那春龍 彭 慧 王玉龍

(中車株洲電機(jī)有限公司,412001,株洲)

逆變器的高頻脈沖輸出容易引起牽引電機(jī)繞組絕緣過(guò)早失效的問(wèn)題,因此絕緣系統(tǒng)的性能優(yōu)劣直接影響到牽引電機(jī)的安全性、可靠性和使用壽命[1]。在動(dòng)車組牽引電機(jī)定子制作過(guò)程中,繞組絕緣受作業(yè)環(huán)境、漲形應(yīng)力及嵌線應(yīng)力等因素的影響,會(huì)產(chǎn)生絕緣缺陷。在定子運(yùn)行過(guò)程中,繞組絕緣受電、熱、機(jī)械與環(huán)境等因素的作用,會(huì)逐漸發(fā)生劣化現(xiàn)象。鑒于以上問(wèn)題,在定子制作或檢修時(shí),需對(duì)定子繞組實(shí)施對(duì)地絕緣耐壓試驗(yàn)、相間絕緣耐壓試驗(yàn)與匝間絕緣耐壓試驗(yàn),篩選存在絕緣缺陷的定子,并對(duì)絕緣缺陷的原因進(jìn)行分析,提出解決措施。

基于此,本文介紹了定子對(duì)地耐壓、相間耐壓與匝間耐壓試驗(yàn)的原理,并針對(duì)定子制作或檢修過(guò)程中發(fā)生的絕緣故障問(wèn)題,梳理故障特征,并從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、作業(yè)環(huán)境、工藝方法或運(yùn)行環(huán)境等方面對(duì)故障問(wèn)題發(fā)生的原因進(jìn)行分析,針對(duì)性地提出改進(jìn)措施及故障定子的修復(fù)方法。

1 對(duì)地絕緣擊穿故障

1.1 直流耐壓擊穿故障

1.1.1 直流耐壓試驗(yàn)及故障特征

直流耐壓試驗(yàn)是根據(jù)IEC 60349-2:2010《鐵路機(jī)車車輛用電子變流器供電的交流電動(dòng)機(jī)》標(biāo)準(zhǔn),在定子繞組與鐵心之間施加3.4UDC+1 700 V直流電壓(UDC為最高持續(xù)電壓,單位為V,全文同),直流電壓按照各層絕緣材料電阻分配電壓,若絕緣存在缺陷,將在缺陷處發(fā)生絕緣擊穿。

某牽引電機(jī)定子在直流耐壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)生對(duì)地絕緣擊穿故障,試驗(yàn)過(guò)程中肉眼未發(fā)現(xiàn)擊穿放電火花。斷電后,檢測(cè)定子繞組對(duì)地絕緣電阻為0,但線圈端部、鐵心槽口等位置無(wú)燒損發(fā)黑的痕跡。

采用分相測(cè)絕緣電阻的方法,依次拆開(kāi)三相繞組中性點(diǎn)、擊穿點(diǎn)所在并聯(lián)支路及所在極相組的焊接點(diǎn),找到擊穿線圈。將擊穿線圈從鐵心內(nèi)拔出后發(fā)現(xiàn),擊穿點(diǎn)位于鐵心槽內(nèi)距鐵心槽口約5 mm位置處,下層線圈棱邊圓角位置處被擊穿。剝開(kāi)線圈各外包絕緣層,擊穿點(diǎn)為內(nèi)大外小貫穿性孔洞,電磁線匝間存在爬電痕跡,擊穿點(diǎn)絕緣存在碳化發(fā)黑現(xiàn)象。線圈絕緣擊穿點(diǎn)和電磁線擊穿點(diǎn)照片如圖1所示。

a) 線圈絕緣擊穿點(diǎn)

1.1.2 故障原因分析

根據(jù)故障特征可知,絕緣擊穿從電磁線薄膜開(kāi)始向線圈外包絕緣發(fā)展,產(chǎn)生故障的原因有:

