露天矿运输车牵引电动机绝缘试验应用研究

中车永济电机有限公司 山西永济 044502

在大型露天矿，矿石运输车大部分采用交流牵引电动机提供动力，牵引电动机故障会导致运输车无法工作，直接影响矿石运输。因此牵引电动机在露天矿运输中占有非常重要的地位，它的可靠运行直接影响到露天矿的生产效率。在中煤能源平朔露天煤矿，有数十台小松 830E、930E 重型自卸卡车，载重 220～290 t，每台卡车装有 2 个牵引电动机，控制方式为柴油发动机拖动同步主发电机，发出来的交流电先整流再由变频器逆变成频率可调的交流电，供给牵引电动机，从而实现变频调速。牵引电动机检修的核心是绝缘，牵引电动机绝缘被称为牵引电动机的心脏，交流牵引电动机由于采用变频器供电，变频器产生的高频尖峰电压对绝缘有较强的电腐蚀作用。牵引电动机绝缘失效导致的绕组接地和匝间短路占牵引电动机故障的 30% 以上。目前，露天矿电动机检修部门一些专业技术人员对牵引电动机绝缘试验方法认识不全面、不深入，无法发现牵引电动机绝缘的一些潜在缺陷，导致牵引电动机检修后运行故障率较高。笔者将高铁牵引电动机定期维护保养和检修技术引入露天矿运输车牵引电动机检修中，特别是电动机绝缘试验方法，取得了良好效果。

1 电动机绝缘故障及绝缘老化

1.1 绝缘故障

电动机绝缘分为对地绝缘和匝间绝缘。对地绝缘指电动机带电导体与不带电部分之间的绝缘，匝间绝缘指电动机不同电位导体之间的绝缘。

电动机绝缘故障主要表现为绕组接地和匝间短路。接地指电动机带电导体与不带电部分短路；匝间短路指电动机不同电位导体短路。这 2 种故障均由绝缘失效引起。

1.2 绝缘老化

电动机长期运行后绝缘会逐渐老化，造成电动机老化的因素主要有热应力、电气应力、机械应力和环境应力。

(1)热应力指绕组的运行温度对绝缘的影响。绝缘处于高温下，超过临界温度后，会被空气氧化，使绝缘脆化、分层。每升高 10 ℃，绝缘寿命缩短一半。

(2)电气应力指绝缘在电动机电压作用下，如果有缺陷，先局部微小放电，电火花会轰击固体绝缘，使绝缘出现空隙，反过来又加剧局部放电，形成恶性循环，最终导致绝缘失效。

(3)机械应力指绝缘受到机械力的作用产生磨损。例如电动机工作时会振动，如果槽中的线圈比较松，线圈与铁心相对移动产生摩擦，造成主绝缘磨损。

(4)环境应力指环境因素对绝缘的影响。凝结在绕组上的潮气、过高的湿度、侵蚀性的化学物质、油污和粉尘污染、冷却空气的腐蚀性颗粒，都会形成导电通路，造成绝缘爬电和内部局部放电，加剧绝缘老化[1]。

2 牵引电动机绝缘试验

牵引电动机绝缘老化是不可避免的，关键是在牵引电动机检修中如何评判牵引电动机绝缘是否可以继续使用。各地露天矿牵引电动机检修部门的电动机绝缘试验方法互不相同，笔者引入高铁牵引电动机的绝缘试验方法，并参考相关国家标准，实现露天矿运输车牵引电动机绝缘试验规范化。

2.1 对地绝缘试验

2.1.1 绝缘电阻

绝缘电阻试验是测量电动机带电部分与不带电部分之间绝缘的电阻值，如定子线圈与机座，测量时需断开电动机与其他设备的电气连接，在电动机铜导体与机座之间施加一个直流电压，测量绝缘的电阻值。测量仪器使用 FLUCKF1508 绝缘测试仪。电动机绝缘电阻测试电压如表 1 所列。

