论文部分内容阅读
摘要：本文主要通过对苏州2号线牵引电机架修维修过程中定子匝间测试发生的相关问题进行分析说明，进一步明确苏州2号线牵引电机维修时匝间测试的电压测试标准，为后续各项目牵引电机维修测试提供必要的理论依据。
关键词：牵引电机;电机架修;匝间测试;测试标准
一、引言
苏州轨道交通2号线自2013年12月28日开始运营至2018年5月，运营时长近5年，主线车辆运营里程近65万公里。运营时长及运营里程两项指标均达到了车辆架修的标准。因此，自2018年5月始苏州2号线电客车正式进入首轮架修。
苏州轨道交通2号线电客车牵引电机使用的是斯柯达生产的ML3836K/4型三相鼠笼式异步电机，电机额定输出功率190KW，额定电压3×965V，额定电流141A，频率61HZ，额定转速1800r/m[1]。
牵引电机作为车辆牵引系统的核心部件，电机维修质量的好坏将会直接影响车辆架修的整体质量。牵引电机架修时，牵引电机绕组在实际运行过程中可能因机械负荷、温升、粉尘等媒介以及在电磁场等的作用下，造成其电气绝缘性能下降或者劣化[2]。因此，电机架修过程中，绕组的匝间测试是判断定子线圈及电机整体绝缘性能的关键工序。
二、牵引电机匝间测试原理及判断方法
2.1电机绕组匝间绝缘测试原理
匝间绝缘测试的原理是在绕组两端加一个具有规定电压峰值和波前时间的冲击电压脉冲，此脉冲能量在绕组与匹配电容之间产生一个并联自激振荡波形，由于绕组本身直流电阻的存在，此谐振波会快速衰减为0，通过分析被测绕组振荡波形与标准绕组振荡波形之间的差异度，即可判断被测绕组绝缘性能是否良好，是否存在匝间短路或匝间绝缘不良等问题[3]。
2.2电机绕组匝间测试的判断方法
同一设计的三相电机绕组，其各相绕组的R、L、C的设计值应该是对称平衡的。当冲击脉冲电压侵入电机绕组时，在绕组中将形成衰减的振荡波形，振荡频率为：
因此，通过对比三相绕组中衰减振荡波形的重合度即可判断电机绕组匝间等绝缘状态是否良好[3]。
三、牵引电机匝间测试典型案例
3.1基本情况描述
2019年5月8日上午，苏2架修电机序列号（20130170）在出厂进行匝间测试时发现匝间电压波形对比超差。匝间电压为12KV时，波形对比结果超差为14%;匝间电压为8KV时，波形对比结果超差为9%。均不符合斯柯达规定的波形不重合度<8%的要求。
在对电机整机测试环节，对此电机进行141A加载测试运转3分钟时，电机产生异味，电机内部伴有火花。现场立即停止测试并拆机后发现定子绕组击穿烧毁。
3.2原因及分析说明
（1）电机定子绕组本身嵌线不良绝缘损伤
经查该台电机的生产记录，该台电机生产于2013年，2013年出厂例行测试数据中匝間浪涌测试数据为12KV波形超差2.5%。符合斯柯达<8%的测试标准。
该台电机2019年入厂维修拆解前的测试数据为12KV波形超差3.3%。也符合斯柯达<8%的测试标准。
通过上述数据可以排除该台电机出厂时绕组线圈存在缺陷的情况。
（2）电机维护过程中防护不当造成绕组绝缘损伤
架修时电机拆解后需要对电机定子进行清洁及维护、检查定子绕组外观和周边机壳均未发现明显磕碰痕迹。但经纬对电机定子绕组清洗采用的是直接水洗法，清洗时直接使用水枪对绕组进行冲洗，因此不排除清洗过程中水流将异物、硬物等冲进线圈之间，在反复清洗过程中硌破绝缘层造成线圈局部损伤。目前线圈灼烧面积大且严重烧黑，难以反馈真相，但不排除这一可能性。
（3）电机匝间测试电压过高造成绕组绝缘加速老化
目前苏州2号线架修电机例行试验匝间测试电压是采用斯柯达新造电机的标准，测试脉冲电压为12kV。根据斯柯达厂内试验标准该电压脉冲值是符合要求的，但电机在运行5年后不排除绕组线圈局部绝缘性能下降，若再按照新造电机标准加12KV的脉冲电压进行匝间测试后会造成绝缘材料老化，电机加载运行时造成绕组线圈匝间短路，绕组烧毁。