1) 電磁線薄膜繞包或線圈繞制時(shí),當(dāng)材料表面溫度低于空氣露點(diǎn)或相對(duì)濕度較高時(shí),將使空氣中的水蒸氣凝結(jié)于薄膜表面并形成潮氣膜,在外加電壓作用下,產(chǎn)生爬電現(xiàn)象。

2) 在電磁線薄膜繞包過(guò)程中,導(dǎo)電性灰塵等雜質(zhì)可能卷入電磁線薄膜內(nèi),在線圈繞制時(shí),這些雜質(zhì)處于線圈、線匝之間,較難識(shí)別。雜質(zhì)的存在不但會(huì)使得局部絕緣層減薄,還會(huì)極大地降低此處的介電強(qiáng)度,導(dǎo)致定子內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度集中于此處,進(jìn)而造成定子絕緣擊穿。

3) 若電磁線薄膜疊包率過(guò)小,將造成電氣絕緣強(qiáng)度降低;若電磁線疊包率過(guò)大,將引起線圈外形尺寸增加。在線圈嵌線過(guò)程中,嵌線應(yīng)力過(guò)大會(huì)損傷線圈絕緣,降低其電氣絕緣強(qiáng)度。

4) 電磁線薄膜繞包時(shí)可能產(chǎn)生氣泡,空氣擊穿強(qiáng)度峰值為3 kV/mm,固體絕緣材料的固有擊穿強(qiáng)度約為200 kV/mm,當(dāng)外加電壓足夠高時(shí),空氣最先發(fā)生擊穿并不斷破壞薄膜。

5) 在線圈制作過(guò)程中,繞線機(jī)及漲形機(jī)等設(shè)備定位模具,以及轉(zhuǎn)運(yùn)工裝等可能存在尖角毛刺,戳傷電磁線薄膜,使得薄膜局部電氣強(qiáng)度有所降低。

6) 在線圈制作過(guò)程中,線圈浸水檢測(cè)后的烘焙溫度及時(shí)間可能不足,導(dǎo)致水分不能充分揮發(fā),在高電壓作用下,在殘留水分位置形成爬電現(xiàn)象。

1.1.3 改進(jìn)措施

1) 線圈制作作業(yè)環(huán)境應(yīng)保持干燥清潔,每日開(kāi)工前記錄環(huán)境溫度與濕度,定期對(duì)作業(yè)環(huán)境的浮游粉塵量進(jìn)行檢測(cè)。

2) 電磁線薄膜繞包時(shí),應(yīng)按照要求將疊包率控制在規(guī)定范圍內(nèi),并對(duì)疊包率進(jìn)行檢查。

3) 確認(rèn)電磁線薄膜繞包角度、燒結(jié)溫度、繞包張力和壓輪距高頻感應(yīng)器出口的距離等工藝參數(shù),消除電磁線薄膜繞包過(guò)程產(chǎn)生的氣泡[2]。

4) 對(duì)電磁線薄膜繞包與線圈繞制工藝進(jìn)行改進(jìn),增加視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)電磁線薄膜缺陷進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)電磁線存在缺陷后,立即報(bào)警急停,避免缺陷電磁線或線圈應(yīng)用到產(chǎn)品中。

5) 嚴(yán)格控制線圈浸水后的烘焙溫度與時(shí)間,確保線圈浸水后,線匝之間的水分充分揮發(fā)干燥,避免線匝之間殘留水分。

將該臺(tái)故障定子的故障線圈從鐵心槽內(nèi)取出,檢查確認(rèn)鐵心槽狀態(tài)良好,且無(wú)異物附著等現(xiàn)象,重新嵌入新的線圈。同時(shí),重新對(duì)其進(jìn)行對(duì)地絕緣電阻與對(duì)地絕緣耐壓等試驗(yàn)項(xiàng)目,經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)結(jié)果能夠滿足IEC 60349-2:2010《鐵路機(jī)車車輛用電子變流器供電的交流電動(dòng)機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 交流耐壓擊穿故障

