動車組牽引電機定子絕緣故障問題分析及解決措施

那春龍 彭 慧 王玉龍

(中車株洲電機有限公司,412001,株洲)

逆變器的高頻脈沖輸出容易引起牽引電機繞組絕緣過早失效的問題,因此絕緣系統的性能優劣直接影響到牽引電機的安全性、可靠性和使用壽命[1]。在動車組牽引電機定子制作過程中,繞組絕緣受作業環境、漲形應力及嵌線應力等因素的影響,會產生絕緣缺陷。在定子運行過程中,繞組絕緣受電、熱、機械與環境等因素的作用,會逐漸發生劣化現象。鑒于以上問題,在定子制作或檢修時,需對定子繞組實施對地絕緣耐壓試驗、相間絕緣耐壓試驗與匝間絕緣耐壓試驗,篩選存在絕緣缺陷的定子,并對絕緣缺陷的原因進行分析,提出解決措施。

基于此,本文介紹了定子對地耐壓、相間耐壓與匝間耐壓試驗的原理,并針對定子制作或檢修過程中發生的絕緣故障問題,梳理故障特征,并從產品結構、作業環境、工藝方法或運行環境等方面對故障問題發生的原因進行分析,針對性地提出改進措施及故障定子的修復方法。

1 對地絕緣擊穿故障

1.1 直流耐壓擊穿故障

1.1.1 直流耐壓試驗及故障特征

直流耐壓試驗是根據IEC 60349-2:2010《鐵路機車車輛用電子變流器供電的交流電動機》標準,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,將在缺陷處發生絕緣擊穿。

某牽引電機定子在直流耐壓試驗時發生對地絕緣擊穿故障,試驗過程中肉眼未發現擊穿放電火花。斷電后,檢測定子繞組對地絕緣電阻為0,但線圈端部、鐵心槽口等位置無燒損發黑的痕跡。

采用分相測絕緣電阻的方法,依次拆開三相繞組中性點、擊穿點所在并聯支路及所在極相組的焊接點,找到擊穿線圈。將擊穿線圈從鐵心內拔出后發現,擊穿點位于鐵心槽內距鐵心槽口約5 mm位置處,下層線圈棱邊圓角位置處被擊穿。剝開線圈各外包絕緣層,擊穿點為內大外小貫穿性孔洞,電磁線匝間存在爬電痕跡,擊穿點絕緣存在碳化發黑現象。線圈絕緣擊穿點和電磁線擊穿點照片如圖1所示。

a) 線圈絕緣擊穿點

1.1.2 故障原因分析

根據故障特征可知,絕緣擊穿從電磁線薄膜開始向線圈外包絕緣發展,產生故障的原因有:

1) 電磁線薄膜繞包或線圈繞制時,當材料表面溫度低于空氣露點或相對濕度較高時,將使空氣中的水蒸氣凝結于薄膜表面并形成潮氣膜,在外加電壓作用下,產生爬電現象。

2) 在電磁線薄膜繞包過程中,導電性灰塵等雜質可能卷入電磁線薄膜內,在線圈繞制時,這些雜質處于線圈、線匝之間,較難識別。雜質的存在不但會使得局部絕緣層減薄,還會極大地降低此處的介電強度,導致定子內電場強度集中于此處,進而造成定子絕緣擊穿。

3) 若電磁線薄膜疊包率過小,將造成電氣絕緣強度降低;若電磁線疊包率過大,將引起線圈外形尺寸增加。在線圈嵌線過程中,嵌線應力過大會損傷線圈絕緣,降低其電氣絕緣強度。

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

5) 在線圈制作過程中,繞線機及漲形機等設備定位模具,以及轉運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度有所降低。

