牵引电机绝缘结构高寒环境适应性试验研究

史开华，刘冠芳，吉永红，郭大鹏，雷平振

（中车永济电机有限公司，陕西 西安 710016）

0 引言

目前，牵引电机的正常运行环境温度为-40～40℃，随着轨道交通市场的开拓和应用范围的扩大，牵引电机将在更低环境温度下应用（-50℃下启动，-60℃以内的冰雪环境中运行），这将对其在高寒地区的可靠应用提出了更高要求。绝缘结构是电机的“心脏”，电机运行的可靠性很大程度上由电机绝缘性能决定[1-2]。因此，按照国内外相关标准[3-5]，在高寒环境条件下使用的绝缘结构，除应满足原有基本性能要求以外，还应根据绝缘结构对低温及温度变化的敏感程度进行必要的人工模拟环境试验，以考核其在高寒环境条件下的环境适应能力。

高寒地区气温低、温差大，电机在低温启动时，由于绝缘材料的韧性降低，在机械振动和电磁振动等的反复作用下，可能导致绝缘结构出现开裂或分层现象[6-7]；温度的剧烈变化使绝缘结构漆膜积聚应力，当应力超过漆膜强度后会导致绝缘结构内部出现开裂和缺陷，促进绝缘劣化[8-9]；同时，由于牵引电机绝缘结构几乎完全暴露在户外环境，在寒冷地区，运行环境极易造成牵引电机的绝缘表面凝露甚至积水，从而在一定程度上增大泄漏电流，降低绝缘性能，严重时甚至导致绝缘结构击穿失效[8,10]。

本研究针对牵引电机绝缘结构开展了低温冲击振动、冷热冲击、湿热、浸水等环境适应性模拟试验和研究，测试其绝缘性能，对其高寒环境适应性进行分析评估。

1 试验

1.1 试样制作

参照GB/T 17948.3—2006[11]中规定的试样制作要求，设计并制作了试验用定子局部模型，模拟绕组带铁芯结构，并进行相应的绝缘处理，如图1所示，每个定子局部模型有5支可供测试的线圈。绝缘结构的参数见表1。

图1 定子局部模型示意图Fig.1 Schematic diagram of stator partial model

表1 绝缘结构的参数Tab.1 The parameters of insulation structure

1.2 绝缘结构低温冲击振动试验

低温冲击振动试验依据GB/T 21563—2018[12]进行，试验温度为(-60±3)℃，试验流程如图2所示，共循环4个周期。模拟长寿命振动试验和冲击试验的试验条件分别如表2和表3所示。

在试验过程中的第0、2、4周期后，通过观察定子局部模型的外观并测试其绝缘电阻、介质损耗因数、对地电容、局部放电、起晕电压、浸水绝缘电阻（浸水3 h，浸水状态下测试）等电气性能参数，以考核绝缘结构对极端低温的耐受性，特别是低温条件下振动冲击和潮湿对绝缘结构的影响[13-16]。测试前需在(150±3)℃/6 h条件下做烘潮处理并自然恢复至室温状态。试验完成后，对定子局部模型进行工频击穿电压测试，若击穿电压仍保持在80%以上，则认为该绝缘结构满足-60℃低温环境的应用要求。

图2 低温冲击振动试验流程图Fig.2 Flow chart of low temperature shock vibration test

表2 模拟长寿命振动试验条件Tab.2 Simulated long-life vibration testing conditions

表3 冲击试验条件Tab.3 Shock testing conditions

1.3 绝缘结构温度变化/湿热试验

根据环境试验中温度变化和恒定湿热对应的标准 GB/T 2423.22—2012[17]和 GB/T 2423.3—2016[18]进行试验，试验流程如图3所示，共循环4个周期，每个周期中依次进行28次温度变化和168 h恒定湿热试验。温度变化的试验条件为：高温(150±3)℃下3 h，低温(-60±3)℃下3 h，升、降温速率为(3.0±0.6)℃/min。恒定湿热的试验条件为：相对湿度为(93%±3%)RH，温度为(40±2)℃。

