羅小蘭，丁祿振，鄧日江，楊振中，何云風(fēng)，裴亞偉

（中車株洲電機有限公司，湖南 株洲412001）

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JD142A型交流異步牽引電機接地故障原因分析及改進

羅小蘭，丁祿振，鄧日江，楊振中，何云風(fēng)，裴亞偉

（中車株洲電機有限公司，湖南 株洲412001）

摘 要：針對出口澳大利亞的SDA1-006號機車在中間直流電壓欠壓工況下，接連數(shù)臺JD142A牽引電機發(fā)生轉(zhuǎn)子端環(huán)脫落、砸傷定子繞組導(dǎo)致電機接地故障的問題，進行理論分析與試驗驗證，采取電機過載保護、中間欠壓保護及過溫保護等措施，確保電機在欠壓工況下的運行安全，使該類型電機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

SDA1型交流傳動內(nèi)燃機車是中車資陽機車有限公司出口澳大利亞的一款干線貨運機車，最大運用功率3000kW，中間直流電壓1500V等級［1］，由中車株洲電機公司配套提供JD142A型牽引電機，實現(xiàn)了我國大功率內(nèi)燃機車交流傳動牽引電機向發(fā)達國家出口的零突破［2］。

該型機車投入運營以來，JD142A牽引電機整體運行穩(wěn)定。2014年3月，SDA1-006號車頻繁報1、2架主回路接地，檢測發(fā)現(xiàn)第2、3、4、5位電機接地。

1　原因分析

經(jīng)拆檢電機發(fā)現(xiàn)，4臺電機的傳動端端環(huán)已脫落，但導(dǎo)條端面清晰完整未變形，說明端環(huán)脫落屬過熱失效，并非機械失效。護環(huán)表面有焊料劃擦痕跡，出風(fēng)口處發(fā)現(xiàn)焊料熔渣，確認轉(zhuǎn)子曾發(fā)生過熱。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，電機接地并非定子繞組絕緣失效，應(yīng)屬電機在過流狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子短時發(fā)熱嚴重，致使端環(huán)脫落，砸傷定子繞組所致。

1.1電機欠壓工況分析

據(jù)了解SDA1-006號機車在接地故障發(fā)生前，因勵磁電阻與整流模塊燒損等問題，曾頻繁報中間直流欠壓，而牽引電機運行穩(wěn)定，未報過相關(guān)故障。

中間直流電壓是內(nèi)燃機車交流傳動系統(tǒng)的一個關(guān)鍵參數(shù)，它決定了主發(fā)電機、牽引變流器及牽引電機等設(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，牽引電機輸入電壓下降，電機電磁轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，故電機轉(zhuǎn)矩下降，為了盡量維持轉(zhuǎn)矩平衡，電機轉(zhuǎn)速減小，轉(zhuǎn)差率增大，轉(zhuǎn)子切割旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電流增大，轉(zhuǎn)子發(fā)熱量增大，同時電機定子電流也隨之增大［4］。而SDA1型機車逆變器過流保護值僅根據(jù)IGBT晶體管容量設(shè)定為1500A（峰值），遠遠大于電機最大啟動電流933A（峰值），并不能形成對電機的有效保護，系統(tǒng)無法及時切除保護電機，可能使電機轉(zhuǎn)子持續(xù)發(fā)熱嚴重而失效。

1.2電機欠壓損耗計算

表1所示為JD142A牽引電機欠壓狀態(tài)損耗單點計算結(jié)果，通過與額定狀態(tài)的損耗值進行比較可知，當(dāng)電機處于欠壓工況下，電機轉(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)熱嚴重。具體變化曲線如圖1、2所示，當(dāng)電壓跌落時，額定點（A點）對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩下降，為了保持相同轉(zhuǎn)矩水平，電機轉(zhuǎn)差率需從Sa增大至Sb，相應(yīng)地電機轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電流從I2a增大至I2b.

表1　JD142A牽引電機欠壓狀態(tài)損耗單點計算結(jié)果

圖1　電機欠壓工況T-s曲線

圖2　電機欠壓工況I2-s曲線

1.3電機欠壓模擬試驗

下圖3、4所示為JD142A牽引電機在上述額定及欠壓工況下試驗測得的定子溫升曲線，同時測算得到欠壓工況下電機轉(zhuǎn)子進出風(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　欠壓工況電機定、轉(zhuǎn)子進、出風(fēng)口溫度

試驗結(jié)果證實，電機欠壓導(dǎo)致電機定、轉(zhuǎn)子各部位溫度隨時間成線性迅速升高，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，在定子溫度達到280℃條件下，轉(zhuǎn)子出風(fēng)口溫度最高可達到360℃以上，說明欠壓工況對電機轉(zhuǎn)子的溫升影響更大。在電機過流保護未及時觸發(fā)的情況下，電機轉(zhuǎn)子可能因溫升劇烈而失效。

2　改進措施

為避免牽引電機后續(xù)再發(fā)生類似故障，須完善機車中間直流電壓欠壓保護措施；同時應(yīng)修訂電機過載保護與過溫保護限值，當(dāng)電機電流或溫升異常時能及時獲得系統(tǒng)保護。

（1）中間直流欠壓保護

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

表3　牽引、制動工況各檔位中間電壓參考值

（2）電機過載保護

采集電機線電流總有效值，按下表4分3檔實施過載保護。

表4　電機過載保護設(shè)置

（3）電機過溫保護

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

3　結(jié)束語

通過上述JD142A型牽引電機的欠壓工況分析、損耗計算及溫升試驗驗證，確認機車電機接地的故障原因為中間直流電壓異常跌落導(dǎo)致電機工作在過流狀態(tài)，未及時獲得系統(tǒng)隔離保護，電機轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴重發(fā)生端環(huán)脫落，局部砸傷定子繞組所致。采取所述保護措施后，JD142A牽引電機在線運行未再報類似接地故障，改進效果顯著。

由于該故障模式較為少見，本文首次明確了中間直流電壓跌落工況下機車電機的特殊保護需求，為后續(xù)內(nèi)燃機車牽引傳動系統(tǒng)設(shè)計及電機控制保護積累了寶貴經(jīng)驗。

參考文獻：

［1］楊振中，阮鴻芳，丁祿振，王長江.交流傳動內(nèi)燃機車用牽引電動機研制［J］.電機技術(shù)，2015，（01）：16-20.

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

［3］何良.交流傳動內(nèi)燃機車能量傳遞與中間直流環(huán)節(jié)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)［J］.機車電傳動，2008，（2）：24-27.

［4］湯蘊璆，史乃.電機學(xué)［M］.北京:機械工業(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

中圖分類號：TM305

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）03-0233-03

收稿日期：2015-12-10

作者簡介：羅小蘭（1985-），女，湖南株洲人，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向為牽引電機設(shè)計與維護技術(shù)。