王立民, 張 帆, 史向前, 張培軍

(1 中車大連機(jī)車車輛有限公司 檢修部， 遼寧大連 116021；2 中車永濟(jì)新時(shí)速電機(jī)有限公司 技術(shù)中心， 山西運(yùn)城 044502)

YJ85A/A1型牽引電機(jī)是引進(jìn)日本東芝公司的先進(jìn)技術(shù)，制造的新一代交流異步牽引電動(dòng)機(jī)。牽引電機(jī)作為機(jī)車的A類部件，在C6修時(shí)進(jìn)行必要的技術(shù)研究，有助于解決既往發(fā)生的質(zhì)量問題，保證下一個(gè)運(yùn)用周期的可靠性，也是驗(yàn)證對(duì)引進(jìn)技術(shù)的消化吸收程度和進(jìn)行全壽命周期管理的關(guān)鍵。

1 牽引電機(jī)絕緣性能研究的提出

制約牽引電機(jī)可靠運(yùn)行的主要因素有兩點(diǎn)，一是軸承問題，二是定子絕緣性能。針對(duì)軸承問題，已采取2年檢后的軸承檢修和組裝工藝改進(jìn)以及探傷工藝優(yōu)化，C5修時(shí)轉(zhuǎn)軸卸荷槽改造等措施，使故障率大大降低。以前直流傳動(dòng)機(jī)車的牽引電機(jī)進(jìn)行大修時(shí)，均進(jìn)行真空浸漆，在不能確定是否也重新進(jìn)行真空浸漆的前提下，對(duì)定子絕緣性能進(jìn)行研究，可以驗(yàn)證最初的設(shè)計(jì)和制造工藝，確定定子絕緣的可靠使用壽命，降低檢修成本，并且一勞永逸。

繞組真空壓力浸漆(VPI)是在繞組嵌線后進(jìn)行。對(duì)電動(dòng)機(jī)繞組進(jìn)行浸漆處理，使絕緣漆浸透槽內(nèi)的間隙中，表面成膜，以增強(qiáng)絕緣能力和機(jī)械強(qiáng)度，提高繞組絕緣的耐潮性和化學(xué)穩(wěn)定性，提高電動(dòng)機(jī)的絕緣壽命。

牽引電機(jī)檢修時(shí)對(duì)絕緣性能變差的，需要進(jìn)行真空浸漆。但HXD3C機(jī)車牽引電機(jī)C6修時(shí)是否需要真空浸漆，需要制定完善的檢測(cè)方案。

2 前期檢修及故障情況分析

2.1 前期檢修絕緣性能參數(shù)

YJ85A/A1牽引電機(jī)在檢修過(guò)程中的絕緣性能檢測(cè)項(xiàng)目為絕緣電阻和介質(zhì)損耗因數(shù)。統(tǒng)計(jì)1 000余臺(tái)電機(jī)在2年檢和C5修出廠時(shí)的絕緣電阻均大于100 MΩ，介質(zhì)損耗因數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1，可以看出2年檢和C5修后的介質(zhì)損耗因數(shù)均在檢修范圍內(nèi)，介質(zhì)損耗因數(shù)不超過(guò)3%。

表1 YJ85A/A1電機(jī)2年檢、C5修后介質(zhì)損耗因數(shù)分布

對(duì)所有2年檢和C5修牽引電機(jī)的介質(zhì)損耗因數(shù)取平均值進(jìn)行對(duì)比，可以看出在低壓點(diǎn)C5修電機(jī)略高，但在高壓點(diǎn)兩者基本相當(dāng)。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果說(shuō)明：從2年檢到C5修電機(jī)絕緣性能穩(wěn)定。

2.2 絕緣故障電機(jī)統(tǒng)計(jì)分析

2.2.1電機(jī)絕緣故障統(tǒng)計(jì)分析

YJ85A/A1牽引電機(jī)自2009年開始檢修以來(lái)，檢修后電機(jī)在線運(yùn)行共出現(xiàn)絕緣故障45臺(tái)，通過(guò)入廠拆解分析，判定其中35臺(tái)為接地故障、4臺(tái)為匝短故障(見表2)。

從檢修級(jí)別故障的比例(圖1)可以看出，YJ85A/A1電機(jī)絕緣故障率前期上升，后期呈下降趨勢(shì)。

進(jìn)一步對(duì)35臺(tái)接地故障和4臺(tái)匝短故障電機(jī)拆解分析并尋找故障原因，發(fā)現(xiàn)由于絕緣薄弱造成電機(jī)絕緣故障的有18臺(tái)，具體情況見表3～表4。

對(duì)18臺(tái)判定為由于絕緣薄弱造成故障的電機(jī)，根據(jù)其檢修后運(yùn)行的公里進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，隨著運(yùn)用里程的增加，由于絕緣薄弱導(dǎo)致故障的牽引電機(jī)并未增加，呈下降趨勢(shì)，具體見圖2。