图3 温度变化/湿热试验流程图Fig.3 Flow chart of temperature change and hygrothermal test

在试验过程中的第0、2、4周期后，通过观察定子局部模型的外观并测试其绝缘电阻、介质损耗因数、对地电容、局部放电、起晕电压等电气性能参数，以考核绝缘结构对极端高低温变化的耐受性，特别是热机械应力和潮湿对绝缘结构的影响[13-16]。

此外，为研究干燥恢复处理的效果，定子局部模型在第2和第4周期常温下测量各介电特性参数之后，再在(150±3)℃/6 h条件下做烘潮处理并自然恢复至室温状态后重复测量各介电特性参数。

试验完成后，对定子局部模型进行浸水绝缘电阻（浸水3 h，浸水状态下测试）及工频击穿电压测试，若击穿电压仍保持在80%以上，则认为该绝缘结构满足-60℃低温环境的应用要求。

2 试验结果与分析

2.1 低温冲击振动试验

绝缘结构在常温下的介质损耗因数和对地电容随试验周期数的变化趋势分别如图4和图5所示。从图4～5可以看出，随着试验周期数的增加，绝缘结构在Un测量电压下的常温介质损耗因数和对地电容呈先增大后减小的趋势，而常温介质损耗因数增量（Δtanδ=tanδ1.5Un-tanδ0.2Un）和常温对地电容增量（ΔC=C1.5Un-C0.2Un）呈逐渐增大的趋势，说明在低温冲击振动的作用下，绝缘内部的空隙逐渐增多，从而使局部放电附加的额外损耗增加。试验4周期后，绝缘结构的Δtanδ仍小于1.0%，按JB/T 50133—1999[19]标准要求，其仍属于优等品。

图4 绝缘结构介质损耗因数与试验周期数的关系Fig.4 The relation between dielectric loss factor of insulation structure and test periods

图5 绝缘结构对地电容与试验周期数的关系Fig.5 The relation between capacitance-to-ground of insulation structure and test periods

绝缘结构在常温下的局部放电起始电压(PDIV)随试验周期数的变化趋势如图6所示。从图6可以看出，随着试验周期数的增加，绝缘结构的PDIV呈下降趋势，进一步说明绝缘内部的空隙逐渐增多，绝缘性能出现劣化。

图6 绝缘结构PDIV与试验周期数的关系Fig.6 The relation between PDIV of insulation structure and test periods

绝缘结构的起晕电压随试验周期数的变化趋势如图7所示。

图7 绝缘结构起晕电压与试验周期数的关系Fig.7 The relation between inception voltage of insulation structure and test periods

从图7可以看出，随着试验周期数的增加，绝缘结构的起晕电压呈下降趋势，这可能是由槽口绝缘与铁心之间在低温冲击振动的作用下产生的微裂缝或剥离所致。

绝缘结构浸水3 h绝缘电阻及击穿电压与试验周期数的关系如表4所示。从表4可以看出，随着试验周期数的增加，绝缘结构的浸水绝缘电阻呈下降趋势，但试验4周期后仍保持在78.0 GΩ。相对于初始击穿电压，低温冲击振动试验后，绝缘结构的击穿电压下降了约11%，说明绝缘结构存在轻微劣化现象，但仍处于较高水平，且满足技术指标要求。

表4 绝缘结构绝缘电阻及击穿电压与试验周期数的关系Tab.4 The relation between insulation resistance,breakdown voltage of insulation structure with test periods

综上所述，在低温冲击振动的作用下，绝缘结构内部的空隙逐渐增多，且槽口绝缘与铁心之间产生了微裂缝或剥离，存在轻微劣化现象。但试验4周期后绝缘结构的浸水绝缘电阻仍保持在78.0 GΩ左右，且击穿电压仍保持在90%左右，表明该绝缘结构具有优异的耐低温性能和防潮性能，可以满足-60℃低温环境的应用要求。