3.3 处理及预防措施
由于该台电机的定子绕组已经被击穿烧毁，定子绕组需要重新绕制。同时针对以上可能造成匝间短路的两方面原因，经与厂家沟通讨论，后续电机架修维护中做如下整改防护：
（1）电机拆解清洗前，将电机定子用吸尘器将机体外部、绕组端部和定子内腔先吸尘、清理干净，避免线圈缝隙之间有异物进入，再进行喷淋清洗至清洁，在烘干运转等总装前的环节中对绕组进行遮盖防护，避免落进异物，损伤线圈。
（2）根据目前电机架修维护的实际情况，为避免高电压标准对电机造成伤害。电机匝间测试的脉冲电压，由12kV降为5.5kV。
四、牵引电机架修维护匝间测试电压标准的制定及修订
4.1.牵引电机绕组绝缘测试电压选择
根据标准《GB/T25123-2-2018 电力牵引 轨道机车车辆和公路车辆用旋转电机 第2部分：电子变流器供电的交流电动机》中9.5条要求
其中：Ug：定子或转子绕组对地绝缘工频耐电压试验值，单位为（V）
U dc为电机处于牵引状态下，供电网的最高非永久电压，单位为（V）
参考标准《IEC 60850-铁路设施—牵引装置的供电电压》4.1条，最高非永久电压为1950V。
则： =2x1950+1000=4900V
4.2.斯柯达原设计标准冲击电压标准的选择
根据《GB/T-22715-2016交流电机定子成型线圈耐冲击电压水平》中第3条耐冲击电压水平中计算公式所得，公式如下： 其中：UP是规定的耐雷电冲击电压峰值，单位为KV
UN是指电机端可能出现的最大过电压即1.95KV，单位为KV
则： =4x1950+5kV=12800V，取整即为12KV
4.3.目前架修维修电机匝间测试电压标准选择
根據《GB/T 22714-2008 交流低压电机成型绕组匝间绝缘试验规范》11.1.3条冲击试验电压峰值的要求
其中：
电机绕组或线圈匝间绝缘冲击试验电压峰值，单位为（V）
K1：电压系数，一般取
K2：运行系数，一般浸漆后为1.0-1.2
Ug：定子或转子绕组对地绝缘工频耐电压试验值，单位为（V）
则： =4900x1.414x（1～1.2）=7000～8000V
同时根据《IEEE522-2004交流旋转电机模绕定子线圈匝间绝缘的试验指南》7.1条电机维保要求取原始值的75%，则为5250～5600V，最终测试电压取中间值为5500V。
五、结语
电机匝间绝缘测试试验是判断电机线圈绕组状态的一项关键试验，该试验的结果是通过波形的重合度对比来进行判别的对比性试验。因此，在不同的试验标准选取或者试验环境的变化下都将影响最终的试验结果，所以目前暂无一个通用的量化判断标准。目前苏州2号线斯柯达牵引电机采用的波形不重合度<8%的判断标准是基于斯柯达电机通过长期、大量试验得来的经验性标准。后续项目中斯柯达（经纬）牵引电机可以继续采用该标准进行电机匝间状态的判断。
此文通过苏州2号线牵引电机架修中发生的匝间短路故障，对电机匝间绝缘测试的原理和电机架修前后测试电压标准的选取进行了说明和分析，旨在为后续架修项目牵引电机匝间测试提供必要的理论支撑，同时其他未考虑到的问题在后续项目试验中进行验证和完善。
参考文献
[1]苏州2号线牵引电机维护手册.
[2]电机绕组匝间测试原理及结果判断 世界家苑 数控车床 2017.11.
[3]JB_T9615.1-2000交流低压电机散嵌绕组匝间绝缘试验方法.
[4]IEC 60850-2014铁路设施—牵引装置的供电电压.
[5]GB/T-22715-2016交流电机定子成型线圈耐冲击电压水平.
[6]GB/T25123-2-2018 电力牵引 轨道机车车辆和公路车辆用旋转电机 第2部分：电子变流器供电的交流电动机.