表2 45臺(tái)檢修YJ85A/A1電機(jī)故障判定

圖1 YJ85A/A1電機(jī)接地故障

電機(jī)型號(hào)故障原因臺(tái)數(shù)占檢修總數(shù)比例/%YJ85A三相線焊接處薄弱70.05異物導(dǎo)致線圈破損,造成接地/匝短50.03絕緣薄弱造成接地90.06絕緣薄弱造成匝短10.01故障原因不明20.01

表4 接地/匝短故障電機(jī)原因分析(YJ85A1)

圖2 絕緣薄弱接地電機(jī)故障臺(tái)數(shù)

3 C6修牽引電機(jī)絕緣性能研究

根據(jù)《HXD3/3C型電力機(jī)車牽引電機(jī)C6修絕緣狀態(tài)研究性試驗(yàn)大綱》和補(bǔ)充要求，制定了試驗(yàn)方案，開展了牽引電機(jī)C6修研究性試驗(yàn)，見表5。

表5 C6修絕緣性能研究性試驗(yàn)方案

3.1 外觀狀態(tài)檢查

電機(jī)返廠狀態(tài)檢查，無(wú)磕碰傷、損壞跡象，外觀狀態(tài)良好；電機(jī)拆解后定子繞組表面有灰塵污垢，但無(wú)明顯老化、破損跡象，外觀狀態(tài)良好；定子清洗后可見繞組和絕緣漆原色，無(wú)絕緣漆脫落、破損、明顯老化等現(xiàn)象，絕緣狀態(tài)良好。

3.2 絕緣性能檢測(cè)分析

對(duì)返廠C6修電機(jī)進(jìn)行絕緣電阻、極化指數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)、局部放電進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如下。

3.2.1絕緣電阻檢測(cè)及分析

對(duì)18臺(tái)C6修返廠電機(jī)清洗前、清洗烘潮后、浸漆后進(jìn)行絕緣電阻檢測(cè)，絕緣電阻良好， 電機(jī)絕緣電阻均滿足《HXD3型電力機(jī)車檢修技術(shù)規(guī)程(C6驗(yàn)證修)》不低于50 MΩ標(biāo)準(zhǔn)要求,見圖3。

3.2.2極化指數(shù)檢測(cè)及分析

對(duì)18臺(tái)C6修電機(jī)清洗前、清洗烘潮后、浸漆后的極化指數(shù)良好，均大于3(目前檢修電機(jī)無(wú)明確要求，新造經(jīng)驗(yàn)值為大于1.3)。清洗烘潮后極化指數(shù)較清洗前明顯升高，浸漆前與浸漆后基本相當(dāng)，見圖4。

圖3 C6修電機(jī)絕緣電阻

圖4 C6修電機(jī)極化指數(shù)

3.2.3介質(zhì)損耗因數(shù)檢測(cè)及分析

(1) 3 kV電壓下電機(jī)不同狀態(tài)下介質(zhì)損耗因數(shù)對(duì)比

對(duì)比清洗前、清洗烘潮后、浸漆后的3 kV電壓下的介質(zhì)損耗因數(shù)，可以看出C6修電機(jī)清洗烘潮后介質(zhì)損耗因數(shù)明顯降低，浸漆后較清洗烘潮后介質(zhì)損耗因數(shù)略微減小。清洗烘潮后、浸漆后的介質(zhì)損耗因數(shù)均符合檢修標(biāo)準(zhǔn)要求，見圖5。

電機(jī)返廠時(shí)電機(jī)受內(nèi)部灰塵、油污物、受潮等因素影響，造成介質(zhì)損耗因數(shù)超出3%，因此，檢修電機(jī)入廠時(shí)對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)不做要求，不檢測(cè)。

(2) 各檢修級(jí)別介質(zhì)損耗因數(shù)對(duì)比

對(duì)比2年檢、C5修、C6修各級(jí)別修程牽引電機(jī)在各電壓下介質(zhì)損耗因數(shù)平均值，隨修程增加，介質(zhì)損耗因數(shù)平均值呈逐步增加趨勢(shì)，符合電機(jī)使用絕緣性能規(guī)律，但介質(zhì)損耗因數(shù)增幅隨修程增加呈減小趨勢(shì)，說(shuō)明電機(jī)的絕緣性能逐漸趨于穩(wěn)定，見圖6。各檢修級(jí)別介質(zhì)損耗因數(shù)平均值整體均小于標(biāo)準(zhǔn)值(3%)，尤其在3 kV考核點(diǎn)，有略降低的趨勢(shì)。

圖5 3 kV電壓下清洗前、清洗烘潮后、浸漆后介質(zhì)損耗因數(shù)

圖6 不同級(jí)別檢修電機(jī)介質(zhì)損耗因數(shù)平均值對(duì)比

3.2.4局部放電檢測(cè)分析(見圖7～圖8)

新造電機(jī)局部放電檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求為：起始電壓PDIV>1 550 V；熄滅電壓PDEV>1 350 V。

C6修電機(jī)浸漆前后起始電壓滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，熄滅電壓基本相當(dāng)。