1.2.1 交流耐壓試驗(yàn)及故障特征

交流耐壓試驗(yàn)原理與直流耐壓試驗(yàn)類似,區(qū)別在于所施加的電壓為交流電壓。按照IEC 60349-2:2010《鐵路機(jī)車車輛用電子變流器供電的交流電動(dòng)機(jī)》標(biāo)準(zhǔn),在定子繞組與鐵心之間施加2UDC+1 000 V交流電壓,按照絕緣結(jié)構(gòu)中各層絕緣材料的電容分配電壓,可以有效發(fā)現(xiàn)定子絕緣內(nèi)部的缺陷。

某牽引電機(jī)運(yùn)行120萬(wàn)km后返廠檢修,定子在交流耐壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)生對(duì)地絕緣擊穿故障。斷電后,檢測(cè)定子繞組對(duì)地絕緣電阻為0,發(fā)現(xiàn)定子引線端52槽定子線圈鐵心槽口位置存在燒損痕跡。將擊穿線圈從鐵心槽內(nèi)拔出后發(fā)現(xiàn),該線圈擊穿點(diǎn)位于鐵心槽口位置處,線圈側(cè)面至棱邊圓角發(fā)生擊穿現(xiàn)象,擊穿點(diǎn)為外大內(nèi)小的貫穿性孔洞,孔洞面積約為10 mm×10 mm,擊穿點(diǎn)絕緣層碳化發(fā)黑。定子槽口燒損痕跡及線圈擊穿點(diǎn)照片如圖2所示。

a) 定子槽口燒損痕跡

1.2.2 故障原因分析

根據(jù)故障特征可知,絕緣擊穿從外向內(nèi)發(fā)展。結(jié)合定子繞組結(jié)構(gòu)及電機(jī)運(yùn)用情況等,分析產(chǎn)生故障的原因有:

1) 交流耐壓試驗(yàn)前,定子繞組清洗后的烘焙溫度及時(shí)間可能不足,繞組絕緣內(nèi)殘留水分,由于水為極性分子,能夠降低定子繞組的絕緣電阻,當(dāng)外加電壓足夠高時(shí),將造成絕緣擊穿故障。

2) 在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,由于線圈承受了電機(jī)雙倍運(yùn)行頻率的電磁振動(dòng)及電機(jī)整機(jī)傳遞的機(jī)械振動(dòng),導(dǎo)致線圈各線匝與外包絕緣材料之間可能不再緊密成為一體而出現(xiàn)分層現(xiàn)象。當(dāng)所施加的電壓達(dá)到空氣擊穿強(qiáng)度時(shí),絕緣分層內(nèi)部將產(chǎn)生電氣擊穿,最終在絕緣中腐蝕出貫穿性孔洞,導(dǎo)致接地故障。

3) 電機(jī)采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻且運(yùn)行環(huán)境惡劣。在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,導(dǎo)電性物質(zhì)可能隨風(fēng)路進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部,并集聚在定子鐵心槽口位置。當(dāng)給定子繞組施加外加電壓時(shí),導(dǎo)電性物質(zhì)會(huì)造成定子槽口位置處的電場(chǎng)產(chǎn)生畸變,加劇槽口位置的局部放電作用,并侵蝕定子繞組絕緣,最終造成絕緣擊穿故障。

1.2.3 改進(jìn)措施

定子繞組清洗后,按照要求的溫度對(duì)定子繞組烘焙足夠時(shí)間,并記錄烘焙前后時(shí)間,有效保證定子繞組內(nèi)部殘留的水分徹底揮發(fā)。對(duì)該臺(tái)定子繞組整體拔線處理,檢查定子鐵心槽質(zhì)量狀態(tài)良好,將定子鐵心槽內(nèi)漆渣等清理干凈,重新嵌入新的線圈。定子浸漆處理后,優(yōu)化定子鐵心槽口部位的絕緣結(jié)構(gòu),在定子槽口部位實(shí)施灌封處理,將線圈槽口位置密封,避免導(dǎo)電性物質(zhì)進(jìn)入,增強(qiáng)定子槽口的絕緣性能[3]。

