jiàn)，本文首次明確了中間直流電壓跌落工況下機(jī)車(chē)電機(jī)的特殊保護(hù)需求，為后續(xù)內(nèi)燃機(jī)車(chē)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及電機(jī)控制保護(hù)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

［1］楊振中，阮鴻芳，丁祿振，王長(zhǎng)江.交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)用牽引電動(dòng)機(jī)研制［J］.電機(jī)技術(shù)，2015，（01）：16-20.

［2］廖忠文，王平華，韓笑，等.出口澳大利亞SDA1型機(jī)車(chē)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.內(nèi)燃機(jī)車(chē)，2012，（11）：11-15.

［3］何良.交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)能量傳遞與中間直流環(huán)節(jié)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)［J］.機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，2008，（2）：24-27.

［4］湯蘊(yùn)璆，史乃.電機(jī)學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

Reason Analysis and Improvement Measures for Ground Fault of JD142A Asynchronous Traction Motor

LUO Xiao-lan，DING Lu-zhen，DENG Ri-jiang，YANG Zhen-zhong，HE Yun-feng，PEI Ya-wei （CRRC Zhuzhou Electric CO.，LTD.，Zhuzhou Hunan 412001，China）

Abstract：Based on theoretical analysis and experimental verification of the successive ground faults of JD142A traction motors of SDA1-006 locomotive，which were caused by local damage of stator windings owing to the fall off of the rotor end ring in under-voltage working condition，the overload protection，under-voltage protection and over temperature protection of motor were implemented effectively.

Key words：ground fault；intermediate DC voltage；under-voltage；protection

中圖分類(lèi)號(hào)：TM305

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-545X（2016）03-0233-03

收稿日期：2015-12-10

作者簡(jiǎn)介：羅小蘭（1985-），女，湖南株洲人，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向?yàn)闋恳姍C(jī)設(shè)計(jì)與維護(hù)技術(shù)。