趙智強(qiáng)，施炳嫻，楊 亮

（北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068）

0 概述

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，帶來(lái)的交通擁堵，社會(huì)發(fā)展等問(wèn)題日趨嚴(yán)重。城市軌道交通作為解決這一城市發(fā)展挑戰(zhàn)的有力手段，以其不可比擬的優(yōu)勢(shì)，在城市公共交通中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。與此同時(shí)，地鐵安全運(yùn)行的重要性也日益顯著起來(lái)。

地鐵車(chē)輛電機(jī)的檢測(cè)及檢修，對(duì)安全運(yùn)行的保證起著決定性作用。有效應(yīng)用新的檢測(cè)技術(shù)，可大大減輕檢修人員的數(shù)據(jù)處理勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)通過(guò)大數(shù)據(jù)宏觀掌握各種電機(jī)的技術(shù)狀態(tài)，可保證地鐵車(chē)輛準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行，并能有效控制檢修及維護(hù)成本。

電機(jī)的絕緣狀態(tài)是電機(jī)的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程是電力系統(tǒng)絕緣監(jiān)督工作的主要依據(jù)，在我國(guó)已有 40 年的使用經(jīng)驗(yàn)。該規(guī)程在生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用，并積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。隨著電腦及軟件技術(shù)的廣泛應(yīng)用和技術(shù)水平的提高，電力設(shè)備檢測(cè)參數(shù)的完善有了很大的發(fā)展，集成電腦技術(shù)后，對(duì)以往難以準(zhǔn)確采集的一些參數(shù)如極化曲線、步進(jìn)電壓檢測(cè)曲線等《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中推薦的性能參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更好的數(shù)據(jù)采集及處理，真正實(shí)現(xiàn)適用于現(xiàn)場(chǎng)、服務(wù)于現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)目的。

本文以交流牽引電機(jī)為例，研究電機(jī)的預(yù)防性絕緣檢測(cè)和診斷方法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的極化檢測(cè)及步進(jìn)電壓漏電流檢測(cè)及相應(yīng)的判斷方法進(jìn)行探討。

1 電機(jī)絕緣預(yù)防性檢測(cè)項(xiàng)目

由于電機(jī)在地鐵車(chē)輛中的重要性及特殊的安裝位置，在進(jìn)行預(yù)防性檢測(cè)時(shí)，必須優(yōu)先選擇非破壞性的無(wú)損檢測(cè)方法[1]，既要滿足現(xiàn)場(chǎng)預(yù)防性檢測(cè)的實(shí)際要求，也不能因?yàn)闄z測(cè)而對(duì)電機(jī)造成損傷。目前國(guó)際通行的電機(jī)絕緣無(wú)損檢測(cè)主要項(xiàng)目有如下幾種：繞組對(duì)地絕緣檢測(cè)（DC），繞組 PI 極化檢測(cè)，步進(jìn)電壓檢測(cè)泄漏電流趨勢(shì)[2]。

2 繞組對(duì)地絕緣檢測(cè)

繞組對(duì)地絕緣檢測(cè)一般使用兆歐表，測(cè)量電機(jī)的絕緣電阻值（即被測(cè)件加規(guī)定電壓 60 s 后，讀取絕緣值），以判斷電機(jī)的絕緣性能好壞。目前國(guó)際上測(cè)量絕緣使用的標(biāo)準(zhǔn)有多種，按照中國(guó)標(biāo)準(zhǔn) DL/T 596-2005《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》推薦，使用兆歐表測(cè)量交流電機(jī)絕緣電阻時(shí)，額定電壓 3 000 V 以下電機(jī)，使用1 000 V 兆歐表測(cè)量絕緣電阻，室溫下絕緣電阻值不應(yīng)低于 0.5 MΩ[3]。

然而，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，電機(jī) 60 s 絕緣值通常都在幾千兆歐至幾十萬(wàn)兆歐之間。原因是電機(jī)制造廠需要把各種惡劣運(yùn)行環(huán)境都考慮進(jìn)去，并給予足夠的安全系數(shù)以保障長(zhǎng)期運(yùn)行，因此，電機(jī)出廠絕緣值都比標(biāo)準(zhǔn)高很多。而經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行后，電機(jī)實(shí)際絕緣狀態(tài)多種多樣，研究發(fā)現(xiàn)，單一的 60 s 絕緣值不能完全體現(xiàn)絕緣劣化狀態(tài)，因此，僅測(cè)試加壓后 60 s 時(shí)的絕緣值不能杜絕電機(jī)突發(fā)性絕緣故障的發(fā)生。