2 相間短路故障

2.1 相間耐壓試驗(yàn)及故障特征

相間耐壓試驗(yàn)原理與對(duì)地直流耐壓試驗(yàn)相同,兩者的區(qū)別在于,相間耐壓試驗(yàn)是在焊接三相繞組中性點(diǎn)前,就在兩相繞組之間施加直流電壓,檢測(cè)相間絕緣電氣強(qiáng)度,同時(shí)也對(duì)定子連線方式及對(duì)地絕緣電氣強(qiáng)度等進(jìn)行檢測(cè)。

對(duì)某牽引電機(jī)定子V相、W相繞組進(jìn)行相間耐壓試驗(yàn)時(shí),其電壓升至約600 V后,耐壓設(shè)備發(fā)生過(guò)流報(bào)警。

2.2 故障原因分析

根據(jù)故障特征可知,耐壓設(shè)備發(fā)生過(guò)流報(bào)警故障的主要原因?yàn)閂相與W相兩相繞組短路,電阻降至0,造成電流顯著增加,直至超過(guò)閾值報(bào)警。

經(jīng)確認(rèn)后發(fā)現(xiàn),V相、W相繞組的絕緣電阻、連線方式及繞組端部絕緣狀態(tài)均無(wú)異常,但其中1個(gè)線圈引線擠壓在相鄰線圈鼻部上,其為V相、W相繞組分相位置。調(diào)整該線圈引線姿態(tài)后發(fā)現(xiàn),該線圈引線與相鄰線圈鼻部接觸位置均發(fā)生絕緣破損且已露出銅導(dǎo)線。當(dāng)線圈引線彎形時(shí),其頂住相鄰線圈鼻部絕緣并相互摩擦,進(jìn)而造成接觸部位絕緣磨損。線圈引線與相鄰線圈鼻部絕緣破損照片如圖3所示。

圖3 線圈引線與相鄰線圈鼻部絕緣破損照片

2.3 改進(jìn)措施

1) 在線圈引線上與相鄰線圈鼻部相接觸的位置處套入玻璃絲套管,避免引線絕緣與線圈鼻部磨損。

2) 對(duì)線圈引線彎形技術(shù)進(jìn)行改進(jìn):先用整形鉗夾住線圈引線,并調(diào)整其位于相鄰兩個(gè)線圈鼻部間隙中間位置;再用整形鉗夾住引線拐角位置,同時(shí)用彎形套管套住引線并彎形處理。改進(jìn)后,線圈引線在彎形調(diào)整時(shí),可保持線圈引線與線圈鼻部相對(duì)位置的固定,避免相互擠壓摩擦。線圈引線彎形工藝改進(jìn)照片如圖4所示。

圖4 線圈引線彎形工藝改進(jìn)照片

拆除該臺(tái)故障定子絕緣磨損線圈的焊接點(diǎn),從鐵心槽內(nèi)拔出線圈,重新嵌入新的線圈。按照改進(jìn)后的線圈引線彎形技術(shù)對(duì)線圈引線進(jìn)行彎形處理。定子制作完成后,檢測(cè)絕緣電阻、對(duì)地絕緣耐壓與相間耐壓等試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果能夠滿足IEC 60349-2:2010《鐵路機(jī)車車輛用電子變流器供電的交流電動(dòng)機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 匝間耐壓衰減波形不重合故障