[7]GB/T 22714-2008 交流低压电机成型绕组匝间绝缘试验规范.
[8]IEEE522-2004交流旋转电机模绕定子线圈匝间绝缘的试验指南.
关键词：牵引电机;电机架修;匝间测试;测试标准
一、引言
苏州轨道交通2号线自2013年12月28日开始运营至2018年5月，运营时长近5年，主线车辆运营里程近65万公里。运营时长及运营里程两项指标均达到了车辆架修的标准。因此，自2018年5月始苏州2号线电客车正式进入首轮架修。
苏州轨道交通2号线电客车牵引电机使用的是斯柯达生产的ML3836K/4型三相鼠笼式异步电机，电机额定输出功率190KW，额定电压3×965V，额定电流141A，频率61HZ，额定转速1800r/m[1]。
牵引电机作为车辆牵引系统的核心部件，电机维修质量的好坏将会直接影响车辆架修的整体质量。牵引电机架修时，牵引电机绕组在实际运行过程中可能因机械负荷、温升、粉尘等媒介以及在电磁场等的作用下，造成其电气绝缘性能下降或者劣化[2]。因此，电机架修过程中，绕组的匝间测试是判断定子线圈及电机整体绝缘性能的关键工序。
二、牵引电机匝间测试原理及判断方法
2.1电机绕组匝间绝缘测试原理
匝间绝缘测试的原理是在绕组两端加一个具有规定电压峰值和波前时间的冲击电压脉冲，此脉冲能量在绕组与匹配电容之间产生一个并联自激振荡波形，由于绕组本身直流电阻的存在，此谐振波会快速衰减为0，通过分析被测绕组振荡波形与标准绕组振荡波形之间的差异度，即可判断被测绕组绝缘性能是否良好，是否存在匝间短路或匝间绝缘不良等问题[3]。
2.2电机绕组匝间测试的判断方法
同一设计的三相电机绕组，其各相绕组的R、L、C的设计值应该是对称平衡的。当冲击脉冲电压侵入电机绕组时，在绕组中将形成衰减的振荡波形，振荡频率为：
因此，通过对比三相绕组中衰减振荡波形的重合度即可判断电机绕组匝间等绝缘状态是否良好[3]。
三、牵引电机匝间测试典型案例
3.1基本情况描述
2019年5月8日上午，苏2架修电机序列号（20130170）在出厂进行匝间测试时发现匝间电压波形对比超差。匝间电压为12KV时，波形对比结果超差为14%;匝间电压为8KV时，波形对比结果超差为9%。均不符合斯柯达规定的波形不重合度<8%的要求。
在对电机整机测试环节，对此电机进行141A加载测试运转3分钟时，电机产生异味，电机内部伴有火花。现场立即停止测试并拆机后发现定子绕组击穿烧毁。
3.2原因及分析说明
（1）电机定子绕组本身嵌线不良绝缘损伤
经查该台电机的生产记录，该台电机生产于2013年，2013年出厂例行测试数据中匝間浪涌测试数据为12KV波形超差2.5%。符合斯柯达<8%的测试标准。
该台电机2019年入厂维修拆解前的测试数据为12KV波形超差3.3%。也符合斯柯达<8%的测试标准。
通过上述数据可以排除该台电机出厂时绕组线圈存在缺陷的情况。
（2）电机维护过程中防护不当造成绕组绝缘损伤
架修时电机拆解后需要对电机定子进行清洁及维护、检查定子绕组外观和周边机壳均未发现明显磕碰痕迹。但经纬对电机定子绕组清洗采用的是直接水洗法，清洗时直接使用水枪对绕组进行冲洗，因此不排除清洗过程中水流将异物、硬物等冲进线圈之间，在反复清洗过程中硌破绝缘层造成线圈局部损伤。目前线圈灼烧面积大且严重烧黑，难以反馈真相，但不排除这一可能性。
（3）电机匝间测试电压过高造成绕组绝缘加速老化
目前苏州2号线架修电机例行试验匝间测试电压是采用斯柯达新造电机的标准，测试脉冲电压为12kV。根据斯柯达厂内试验标准该电压脉冲值是符合要求的，但电机在运行5年后不排除绕组线圈局部绝缘性能下降，若再按照新造电机标准加12KV的脉冲电压进行匝间测试后会造成绝缘材料老化，电机加载运行时造成绕组线圈匝间短路，绕组烧毁。
3.3 处理及预防措施