3 繞組極化檢測(cè)

與絕緣電阻有關(guān)的常用絕緣指標(biāo)還有極化指數(shù)（PI，即Polarization Index）及極化曲線（Polarization Index Profile），也稱(chēng)為絕緣電阻廓形（Insulation Resistance Profile）[4]。

從現(xiàn)場(chǎng)多年經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，60 s 加壓檢測(cè)對(duì)地絕緣值不能完全掌握繞組對(duì)地絕緣狀態(tài)，而極化指數(shù)PI及極化曲線可以更完全地顯示出電機(jī)的實(shí)際絕緣狀態(tài)。

測(cè)量絕緣時(shí)，由于表面電荷、電容電流、吸收電流等的存在，對(duì)絕緣值會(huì)有不同程度的影響，而對(duì)電機(jī)繞組進(jìn)行 10 min 的飽和充電后，可使這些干擾因素衰減到最小，從而全面反映電機(jī)絕緣狀態(tài)[5]，如圖 1。

圖1 絕緣材料中的泄漏電流 IL、總電流 IT、吸收電流 IA、電容電流 IC、電導(dǎo)電流 IG 與電壓加壓時(shí)間的關(guān)系

極化指數(shù)PI是一個(gè)比值，即用 10 min 時(shí)的對(duì)地絕緣值除以 1 min 時(shí)的對(duì)地絕緣值即得到PI值[6]：

由于是連續(xù) 10 min 測(cè)試，且其為比值，因此，PI值有效排除了溫度及濕度的影響。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn) DL/T 596-2005《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中推薦PI值應(yīng)大于 1.5。國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn) IEEE 43-2000《檢測(cè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)絕緣電阻的推薦實(shí)施規(guī)范》也給出了PI值和對(duì)地絕緣測(cè)試電壓的推薦范圍[7]，見(jiàn)表 1、表 2。

表1 國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn) IEEE 43-2000 推薦的 PI 值

表2 國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn) IEEE 43-2000 推薦使用的對(duì)地絕緣測(cè)試電壓 V

3.1 良好的絕緣極化曲線

良好的絕緣極化曲線應(yīng)呈現(xiàn)出反拋物線狀態(tài)，并且圖線光滑，如圖 2 所示。

圖2 良好的極化曲線

3.2 絕緣下降的極化曲線

圖 3 中，隨著飽和加壓（直流 1 000 V）時(shí)間的延長(zhǎng)，可看到絕緣值在 260 s 時(shí)出現(xiàn)了明顯的變化，絕緣急劇下降。在 600 s 時(shí)下降到約 7 MΩ，若按照常規(guī) 60 s絕緣檢測(cè)，會(huì)得出此臺(tái)電機(jī)絕緣約 45 MΩ 的錯(cuò)誤判斷。

圖3 絕緣下降的極化曲線

因此，極化檢測(cè)在大容量電機(jī)的絕緣檢測(cè)中可以非常全面地反映電機(jī)絕緣問(wèn)題，并可通過(guò)同批次大數(shù)據(jù)的比較，發(fā)現(xiàn)其他如軸承溫升導(dǎo)致的絕緣下降等綜合缺陷。

3.3 絕緣受潮后的極化曲線

當(dāng)電機(jī)絕緣受潮后，表面漏電流的比重會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他泄漏電流，而這種情況下，吸收電流等其他因素基本可忽略，這就導(dǎo)致整體絕緣值下降，且極化曲線會(huì)很快達(dá)到整體絕緣值水平[8]，如圖 4。

圖4 絕緣受潮后的極化曲線

值得注意的是，在雨季或惡劣存放條件下，電機(jī)繞組表面或絕緣層內(nèi)部都可能受潮，這種情況下，如果電機(jī)絕緣尚未破壞且在安全運(yùn)行條件下，可通過(guò)干燥或空轉(zhuǎn)，對(duì)電機(jī)絕緣層進(jìn)行烘干即可，無(wú)需進(jìn)行特殊處理。但干燥至正常前應(yīng)避免高頻、大負(fù)載運(yùn)用，因?yàn)榻^緣減小時(shí)對(duì)地電容會(huì)呈增大趨勢(shì)，高頻、大負(fù)載運(yùn)用可能擊穿絕緣造成不可逆轉(zhuǎn)損傷。干燥效果可從極化曲線的跟蹤對(duì)比體現(xiàn)出來(lái)。在干燥后，若無(wú)其他絕緣問(wèn)題，極化曲線會(huì)恢復(fù)到正常光滑的反拋物線狀態(tài)。

