轨道交通交流牵引电机故障诊断技术研究及应用

轨道交通交流牵引电机故障诊断技术研究及应用

罗永梁 王鑫 张龙国

中车永济电机有限公司 山西 永济 044502

摘要：牵引电机作为轨道交通列车的动力来源，其运行状态直接影响列车动力性能和行车安全。与一般工业应用场合不同，轨道交通应用环境极为恶劣。我国幅员辽阔且气候环境变化大，牵引电机转矩（功率）密度大、负荷变化范围大、工作温度变化范围宽且经常承受轨面非确定性冲击，同时其频繁工作于启动、牵引、制动、停车等循环工况，在电、磁、热、力等复合交变载荷长期作用下，性能存在退化和疲劳损伤将影响整车动力性能，甚至影响行车安全。实现牵引电机状态的监测与诊断，对于保障我国铁路机车车辆运行安全和行车秩序具有重大而积极的意义。

关键词：轨道交通；机车车辆；牵引电机；故障诊断

引言

牵引电机作为机车最重要的驱动部件，故障类型较多，一旦发生故障将严重危及行车安全。研究有效的牵引电机故障检测及诊断技术对于保障行车安全具有重要意义。

1概述

轨道交通牵引传动动力已从蒸汽、内燃发展到了电力阶段，电力牵引主要有直流传动和交流传动2种模式。与直流传动相比，交流传动具有调速范围宽、功率密度大、维修简便等优点，逐步成为轨道交通装备发展的趋势和主流。1998年，原铁道部提出“用10年左右的时间完成机车直流传动向交流传动转换”的任务，经过数十年的技术攻关和积淀，加之技术引进的推动，我国已自主建立了大功率交流传动牵引系统的设计、制造、试验技术平台及体系。中国国家铁路集团有限公司拥有上万台交流传动机车、3000多列动车组成功投用，在运营时速、运行平稳性、行车密度等方面实现了全球引领，尤其是“复兴号”高铁列车已成为中国高端制造的金名片，取得了举世瞩目的成就。

2地铁牵引电机检测现状

2.1冲击脉冲法SPM

冲击脉冲法SPM是20世纪60年代末出现的一种滚动轴承诊断方法，对于疲劳失效、摩擦失效等局部损伤故障具有很好的效果。在某地铁公司也有使用该设备，通过踏面镟轮机或者外部小轮驱动轮对，最终带动牵引电机稳定在要求转速。但是在实际应用中只能检测出晚期故障，对于中早期的故障识别效果不佳，可能是由于以下两个方面导致：（1）微弱的缺陷冲击信号中常常被齿轮啮合冲击、联轴节不对中等原因导致的干扰信号所掩盖；（2）传感器检测位置离轴承较远，冲击信号衰减严重，导致检测到的冲击波形很微弱而被噪声信号所掩盖。

2.2声音判断

在地铁牵引电机领域中，长期以来都是凭借人耳并辅以听诊器根据电机在低速下运行的声音品质判断轴承运行状态，SKF的TMST3是常见的听诊器，该型听诊器可去除部分干扰噪声信号，比依靠人耳朵直接听声音效果更明显。但是，也存在明显的局限性，取决于现场环境和个人的经验。对于存在较为明显的晚期故障可以有效识别，但是对于早期的微弱缺陷容易出现漏判。

3牵引电机常见故障类型

3.1轴承温升高

轴承在最终失效前都会表现为轴承温升高。如果不解决电机的振动和异音，那么最终就会导致轴承失效。当轴承温度高于润滑脂耐受的最高温度时，润滑脂会因高温而流失，从而导致轴承润滑不良、干磨、塌陷失效。电机在做出厂试验时，若遇到轴承温升高的问题，首先判断是否有振动、异音情况。如果有，先按上述方法从振动异音原因入手，逐步排查。如果没有，轴承温升高的最常会见原因是油脂过多或过少。油脂过多，散热不良导致轴承温升超出标准；油脂过少，轴承润滑不良也会导致轴承温升高。此时，应适当地去除或增加油脂，直至轴承温升正常。