6) 在線圈制作過程中,線圈浸水檢測后的烘焙溫度及時間可能不足,導致水分不能充分揮發,在高電壓作用下,在殘留水分位置形成爬電現象。

1.1.3 改進措施

1) 線圈制作作業環境應保持干燥清潔,每日開工前記錄環境溫度與濕度,定期對作業環境的浮游粉塵量進行檢測。

2) 電磁線薄膜繞包時,應按照要求將疊包率控制在規定范圍內,并對疊包率進行檢查。

3) 確認電磁線薄膜繞包角度、燒結溫度、繞包張力和壓輪距高頻感應器出口的距離等工藝參數,消除電磁線薄膜繞包過程產生的氣泡[2]。

4) 對電磁線薄膜繞包與線圈繞制工藝進行改進,增加視覺檢測系統,對電磁線薄膜缺陷進行檢測,發現電磁線存在缺陷后,立即報警急停,避免缺陷電磁線或線圈應用到產品中。

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

將該臺故障定子的故障線圈從鐵心槽內取出,檢查確認鐵心槽狀態良好,且無異物附著等現象,重新嵌入新的線圈。同時,重新對其進行對地絕緣電阻與對地絕緣耐壓等試驗項目,經分析發現,試驗結果能夠滿足IEC 60349-2:2010《鐵路機車車輛用電子變流器供電的交流電動機》標準要求。

1.2 交流耐壓擊穿故障

1.2.1 交流耐壓試驗及故障特征

交流耐壓試驗原理與直流耐壓試驗類似,區別在于所施加的電壓為交流電壓。按照IEC 60349-2:2010《鐵路機車車輛用電子變流器供電的交流電動機》標準,在定子繞組與鐵心之間施加2UDC+1 000 V交流電壓,按照絕緣結構中各層絕緣材料的電容分配電壓,可以有效發現定子絕緣內部的缺陷。

某牽引電機運行120萬km后返廠檢修,定子在交流耐壓試驗時發生對地絕緣擊穿故障。斷電后,檢測定子繞組對地絕緣電阻為0,發現定子引線端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拔出后發現,該線圈擊穿點位于鐵心槽口位置處,線圈側面至棱邊圓角發生擊穿現象,擊穿點為外大內小的貫穿性孔洞,孔洞面積約為10 mm×10 mm,擊穿點絕緣層碳化發黑。定子槽口燒損痕跡及線圈擊穿點照片如圖2所示。

a) 定子槽口燒損痕跡

1.2.2 故障原因分析

根據故障特征可知,絕緣擊穿從外向內發展。結合定子繞組結構及電機運用情況等,分析產生故障的原因有:

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

2) 在電機運行過程中,由于線圈承受了電機雙倍運行頻率的電磁振動及電機整機傳遞的機械振動,導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分層現象。當所施加的電壓達到空氣擊穿強度時,絕緣分層內部將產生電氣擊穿,最終在絕緣中腐蝕出貫穿性孔洞,導致接地故障。

3) 電機采用強迫通風冷卻且運行環境惡劣。在電機運行過程中,導電性物質可能隨風路進入電機內部,并集聚在定子鐵心槽口位置。當給定子繞組施加外加電壓時,導電性物質會造成定子槽口位置處的電場產生畸變,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 改進措施

定子繞組清洗后,按照要求的溫度對定子繞組烘焙足夠時間,并記錄烘焙前后時間,有效保證定子繞組內部殘留的水分徹底揮發。對該臺定子繞組整體拔線處理,檢查定子鐵心槽質量狀態良好,將定子鐵心槽內漆渣等清理干凈,重新嵌入新的線圈。定子浸漆處理后,優化定子鐵心槽口部位的絕緣結構,在定子槽口部位實施灌封處理,將線圈槽口位置密封,避免導電性物質進入,增強定子槽口的絕緣性能[3]。

2 相間短路故障

2.1 相間耐壓試驗及故障特征

相間耐壓試驗原理與對地直流耐壓試驗相同,兩者的區別在于,相間耐壓試驗是在焊接三相繞組中性點前,就在兩相繞組之間施加直流電壓,檢測相間絕緣電氣強度,同時也對定子連線方式及對地絕緣電氣強度等進行檢測。

