中車永濟電機有限公司 山西永濟 044502

在大型露天礦，礦石運輸車大部分采用交流牽引電動機提供動力，牽引電動機故障會導(dǎo)致運輸車無法工作，直接影響礦石運輸。因此牽引電動機在露天礦運輸中占有非常重要的地位，它的可靠運行直接影響到露天礦的生產(chǎn)效率。在中煤能源平朔露天煤礦，有數(shù)十臺小松 830E、930E 重型自卸卡車，載重 220～290 t，每臺卡車裝有 2 個牽引電動機，控制方式為柴油發(fā)動機拖動同步主發(fā)電機，發(fā)出來的交流電先整流再由變頻器逆變成頻率可調(diào)的交流電，供給牽引電動機，從而實現(xiàn)變頻調(diào)速。牽引電動機檢修的核心是絕緣，牽引電動機絕緣被稱為牽引電動機的心臟，交流牽引電動機由于采用變頻器供電，變頻器產(chǎn)生的高頻尖峰電壓對絕緣有較強的電腐蝕作用。牽引電動機絕緣失效導(dǎo)致的繞組接地和匝間短路占牽引電動機故障的 30% 以上。目前，露天礦電動機檢修部門一些專業(yè)技術(shù)人員對牽引電動機絕緣試驗方法認(rèn)識不全面、不深入，無法發(fā)現(xiàn)牽引電動機絕緣的一些潛在缺陷，導(dǎo)致牽引電動機檢修后運行故障率較高。筆者將高鐵牽引電動機定期維護(hù)保養(yǎng)和檢修技術(shù)引入露天礦運輸車牽引電動機檢修中，特別是電動機絕緣試驗方法，取得了良好效果。

1 電動機絕緣故障及絕緣老化

1.1 絕緣故障

電動機絕緣分為對地絕緣和匝間絕緣。對地絕緣指電動機帶電導(dǎo)體與不帶電部分之間的絕緣，匝間絕緣指電動機不同電位導(dǎo)體之間的絕緣。

電動機絕緣故障主要表現(xiàn)為繞組接地和匝間短路。接地指電動機帶電導(dǎo)體與不帶電部分短路；匝間短路指電動機不同電位導(dǎo)體短路。這 2 種故障均由絕緣失效引起。

1.2 絕緣老化

電動機長期運行后絕緣會逐漸老化，造成電動機老化的因素主要有熱應(yīng)力、電氣應(yīng)力、機械應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力。

(1)熱應(yīng)力指繞組的運行溫度對絕緣的影響。絕緣處于高溫下，超過臨界溫度后，會被空氣氧化，使絕緣脆化、分層。每升高 10 ℃，絕緣壽命縮短一半。

(2)電氣應(yīng)力指絕緣在電動機電壓作用下，如果有缺陷，先局部微小放電，電火花會轟擊固體絕緣，使絕緣出現(xiàn)空隙，反過來又加劇局部放電，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致絕緣失效。

(3)機械應(yīng)力指絕緣受到機械力的作用產(chǎn)生磨損。例如電動機工作時會振動，如果槽中的線圈比較松，線圈與鐵心相對移動產(chǎn)生摩擦，造成主絕緣磨損。

(4)環(huán)境應(yīng)力指環(huán)境因素對絕緣的影響。凝結(jié)在繞組上的潮氣、過高的濕度、侵蝕性的化學(xué)物質(zhì)、油污和粉塵污染、冷卻空氣的腐蝕性顆粒，都會形成導(dǎo)電通路，造成絕緣爬電和內(nèi)部局部放電，加劇絕緣老化[1]。

2 牽引電動機絕緣試驗

牽引電動機絕緣老化是不可避免的，關(guān)鍵是在牽引電動機檢修中如何評判牽引電動機絕緣是否可以繼續(xù)使用。各地露天礦牽引電動機檢修部門的電動機絕緣試驗方法互不相同，筆者引入高鐵牽引電動機的絕緣試驗方法，并參考相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)露天礦運輸車牽引電動機絕緣試驗規(guī)范化。

2.1 對地絕緣試驗

2.1.1 絕緣電阻

絕緣電阻試驗是測量電動機帶電部分與不帶電部分之間絕緣的電阻值，如定子線圈與機座，測量時需斷開電動機與其他設(shè)備的電氣連接，在電動機銅導(dǎo)體與機座之間施加一個直流電壓，測量絕緣的電阻值。測量儀器使用 FLUCKF1508 絕緣測試儀。電動機絕緣電阻測試電壓如表 1 所列。

對于冷態(tài)進(jìn)行試驗的電動機，則以冷態(tài)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考核，對于進(jìn)行熱試驗和負(fù)載試驗的牽引電動機，則以熱態(tài)標(biāo)準(zhǔn)考核。