3.1 匝間耐壓試驗(yàn)及故障特征

當(dāng)變頻牽引電機(jī)在線運(yùn)行時(shí),受逆變器驅(qū)動(dòng)裝置、電力系統(tǒng)故障與雷擊等影響,會(huì)在定子繞組內(nèi)產(chǎn)生短上升沿的沖擊電壓,若匝間絕緣存在薄弱點(diǎn),就會(huì)造成匝間絕緣擊穿,進(jìn)而發(fā)生接地故障。當(dāng)定子制作完成后,根據(jù)IEC 60034-15:2009《帶定子成型線圈的交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)的脈沖電壓耐受等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn),分別給UV相、VW相、UW相繞組匝間絕緣施加0.65(4UDC+5 000 V)脈沖電壓。匝間電壓振蕩衰減波形的諧振頻率f可以表示為[3]:

(1)

式中:

L——線圈電感,單位H;

C——線圈電容,單位F。

當(dāng)某相繞組發(fā)生匝間短路時(shí),會(huì)引起繞組電感發(fā)生變化,進(jìn)而造成匝間電壓振蕩衰減波形在頻率與幅值方面發(fā)生變化。若三相繞組匝間耐壓振蕩衰減波形重合,判斷匝間耐壓試驗(yàn)合格;反之,判斷匝間耐壓試驗(yàn)不合格。此外,定子鐵心結(jié)構(gòu)、相序分布等因素也會(huì)引起定子繞組電感的變化,進(jìn)而導(dǎo)致匝間電壓振蕩衰減波形的變化。

在進(jìn)行某牽引電機(jī)定子匝間絕緣耐壓試驗(yàn)時(shí),UW相、VW相繞組振蕩衰減波形重合,而UV相繞組振蕩衰減波形與UW、VW相均不重合。

3.2 故障原因分析

1) 對(duì)故障定子匝間耐壓衰減波形進(jìn)行分析。相較于UV相繞組,UW相、VW相繞組的振蕩衰減波形在相位上滯后于UV相繞組。若W相繞組匝間短路,UW相、VW相繞組電感均會(huì)減小,其諧振頻率均會(huì)增加,振蕩衰減波形在相位上會(huì)超前于UV相繞組,與故障波形不符,故排除該種故障可能性。

2) 對(duì)故障定子三相直流電阻進(jìn)行分析。三相繞組直流電阻值平衡,且在設(shè)計(jì)值要求范圍,確認(rèn)三相繞組無(wú)匝間短路問(wèn)題,故排除該種故障可能性。

3) 對(duì)故障定子繞組的極性進(jìn)行分析。給三相繞組通入20 A直流電流,用指南針靠近定子鐵心齒部,通過(guò)觀察指南針偏移情況確認(rèn)定子極性。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),在定子其中一個(gè)磁極的U相繞組和V相繞組存在不偏移現(xiàn)象。因此,初步推測(cè)故障原因?yàn)?該位置定子繞組連線錯(cuò)誤。

4) 對(duì)故障定子連線方式進(jìn)行分析。檢查定子UV相繞組連線方式可以發(fā)現(xiàn),故障定子繞組的U相繞組和V相繞組的引線焊反了。因此確認(rèn)故障原因?yàn)?U相繞組、V相繞組連線錯(cuò)誤,造成匝間耐壓衰減波形不重合問(wèn)題,與定子極性分析一致。

3.3 改進(jìn)措施

1) 連線焊接前,用記號(hào)筆在各極相組的引線上做好相序標(biāo)識(shí)。同時(shí),對(duì)操作者開(kāi)展工藝培訓(xùn),熟練掌握定子連線方式。

2) 將該臺(tái)故障定子焊反的U極相組、V極相組的引線拆開(kāi),并按照正確方式重新焊接后,進(jìn)行匝間絕緣耐壓試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,三相繞組振蕩衰減波形完全重合,指南針偏移情況正常。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析動(dòng)車組牽引電機(jī)定子制造過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的絕緣故障問(wèn)題,針對(duì)性地提出改進(jìn)措施,徹底解決了牽引電機(jī)定子絕緣故障問(wèn)題,避免同類問(wèn)題再次發(fā)生,提高了牽引電機(jī)定子制作試驗(yàn)合格率,確保了牽引電機(jī)定子繞組絕緣質(zhì)量。