對某牽引電機定子V相、W相繞組進行相間耐壓試驗時,其電壓升至約600 V后,耐壓設備發生過流報警。

2.2 故障原因分析

根據故障特征可知,耐壓設備發生過流報警故障的主要原因為V相與W相兩相繞組短路,電阻降至0,造成電流顯著增加,直至超過閾值報警。

經確認后發現,V相、W相繞組的絕緣電阻、連線方式及繞組端部絕緣狀態均無異常,但其中1個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。調整該線圈引線姿態后發現,該線圈引線與相鄰線圈鼻部接觸位置均發生絕緣破損且已露出銅導線。當線圈引線彎形時,其頂住相鄰線圈鼻部絕緣并相互摩擦,進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) 對線圈引線彎形技術進行改進:先用整形鉗夾住線圈引線,并調整其位于相鄰兩個線圈鼻部間隙中間位置;再用整形鉗夾住引線拐角位置,同時用彎形套管套住引線并彎形處理。改進后,線圈引線在彎形調整時,可保持線圈引線與線圈鼻部相對位置的固定,避免相互擠壓摩擦。線圈引線彎形工藝改進照片如圖4所示。

圖4 線圈引線彎形工藝改進照片

拆除該臺故障定子絕緣磨損線圈的焊接點,從鐵心槽內拔出線圈,重新嵌入新的線圈。按照改進后的線圈引線彎形技術對線圈引線進行彎形處理。定子制作完成后,檢測絕緣電阻、對地絕緣耐壓與相間耐壓等試驗,試驗結果能夠滿足IEC 60349-2:2010《鐵路機車車輛用電子變流器供電的交流電動機》標準要求。

3 匝間耐壓衰減波形不重合故障

3.1 匝間耐壓試驗及故障特征

當變頻牽引電機在線運行時,受逆變器驅動裝置、電力系統故障與雷擊等影響,會在定子繞組內產生短上升沿的沖擊電壓,若匝間絕緣存在薄弱點,就會造成匝間絕緣擊穿,進而發生接地故障。當定子制作完成后,根據IEC 60034-15:2009《帶定子成型線圈的交流旋轉電機的脈沖電壓耐受等級》標準,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。

當某相繞組發生匝間短路時,會引起繞組電感發生變化,進而造成匝間電壓振蕩衰減波形在頻率與幅值方面發生變化。若三相繞組匝間耐壓振蕩衰減波形重合,判斷匝間耐壓試驗合格;反之,判斷匝間耐壓試驗不合格。此外,定子鐵心結構、相序分布等因素也會引起定子繞組電感的變化,進而導致匝間電壓振蕩衰減波形的變化。

在進行某牽引電機定子匝間絕緣耐壓試驗時,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) 對故障定子匝間耐壓衰減波形進行分析。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相繞組電感均會減小,其諧振頻率均會增加,振蕩衰減波形在相位上會超前于UV相繞組,與故障波形不符,故排除該種故障可能性。

2) 對故障定子三相直流電阻進行分析。三相繞組直流電阻值平衡,且在設計值要求范圍,確認三相繞組無匝間短路問題,故排除該種故障可能性。

3) 對故障定子繞組的極性進行分析。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,通過觀察指南針偏移情況確認定子極性。經分析發現,在定子其中一個磁極的U相繞組和V相繞組存在不偏移現象。因此,初步推測故障原因為,該位置定子繞組連線錯誤。

4) 對故障定子連線方式進行分析。檢查定子UV相繞組連線方式可以發現,故障定子繞組的U相繞組和V相繞組的引線焊反了。因此確認故障原因為,U相繞組、V相繞組連線錯誤,造成匝間耐壓衰減波形不重合問題,與定子極性分析一致。

3.3 改進措施

1) 連線焊接前,用記號筆在各極相組的引線上做好相序標識。同時,對操作者開展工藝培訓,熟練掌握定子連線方式。

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

4 結語

通過分析動車組牽引電機定子制造過程中發現的絕緣故障問題,針對性地提出改進措施,徹底解決了牽引電機定子絕緣故障問題,避免同類問題再次發生,提高了牽引電機定子制作試驗合格率,確保了牽引電機定子繞組絕緣質量。