2.2 温度变化/湿热试验

绝缘结构在常温下的介质损耗因数、介质损耗因数增量及对地电容随试验周期数的变化趋势分别如图8～10所示。从图8～10可以看出，随着试验周期数的增加，绝缘结构在Un测量电压下的常温介质损耗因数、介质损耗因数增量Δtanδ及对地电容均有所增大，说明在温度变化的作用下，绝缘内部的空隙逐渐增多，从而使绝缘内部局部放电附加的额外损耗增加。当经过150℃/6 h干燥处理后，绝缘结构的介质损耗因数和对地电容又有所降低，说明干燥处理对绝缘结构吸湿的干燥效应是存在的，温度变化/湿热试验后绝缘结构存在一定的“可恢复的劣化”成分[8]。去潮前后，绝缘结构的介质损耗因数增量基本相当，进一步说明其介质损耗因数增量的增加确实是由绝缘内部的空隙增多所致，而不是由潮湿引起。试验4周期后，绝缘结构的介质损耗因数增量仍小于1.0%，按JB/T 50133—1999[19]标准要求，其仍属于优等品。

图8 绝缘结构介质损耗因数与试验周期数的关系Fig.8 The relation between dielectric loss factor of insulation structure and test periods

图9 绝缘结构介质损耗因数增量与试验周期数的关系Fig.9 The relation between Δtanδ of insulation structure and test periods

图10 绝缘结构对地电容与试验周期数的关系Fig.10 The relation between capacitance-to-ground of insulation structure and test periods

绝缘结构在常温下的局部放电起始电压(PDIV)随试验周期数的变化趋势如图11所示。

图11 绝缘结构PDIV与试验周期数的关系Fig.11 The relation between PDIV of insulation structure and test periods

从图11可以看出，随着试验周期数的增加，绝缘结构的PDIV呈下降趋势，进一步说明其绝缘内部的空隙逐渐增多，绝缘性能出现劣化现象。相对于去潮后，去潮前的PDIV更高，说明内部气隙及铁心与外绝缘表面之间的气隙由于潮气的存在，其局部放电减弱。

绝缘结构的起晕电压随试验周期数的变化趋势如图12所示。从图12可以看出，随着试验周期数的增加，绝缘结构的起晕电压呈下降趋势，这可能是由槽口绝缘与铁心之间在温度变化的作用下产生的微裂缝或剥离所致。绝缘结构去潮前的起晕电压高于去潮后，这主要是由于潮气具有均匀槽口电场的作用。相对于PDIV，起晕电压的下降速度更快，说明冷热交变作用对槽口部位的影响更大。

图12 绝缘结构起晕电压与试验周期数的关系Fig.12 The relation between inception voltage of insulation structure and test periods

绝缘结构的浸水3 h绝缘电阻及击穿电压与试验周期数的关系如表5所示。

表5 绝缘结构绝缘电阻及击穿电压与试验周期数的关系Tab.5 The relation between insulation resistance,breakdown voltage of insulation structure with test periods

从表5可以看出，试验4周期后，绝缘结构的浸水绝缘电阻仍保持在130.4 GΩ。相对于初始击穿电压，温度变化/湿热试验后绝缘结构的击穿电压下降了约10%，说明绝缘结构存在轻微劣化现象，但仍处于较高水平，且满足技术指标要求。

综上所述，在温度变化和湿热的作用下，绝缘结构的内部空隙逐渐增多，且槽口绝缘与铁心之间产生了微裂缝或剥离，存在轻微劣化现象，潮气的存在具有均匀槽口电场的作用。试验4周期后绝缘结构的浸水绝缘电阻和击穿电压仍保持较高水平，表明该绝缘结构具有优异的耐温度变化和防潮性能，可以满足-60℃低温环境的应用要求。

3 结论

针对牵引电机绝缘结构开展了低温冲击振动、温度变化/湿热、浸水等环境适应性模拟试验和研究。主要得到以下结论：

（1）在低温冲击振动或温度变化的作用下，绝缘结构内部的空隙逐渐增多，且槽口绝缘与铁心之间产生了微裂缝或剥离，存在轻微劣化现象，潮气的存在具有均匀槽口电场的作用。试验后，绝缘结构的浸水绝缘电阻和击穿电压仍保持较高水平，表明该绝缘结构具有优异的高寒环境适应性和防潮性能，可以满足-60℃低温环境的应用要求。

（2）加热恢复处理对绝缘结构在湿热试验环节中的吸潮有干燥效应，可使环境试验对其介电性能的影响得到一定程度的恢复，表明绝缘结构介电性能的降低存在一定的“可恢复的劣化”成分。