对于冷态进行试验的电动机，则以冷态标准进行考核，对于进行热试验和负载试验的牵引电动机，则以热态标准考核。

(1)中小型电动机 热态下电动机绝缘的绝缘电阻最小值。

式中：UN为电动机额定电压，V；P为电动机额定功率，对直流和交流电动机，kW，对交流同步发电机为 kvar。

若以式(1)计算所得数值＜0.38 MΩ，则以 0.38 MΩ 作为最小允许值。

(2)变频调速牵引电动机 JB/T 7118—2004 规定热态下绝缘电阻的最小限值为 0.69 MΩ。冷态时，低压电动机(额定电压≤1 000 V 的交流电动机；额定电压≤1 500 V 的直流电动机)绝缘电阻的最小限值为5 MΩ；高压电动机(额定电压＞1 000 V 的交流电动机；额定电压＞1 500 V 的直流电动机)绝缘电阻的最小限值为 50 MΩ[2]。

电动机绝缘电阻等于配件绝缘电阻并联后的总电阻，低于各配件绝缘电阻。因此电动机绝缘电阻低，并不能认为所有配件绝缘电阻低，只能说明牵引电动机绝缘存在薄弱点。因此，找到绝缘电阻低的薄弱点，消除绝缘薄弱点即可使牵引电动机绝缘电阻升高。例如：直流牵引电动机定子主极绕组绝缘电阻低，主极绕组由 4 个主极线圈串联，只须分段测量查找，找出绝缘电阻低的主极线圈，更换主极线圈绝缘，即可提高电动机整体的绝缘电阻。

2.1.2 极化指数与吸收比

在露天矿电修车间，检修人员往往认为电动机绝缘电阻足够大，达到 1 GΩ 以上，电动机绝缘就是合格的，这种认识是片面的。电动机绝缘的好坏除了用绝缘电阻的大小评判外，还需要用绝缘电阻随时间变化的快慢来评判。正常状态下，测量绝缘电阻时电动机绝缘电阻值是随着时间的增加逐步增加，不同电动机绝缘状态不同，绝缘电阻增长速度不同。假如 2 台牵引电动机，绝缘电阻均为 1 GΩ。一台牵引电动机绝缘电阻上升到 1 GΩ 用时 20 s，另一台用时 120 s，则第一台电动机绝缘电阻升高的快，表明绝缘抵御电压的能力强，绝缘状态好。为了表示绝缘电阻随时间变化快慢的程度，引入极化指数PI和吸收比Km2 个指标。

极化指数PI指牵引电动机 10 min 绝缘电阻与 1 min 绝缘电阻的比值。

吸收比Km指牵引电动机 60 s 的绝缘电阻值与 15 s 绝缘电阻值的比值。

对于新造牵引电动机，PI≥1.5；对于检修牵引电动机，PI≥1.2。Km≥1.3，表明绝缘合格[3]。

2.1.3 交流工频耐压

交流工频耐压试验指对电动机施加交流工频电压，模拟电动机实际工况，检测绝缘是否合格。如果电动机控制系统发生接地故障，将在电动机绕组上产生过电压，可能使运行中的定子绕组发生故障。交流耐压试验的目的就是为了发现绝缘的这类潜在缺陷。需要注意的是，交流工频耐压是破坏性试验，试验前须在绝缘电阻、极化指数、吸收比试验合格后进行，否则容易击穿绝缘，将故障扩大。交流工频耐压试验时间为 60 s。

DL/T 596—1996《电力设备预防性试验规程》规定，交流电动机定子绕组工频耐压试验标准：①不更换或局部更换定子绕组，试验电压为 1.5UN，但不低于 1 000 V；②全部更换定子绕组，试验电压为2UN+1 000 V，但不低于 1 500 V。直流电动机绕组的交流耐压试验标准：①不更换或局部更换绕组，试验电压为 1 000 V；②全部更换绕组后，试验电压为2UN+1 000 V，但不低于 1 500 V。

2.1.4 直流泄漏电流试验

直流泄漏电流试验是指将直流电压施加在绝缘上，测量直流泄漏电流，通过泄漏电流的大小和规律可有效发现绝缘缺陷。它不是破坏性试验，不会引起绝缘的电老化，不能与交流工频耐压试验互相替代。参照 IEC60034 标准，直流泄漏电流耐压试验值为交流工频耐压试验值的 1.7 倍，试验时其余绕组和机座必须接地。试验结果如果出现以下情况之一：①外施电压不变，泄漏电流时间增大；②在额定试验电压，泄漏电流＞20 µA，则需要查找绝缘缺陷[4]。