圖7 C6修電機(jī)局部放電起始電壓

圖8 C6修電機(jī)局部放電熄滅電壓

3.3 防潮性能檢測(cè)分析

通過(guò)入廠絕緣電阻檢測(cè)，所有返廠牽引電機(jī)絕緣電阻均大于 50 MΩ，說(shuō)明牽引電機(jī)目前防潮性能良好。為進(jìn)一步驗(yàn)證電機(jī)防潮性能，選取兩臺(tái)電機(jī)定子按照GB 2423.4-2008進(jìn)行高溫40 ℃，循環(huán)次數(shù)2次的濕熱試驗(yàn)。試驗(yàn)后檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：絕緣電阻≥50 MΩ，介質(zhì)損耗因數(shù)<3%。

各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)圖9～圖11。

圖9 濕熱試驗(yàn)絕緣電阻

圖10 濕熱試驗(yàn)極化指數(shù)

圖11 濕熱試驗(yàn)介質(zhì)損耗因數(shù)

通過(guò)濕熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，高低溫濕熱對(duì)電機(jī)絕緣性能有所影響，但絕緣電阻(GΩ數(shù)量級(jí))、極化指數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)均在要求范圍內(nèi)。

3.4 長(zhǎng)時(shí)溫升試驗(yàn)

選取2臺(tái)C6修電機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)溫升試驗(yàn)，各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)見表6～表7。

表6 385A1100444長(zhǎng)時(shí)溫升試驗(yàn)結(jié)果

表7 385A1101158長(zhǎng)時(shí)溫升試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)長(zhǎng)時(shí)溫升試驗(yàn)及新造數(shù)據(jù)對(duì)比，浸漆前后電機(jī)繞組溫升均滿足200 K溫升限值要求，浸漆前、浸漆后和新造電機(jī)溫升基本相當(dāng)。

4 YJ85A/A1電機(jī)壽命評(píng)定

4.1 絕緣系統(tǒng)熱評(píng)定

參考IEEE 1776標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行熱老化試驗(yàn),對(duì)YJ85A/A1型新造電機(jī)絕緣系統(tǒng)進(jìn)行270 ℃熱老化10個(gè)周期(熱老化480 h)，250 ℃熱老化10個(gè)周期(熱老化1 680 h)，耐壓時(shí)未失效。按照標(biāo)準(zhǔn)GB 17948.3要求，擊穿電壓下降一半判定為壽命終點(diǎn)，YJ85A/A1電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)耐熱等級(jí)可以達(dá)到200級(jí)。

4.2 絕緣系統(tǒng)電評(píng)定

根據(jù)GB/T 22566.1-2008《電氣絕緣系統(tǒng)重復(fù)脈沖產(chǎn)生的電應(yīng)力 第1部分：電老化評(píng)定的通用方法》，在180 ℃下進(jìn)行了6.3 kV 100 h、5.4 kV 1 000 h的脈沖電熱老化試驗(yàn)。根據(jù)電壓壽命與電壓幅值間的關(guān)系公式：L=kU-n(其中k、n為常數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)推出)，計(jì)算絕緣系統(tǒng)壽命為230 819 h，約26 a。

4.3 絕緣系統(tǒng)多因子老化評(píng)定

對(duì)牽引電機(jī)進(jìn)行電熱、冷熱交變、濕熱、機(jī)械振動(dòng)、沙塵多因子加速老化循環(huán)試驗(yàn)4個(gè)周期，其中工頻電熱老化時(shí)間為5.4 kV 1 008 h，滿足GB/T 17948.4單點(diǎn)電老化1 000 h的要求。

結(jié)論：綜合3種老化試驗(yàn)可以推算YJ85A/A1電機(jī)絕緣系統(tǒng)在200級(jí)耐熱等級(jí)下可以穩(wěn)定運(yùn)行約26 a。

5 結(jié)束語(yǔ)

新造的YJ85A/A1型牽引電機(jī)絕緣系統(tǒng)通過(guò)熱性能、電性能、多因子老化方面的試驗(yàn)分析，絕緣系統(tǒng)理論計(jì)算壽命可滿足整車要求。

隨運(yùn)行里程和時(shí)間的增加，介質(zhì)損耗因數(shù)有增加趨勢(shì)，但小于3%的標(biāo)準(zhǔn)值，且增幅逐步減小，符合電機(jī)絕緣性能運(yùn)用規(guī)律。

進(jìn)行C6修的牽引電機(jī)絕緣電阻均大于100 MΩ，依據(jù)GB 2423.4標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行交變濕熱試驗(yàn)，試驗(yàn)后牽引電機(jī)絕緣性能均滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。

C6修的牽引電機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)溫升試驗(yàn)，再次浸漆后溫升處于同一水平。

因此C6修牽引電機(jī)不需要2次浸漆，對(duì)絕緣性能不滿足要求的牽引電機(jī)采取絕緣補(bǔ)強(qiáng)措施處理。

后續(xù)會(huì)密切跟蹤機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)，積累牽引電機(jī)運(yùn)行和檢修數(shù)據(jù)，建立新造和檢修數(shù)據(jù)庫(kù)，為牽引電機(jī)全壽命周期管理提供支撐。