3.4 絕緣受到污染后的極化曲線

當(dāng)絕緣層受到灰塵等污染時(shí)，表面漏電流會(huì)明顯上升，表現(xiàn)在極化曲線上是起伏很大的放電尖峰不規(guī)則出現(xiàn)，如圖 5，從圖 5 中可以看到很多這樣的峰值出現(xiàn)，峰值差有時(shí)甚至大于 1 000 MΩ。

圖5 絕緣受到污染后的極化曲線

3.5 絕緣老化熱脆后的極化曲線

溫度對(duì)絕緣的影響非常關(guān)鍵，絕緣層溫度升高，絕緣性能會(huì)隨之下降。

一般絕緣材料可認(rèn)為是一個(gè)電阻系數(shù)很大的導(dǎo)電體，其導(dǎo)電性質(zhì)是離子性的，不同于金屬，金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)是自由電子性的。當(dāng)電機(jī)在過(guò)載、炎熱環(huán)境或通風(fēng)不良的情況下長(zhǎng)期發(fā)熱時(shí)，絕緣層會(huì)逐漸變脆，當(dāng)絕緣層變脆后，極化轉(zhuǎn)向的能力會(huì)變?nèi)酰@個(gè)現(xiàn)象會(huì)表現(xiàn)為極化曲線出現(xiàn)臺(tái)階狀，如圖 6。

圖6 絕緣老化熱脆后的極化曲線

圖 6 中，雖然極化指數(shù)PI大于 2，若不進(jìn)行極化曲線測(cè)試采集的話，會(huì)很容易漏掉極化曲線出現(xiàn)臺(tái)階狀這個(gè)絕緣已經(jīng)老化的缺陷特征，而這類(lèi)絕緣若不盡快更換，則會(huì)導(dǎo)致突發(fā)性異常接地發(fā)生。

4 步進(jìn)電壓檢測(cè)泄漏電流趨勢(shì)

步進(jìn)電壓檢測(cè)反映的是絕緣體的泄漏電流情況及泄漏電流趨勢(shì)，推薦試驗(yàn)方法為將試驗(yàn)電壓按一定步進(jìn)值增加，每步停留 1 min[9]，這時(shí)有 2 個(gè)指標(biāo)可供用于判斷絕緣狀態(tài)：

（1）檢測(cè)得到的泄漏電流值，該值應(yīng)小于推薦給定的門(mén)限值；

（2）觀察線性度，即當(dāng)泄漏電流隨電壓不成比例增加時(shí)，則顯示存在絕緣缺陷。

步進(jìn)電壓檢測(cè)時(shí)，采用逐級(jí)加壓的方式，找出泄漏電流是否有異常衰減或異常突變的發(fā)生。泄漏電流隨電壓不成比例顯著增長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)注意分析。由于是逐級(jí)加壓，可以直觀地顯示出繞組在各電壓等級(jí)下泄漏電流的變化情況，便于判斷電機(jī)絕緣狀態(tài)[10]。

正常的步進(jìn)電壓漏電流曲線如圖 7 所示，不正常的步進(jìn)電壓漏電流曲線如圖 8 所示。

5 結(jié)論

電機(jī)是地鐵車(chē)輛的關(guān)鍵部件，電機(jī)絕緣狀態(tài)是開(kāi)展對(duì)電機(jī)預(yù)防性檢測(cè)及故障判斷的重要目標(biāo)之一。電機(jī)的早期絕緣故障可利用絕緣極化檢測(cè)、步進(jìn)電壓漏電流檢測(cè)實(shí)現(xiàn)早期發(fā)現(xiàn)，這 2 個(gè)手段是以往常規(guī)檢測(cè)手段的有效補(bǔ)充，在電腦技術(shù)非常發(fā)達(dá)的當(dāng)下，極化檢測(cè)、步進(jìn)電壓檢測(cè)的自動(dòng)化已成為現(xiàn)實(shí)，把這些電腦集成后的檢測(cè)技術(shù)推廣應(yīng)用后可大大提高現(xiàn)場(chǎng)的電機(jī)故障預(yù)防水平。

圖7 正常的泄漏電流衰減曲線

圖8 不正常的泄漏電流衰減曲線（2 250 V 時(shí)泄漏電流發(fā)生突變）