(1)中小型電動機 熱態(tài)下電動機絕緣的絕緣電阻最小值。

式中：UN為電動機額定電壓，V；P為電動機額定功率，對直流和交流電動機，kW，對交流同步發(fā)電機為 kvar。

若以式(1)計算所得數(shù)值＜0.38 MΩ，則以 0.38 MΩ 作為最小允許值。

(2)變頻調(diào)速牽引電動機 JB/T 7118—2004 規(guī)定熱態(tài)下絕緣電阻的最小限值為 0.69 MΩ。冷態(tài)時，低壓電動機(額定電壓≤1 000 V 的交流電動機；額定電壓≤1 500 V 的直流電動機)絕緣電阻的最小限值為5 MΩ；高壓電動機(額定電壓＞1 000 V 的交流電動機；額定電壓＞1 500 V 的直流電動機)絕緣電阻的最小限值為 50 MΩ[2]。

電動機絕緣電阻等于配件絕緣電阻并聯(lián)后的總電阻，低于各配件絕緣電阻。因此電動機絕緣電阻低，并不能認(rèn)為所有配件絕緣電阻低，只能說明牽引電動機絕緣存在薄弱點。因此，找到絕緣電阻低的薄弱點，消除絕緣薄弱點即可使?fàn)恳妱訖C絕緣電阻升高。例如：直流牽引電動機定子主極繞組絕緣電阻低，主極繞組由 4 個主極線圈串聯(lián)，只須分段測量查找，找出絕緣電阻低的主極線圈，更換主極線圈絕緣，即可提高電動機整體的絕緣電阻。

2.1.2 極化指數(shù)與吸收比

在露天礦電修車間，檢修人員往往認(rèn)為電動機絕緣電阻足夠大，達(dá)到 1 GΩ 以上，電動機絕緣就是合格的，這種認(rèn)識是片面的。電動機絕緣的好壞除了用絕緣電阻的大小評判外，還需要用絕緣電阻隨時間變化的快慢來評判。正常狀態(tài)下，測量絕緣電阻時電動機絕緣電阻值是隨著時間的增加逐步增加，不同電動機絕緣狀態(tài)不同，絕緣電阻增長速度不同。假如 2 臺牽引電動機，絕緣電阻均為 1 GΩ。一臺牽引電動機絕緣電阻上升到 1 GΩ 用時 20 s，另一臺用時 120 s，則第一臺電動機絕緣電阻升高的快，表明絕緣抵御電壓的能力強，絕緣狀態(tài)好。為了表示絕緣電阻隨時間變化快慢的程度，引入極化指數(shù)PI和吸收比Km2 個指標(biāo)。

極化指數(shù)PI指牽引電動機 10 min 絕緣電阻與 1 min 絕緣電阻的比值。

吸收比Km指牽引電動機 60 s 的絕緣電阻值與 15 s 絕緣電阻值的比值。

對于新造牽引電動機，PI≥1.5；對于檢修牽引電動機，PI≥1.2。Km≥1.3，表明絕緣合格[3]。

2.1.3 交流工頻耐壓

交流工頻耐壓試驗指對電動機施加交流工頻電壓，模擬電動機實際工況，檢測絕緣是否合格。如果電動機控制系統(tǒng)發(fā)生接地故障，將在電動機繞組上產(chǎn)生過電壓，可能使運行中的定子繞組發(fā)生故障。交流耐壓試驗的目的就是為了發(fā)現(xiàn)絕緣的這類潛在缺陷。需要注意的是，交流工頻耐壓是破壞性試驗，試驗前須在絕緣電阻、極化指數(shù)、吸收比試驗合格后進(jìn)行，否則容易擊穿絕緣，將故障擴大。交流工頻耐壓試驗時間為 60 s。

DL/T 596—1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》規(guī)定，交流電動機定子繞組工頻耐壓試驗標(biāo)準(zhǔn)：①不更換或局部更換定子繞組，試驗電壓為 1.5UN，但不低于 1 000 V；②全部更換定子繞組，試驗電壓為2UN+1 000 V，但不低于 1 500 V。直流電動機繞組的交流耐壓試驗標(biāo)準(zhǔn)：①不更換或局部更換繞組，試驗電壓為 1 000 V；②全部更換繞組后，試驗電壓為2UN+1 000 V，但不低于 1 500 V。

2.1.4 直流泄漏電流試驗

直流泄漏電流試驗是指將直流電壓施加在絕緣上，測量直流泄漏電流，通過泄漏電流的大小和規(guī)律可有效發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷。它不是破壞性試驗，不會引起絕緣的電老化，不能與交流工頻耐壓試驗互相替代。參照 IEC60034 標(biāo)準(zhǔn)，直流泄漏電流耐壓試驗值為交流工頻耐壓試驗值的 1.7 倍，試驗時其余繞組和機座必須接地。試驗結(jié)果如果出現(xiàn)以下情況之一：①外施電壓不變，泄漏電流時間增大；②在額定試驗電壓，泄漏電流＞20 μA，則需要查找絕緣缺陷[4]。