3.2定子绝缘故障

牵引电机定子绝缘故障是由于电机长期工作在恶劣环境下，受到机械应力、热应力和环境应力等影响，同时承受具有较高频率和上升时间极短的脉冲电压，从而加速了定子绝缘的老化，导致绝缘损坏。常见的绝缘故障主要包括匝间短路、相间短路、接地、磨损等。（1）匝间短路是由绕组中相邻2匝或数匝线圈间的绝缘遭到破坏而引起的，是电机的主要故障类别，占其故障种类的15%。匝间发生轻微短路故障时，短路线圈内会产生很大的环流，产生大量热量，引起周围绝缘破坏，导致更严重的多匝线圈间短路，甚至相间短路、单相接地等严重故障，给铁路运输带来严重影响。

（2）相间短路是由电机不同相间的绝缘破坏造成的，相间短路瞬间产生较大电流将周围绝缘烧损，熔断绕组。

（3）接地故障是指绕组与铁心或与机壳绝缘被电压击穿，是电机的主要故障类型，由于电机槽口电场强度较大，因此接地故障部位一般在槽口。

4电机定子绝缘故障诊断方法

4.1电信号的匝间故障在线诊断

匝间绝缘故障监测主要使用电流信号进行监测，即电机电流信号分析(motorcurrentsignatureanalysis，MCSA)方法，是一种非侵入式的监测手段。该方法从20世纪就被研究者提出，并不断被完善。该方法主要通过对电机电流信号进行频谱分析，提取故障的特征量，从而实现对故障的在线诊断。

通过对称分量法得到负序电流，从而对电机绝缘状态进行分析的方法广泛应用于电机保护，也是一种匝间绝缘故障诊断方法。当电机正常工作时，负序和零序电流几乎为0。当发生如匝间短路这种不对称性故障时，会出现负序电流分量，因此负序电流可以用作故障特征量。

4.2定子绝缘在线诊断技术

为了避免因为突然性的电机定子绝缘故障导致严重的经济损失，需要对定子绕组的状态和其剩余寿命进行评估，以及时发现潜在的故障可能。传统的做法是通过定期的预防性离线试验，检查定子绝缘是否存在缺陷，以便及时安排维修，避免故障的发生。基于离线试验的原理，研究者们提出了许多在线运行条件下的状态监测和故障预警方法，以期能在不停机的情况下对电机定子绝缘状态做连续的跟踪，及时发现潜在的故障可能。

4.2.1预防性离线试验

离线试验技术发展较为成熟，很多在线监测手段都是基于离线试验的原理，因此有必要总结常用定子绝缘离线试验的优缺点。常用的离线试验中，绝缘电阻和极化指数测试可以发现潮湿、脏污和严重的绝缘结构性缺陷(裂隙、孔洞等)。极化去极化电流(polarizationanddepolarizationcurrent，PDC)测试除了能检测绝缘脏污问题外，还能检测由于热老化导致的主绝缘厚度分层的问题。这是因为通常只有交流试验能够反映大块绝缘的劣化问题，所以PDC测试相对于绝缘电阻和极化指数测试具有优势。

4.2.2定子温度在线诊断

如果因为非正常原因，电机系统工作在超出其设计范围的温度环境下时，主绝缘的热老化将会十分迅速，在几分钟到几小时内就将发生接地故障。因此，需要对电机进行定子温度在线监测，主要的方法有温度传感器监测、定子绕组电阻监测和标识化合物监测。

结语

综合考虑成本、诊断效果、工程应用等多种因素，牵引电机PHM技术可构建起集在线监测、故障诊断、剩余寿命预测于一体的健康管理系统，最终实现牵引电机及部件的状态检测、趋势分析和智能运维，具有较大的市场前景与工程应用价值，将得到广泛推广和应用。

参考文献

［1］张宏.大功率高压电动机离线状态检测与评估技法研究［J］.自动化应用，2017（5）：72-73.

［2］刘杰.高压电机绝缘在线监测系统的研究［D］.太原：太原理工大学，2010.

［3］SANGBINLEE，等.交流电机定子绕组对地绝缘和相间绝缘质量在线评估技术［J］.国外大电机，2008（2）：20-29.