2.1.5 介质损耗因数及增量试验

介质损耗是绝缘材料的一种特性。理想状态下，绕组绝缘的特性类似于纯电容器，也就是说，它储存能量，而不消耗能量。实际上，绝缘在承受交流电压时，介质内会通过电流产生能量损耗，引起介质发热，这种损耗称介质损耗，介质损耗越大，说明绝缘能量损耗越严重，状态越差。常见介质损耗的原因有绝缘受潮和绝缘老化变质。介质损耗的大小用介质损耗因数tgδ来表示。介质损耗因数tgδ为通过绝缘的有功电流Ir与无功电流Ic的比值。介质损耗相量图如图 1 所示。

图1 介质损耗相量图Fig.1 Phasor diagram of dielectric loss

介质损耗因数tgδ与绝缘材料中的空气含量、温度、试验频率和外施电压有关。tgδ在电压升高时急增，这是绝缘结构夹杂气孔的主要特征，由于空气电离使介质损耗增加。

当电场强度加强到某一临界值，绝缘层缺陷部位开始局部放电，tgδ急增。通常将 0.6UN与 0.2UN电压测得的tgδ差值称为增量Δtgδ。Δtgδ可作为评价绝缘内缺陷程度的另一个指标。

理论上tgδ和Δtgδ越小越好，当绝缘老化时，极化现象严重，tgδ和Δtgδ会大幅增加。

根据 GB/T 20833.3—2018 标准规定，在室温下，0.2UN下介质损耗因数的初始值tgδ(0.2UN)最大值为 2.0×10-4，增量 Δtgδ(0.6UN与 0.2UN下介质损耗因数之差)最大值为 5.0×10-3[5]。

2.2 匝间绝缘试验

匝间绝缘是不同电位导体之间的绝缘。其试验方法属于对比试验，比较电动机三相之间的电参数是否一致，来判断是否有匝间绝缘失效引起的绕组匝间短路故障。试验方法有匝间高频浪涌试验。

测试原理：牵引电动机绕组等值电路类似于一个R-L电路，用测试仪器对绕组试验时，相当于并联一个电容，形成R-L-C电路，如图 2 所示。

试验时，仪器给 2 个绕组施加同样的脉冲电压，仪器示波器上显示 2 个绕组的震荡衰减放电波形。震荡衰减放电波形如图 3 所示。当 2 个绕组的形状、匝数等参数完全相同时，其波形完全重合，如图 3(a)所示；若 2 个绕组的电磁参数不完全相同，如匝数不相等、磁阻不相等、电容不相等，则其放电曲线就会有差异，如图 3(b)所示。GB/T 22714—2008 规定给绕组施加脉冲电压为交流工频耐压的 1.7 倍，时间为 1～3 s。

图2 R-L-C 电路Fig.2 R-L-C circuit

图3 震荡衰减放电波形Fig.3 Oscillation attenuation discharge waveform

评判标准：三相绕组波形重合为绝缘合格，不重合表明匝间短路。

3 结语

高铁牵引电动机事关行车安全和生命安全，质量要求高于露天矿运输车牵引电动机，试验技术领先于运输车牵引电动机，通过上述绝缘试验方法的高铁牵引电动机绝缘故障率远低于电动机行业平均水平。将高铁电动机绝缘试验方法在国家能源准能黑岱沟矿830E 卡车 GEB25 牵引电动机进行了应用，通过绝缘试验的 GEB25 牵引电动机可靠性明显提升，故障率大幅下降。因此，在运输车牵引电动机绝缘试验方面引入高铁牵引电动机绝缘试验技术，有利于运输车牵引电动机绝缘试验全面、统一、规范，提高了电动机绝缘故障诊断准确率，可在早期发现露天矿运输车牵引电动机绝缘故障，降低牵引电动机运行故障率，保证露天矿生产运输正常进行。