2.1.5 介質(zhì)損耗因數(shù)及增量試驗

介質(zhì)損耗是絕緣材料的一種特性。理想狀態(tài)下，繞組絕緣的特性類似于純電容器，也就是說，它儲存能量，而不消耗能量。實際上，絕緣在承受交流電壓時，介質(zhì)內(nèi)會通過電流產(chǎn)生能量損耗，引起介質(zhì)發(fā)熱，這種損耗稱介質(zhì)損耗，介質(zhì)損耗越大，說明絕緣能量損耗越嚴(yán)重，狀態(tài)越差。常見介質(zhì)損耗的原因有絕緣受潮和絕緣老化變質(zhì)。介質(zhì)損耗的大小用介質(zhì)損耗因數(shù)tgδ來表示。介質(zhì)損耗因數(shù)tgδ為通過絕緣的有功電流Ir與無功電流Ic的比值。介質(zhì)損耗相量圖如圖 1 所示。

圖1 介質(zhì)損耗相量圖Fig.1 Phasor diagram of dielectric loss

介質(zhì)損耗因數(shù)tgδ與絕緣材料中的空氣含量、溫度、試驗頻率和外施電壓有關(guān)。tgδ在電壓升高時急增，這是絕緣結(jié)構(gòu)夾雜氣孔的主要特征，由于空氣電離使介質(zhì)損耗增加。

當(dāng)電場強度加強到某一臨界值，絕緣層缺陷部位開始局部放電，tgδ急增。通常將 0.6UN與 0.2UN電壓測得的tgδ差值稱為增量Δtgδ。Δtgδ可作為評價絕緣內(nèi)缺陷程度的另一個指標(biāo)。

理論上tgδ和Δtgδ越小越好，當(dāng)絕緣老化時，極化現(xiàn)象嚴(yán)重，tgδ和Δtgδ會大幅增加。

根據(jù) GB/T 20833.3—2018 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在室溫下，0.2UN下介質(zhì)損耗因數(shù)的初始值tgδ(0.2UN)最大值為 2.0×10-4，增量 Δtgδ(0.6UN與 0.2UN下介質(zhì)損耗因數(shù)之差)最大值為 5.0×10-3[5]。

2.2 匝間絕緣試驗

匝間絕緣是不同電位導(dǎo)體之間的絕緣。其試驗方法屬于對比試驗，比較電動機三相之間的電參數(shù)是否一致，來判斷是否有匝間絕緣失效引起的繞組匝間短路故障。試驗方法有匝間高頻浪涌試驗。

測試原理：牽引電動機繞組等值電路類似于一個R-L電路，用測試儀器對繞組試驗時，相當(dāng)于并聯(lián)一個電容，形成R-L-C電路，如圖 2 所示。

試驗時，儀器給 2 個繞組施加同樣的脈沖電壓，儀器示波器上顯示 2 個繞組的震蕩衰減放電波形。震蕩衰減放電波形如圖 3 所示。當(dāng) 2 個繞組的形狀、匝數(shù)等參數(shù)完全相同時，其波形完全重合，如圖 3(a)所示；若 2 個繞組的電磁參數(shù)不完全相同，如匝數(shù)不相等、磁阻不相等、電容不相等，則其放電曲線就會有差異，如圖 3(b)所示。GB/T 22714—2008 規(guī)定給繞組施加脈沖電壓為交流工頻耐壓的 1.7 倍，時間為 1～3 s。

圖2 R-L-C 電路Fig.2 R-L-C circuit

圖3 震蕩衰減放電波形Fig.3 Oscillation attenuation discharge waveform

評判標(biāo)準(zhǔn)：三相繞組波形重合為絕緣合格，不重合表明匝間短路。

3 結(jié)語

高鐵牽引電動機事關(guān)行車安全和生命安全，質(zhì)量要求高于露天礦運輸車牽引電動機，試驗技術(shù)領(lǐng)先于運輸車牽引電動機，通過上述絕緣試驗方法的高鐵牽引電動機絕緣故障率遠(yuǎn)低于電動機行業(yè)平均水平。將高鐵電動機絕緣試驗方法在國家能源準(zhǔn)能黑岱溝礦830E 卡車 GEB25 牽引電動機進(jìn)行了應(yīng)用，通過絕緣試驗的 GEB25 牽引電動機可靠性明顯提升，故障率大幅下降。因此，在運輸車牽引電動機絕緣試驗方面引入高鐵牽引電動機絕緣試驗技術(shù)，有利于運輸車牽引電動機絕緣試驗全面、統(tǒng)一、規(guī)范，提高了電動機絕緣故障診斷準(zhǔn)確率，可在早期發(fā)現(xiàn)露天礦運輸車牽引電動機絕緣故障，降低牽引電動機運行故障率，保證露天礦生產(chǎn)運輸正常進(jìn)行。