由于该台电机的定子绕组已经被击穿烧毁，定子绕组需要重新绕制。同时针对以上可能造成匝间短路的两方面原因，经与厂家沟通讨论，后续电机架修维护中做如下整改防护：
（1）电机拆解清洗前，将电机定子用吸尘器将机体外部、绕组端部和定子内腔先吸尘、清理干净，避免线圈缝隙之间有异物进入，再进行喷淋清洗至清洁，在烘干运转等总装前的环节中对绕组进行遮盖防护，避免落进异物，损伤线圈。
（2）根据目前电机架修维护的实际情况，为避免高电压标准对电机造成伤害。电机匝间测试的脉冲电压，由12kV降为5.5kV。
四、牵引电机架修维护匝间测试电压标准的制定及修订
4.1.牵引电机绕组绝缘测试电压选择
根据标准《GB/T25123-2-2018 电力牵引 轨道机车车辆和公路车辆用旋转电机 第2部分：电子变流器供电的交流电动机》中9.5条要求
其中：Ug：定子或转子绕组对地绝缘工频耐电压试验值，单位为（V）
U dc为电机处于牵引状态下，供电网的最高非永久电压，单位为（V）
参考标准《IEC 60850-铁路设施—牵引装置的供电电压》4.1条，最高非永久电压为1950V。
则： =2x1950+1000=4900V
4.2.斯柯达原设计标准冲击电压标准的选择
根据《GB/T-22715-2016交流电机定子成型线圈耐冲击电压水平》中第3条耐冲击电压水平中计算公式所得，公式如下： 其中：UP是规定的耐雷电冲击电压峰值，单位为KV
UN是指电机端可能出现的最大过电压即1.95KV，单位为KV
则： =4x1950+5kV=12800V，取整即为12KV
4.3.目前架修维修电机匝间测试电压标准选择
根據《GB/T 22714-2008 交流低压电机成型绕组匝间绝缘试验规范》11.1.3条冲击试验电压峰值的要求
其中：
电机绕组或线圈匝间绝缘冲击试验电压峰值，单位为（V）
K1：电压系数，一般取
K2：运行系数，一般浸漆后为1.0-1.2
Ug：定子或转子绕组对地绝缘工频耐电压试验值，单位为（V）
则： =4900x1.414x（1～1.2）=7000～8000V
同时根据《IEEE522-2004交流旋转电机模绕定子线圈匝间绝缘的试验指南》7.1条电机维保要求取原始值的75%，则为5250～5600V，最终测试电压取中间值为5500V。
五、结语
电机匝间绝缘测试试验是判断电机线圈绕组状态的一项关键试验，该试验的结果是通过波形的重合度对比来进行判别的对比性试验。因此，在不同的试验标准选取或者试验环境的变化下都将影响最终的试验结果，所以目前暂无一个通用的量化判断标准。目前苏州2号线斯柯达牵引电机采用的波形不重合度<8%的判断标准是基于斯柯达电机通过长期、大量试验得来的经验性标准。后续项目中斯柯达（经纬）牵引电机可以继续采用该标准进行电机匝间状态的判断。
此文通过苏州2号线牵引电机架修中发生的匝间短路故障，对电机匝间绝缘测试的原理和电机架修前后测试电压标准的选取进行了说明和分析，旨在为后续架修项目牵引电机匝间测试提供必要的理论支撑，同时其他未考虑到的问题在后续项目试验中进行验证和完善。
参考文献
[1]苏州2号线牵引电机维护手册.
[2]电机绕组匝间测试原理及结果判断 世界家苑 数控车床 2017.11.
[3]JB_T9615.1-2000交流低压电机散嵌绕组匝间绝缘试验方法.
[4]IEC 60850-2014铁路设施—牵引装置的供电电压.
[5]GB/T-22715-2016交流电机定子成型线圈耐冲击电压水平.
[6]GB/T25123-2-2018 电力牵引 轨道机车车辆和公路车辆用旋转电机 第2部分：电子变流器供电的交流电动机.
[7]GB/T 22714-2008 交流低压电机成型绕组匝间绝缘试验规范.
[8]IEEE522-2004交流旋转电机模绕定子线圈匝间绝缘的试验指南.