高速动车组牵引电机绝缘失效分析

高速动车组牵引电机绝缘失效分析

聂文鹏

中车唐山机车车辆有限公司  河北唐山  063000

摘要：牵引电机作为高速动车组传动系统中机电能量转换的核心动力部件，其可靠性直接影响高速动车组的运行性能。绕组绝缘是牵引电机最集中、最薄弱的部件，也是唯一能同时承受温度、电场、环境条件和机械应力的部件。一系列高速动车组配属的牵引电机在定子绝缘方面屡屡发生故障，其安全服役能力成为亟待解决的重要问题。

关键词：动车组；牵引电机；绝缘系统；失效；技术分析；

通过对某系列高速动车组所配属的牵引电机绝缘失效故障进行梳理，结构化挖掘数据价值，深入研究高频电压、低温、潮湿、风沙等恶劣运行环境对牵引电机绝缘结构和部件的可靠性影响，精准定位故障根源，制定有效解决措施，并通过仿真分析、试验、在线运行考核等手段完成技术验证。研究成果使牵引电机更能适应我国复杂的运行环境和工况，大幅降低了牵引电机全寿命周期运维成本，并在和谐号、复兴号系列动车组牵引电机上广泛应用。

一、电机绝缘失效故障统计

某系列高速动车组上线运行以来牵引电机出现的绝缘失效故障台数，绕组绝缘失效故障率接近3%，电机绝缘失效数量与运行里程的统计结果。绕组绝缘失效随牵引电机运行里程/运行时间的增加呈较快增长趋势，故障大部分集中在多雨、气候环境高湿的路局。总体来说造成牵引电机绝缘失效的表征现象主要有：（1）电机内部存在异物：在高速转子作用下绕组绝缘损坏，故障占比为8.07%。（2）绕组匝短：电磁线层间绝缘失效，瞬时产生大电流烧损电磁线及线圈外包绝缘导致接地，故障占比是1.35%。（3）三相引出线连线端及端子电气烧损故障，导致绝缘失效为3.14%。（4）电机定子槽口区域绝缘失效，导致的接地故障，故障率为87.44%，为主要接地故障，绝缘失效有相同的故障特征。其中发生在电机进风端槽口区域的故障比率为80.26%，在出风端槽口区域接地的故障比率为19.74%。文中重点针对定子槽口区域绝缘失效进行详细调查和分析。

二、故障原因分析

牵引电机定子绝缘失效故障因素错综复杂，一般电机定子接地发生需要2个独立的条件：一是绕组绝缘性能的下降；二是机械或电气的瞬时冲击。针对电机绝缘性能下降导致的绝缘失效进行详细调查分析。

1.热劣化。为了解牵引电机在不同线路、长交路运行情况下各部位的温度状态，选择不同运行区段的动车组，利用动车组远程监控技术平台，就牵引电机实时运行的绕组温度进行记录，监控数据汇总。利用Fluent软件对牵引电机进行了温度场仿真计算，定子绕组最高温度142℃，绕组槽口温度在130℃左右。牵引电机绕组绝缘为有机硅200级绝缘系统，综合在线监测的定子温度以及仿真结果，考虑温度检测位置与绕组的温度梯度差，定子绕组运行最高温度不会超过150℃，低于额定热等级温度。如果绝缘运行在比额定热等级温度低30℃的温度下，其预期寿命约为25~30年。电机接地故障多位于进风端槽口区域，受冷却风作用绕组温度相对较低，绕组外观也没有过热变色现象，绕组发热导致绝缘逐渐热劣化不是引发定子绝缘失效频发的主要原因。

2.沙尘颗粒侵蚀。牵引电机采用的是空气强迫冷却方式，沙子、飞灰或者任何细小而坚硬的颗粒，随着冷却气流进入电机膛内，这些硬质颗粒在冷却风压和转子高速运转作用下从转子的端环、导条、铁心所形成的空档中高速甩出，正好吹到绕组端部线圈槽口区域而磨蚀绝缘。故障电机多次在进风口发现大量沙尘、飞灰等颗粒，定子绕组槽口区域的绝缘磨蚀严重，造成绝缘磨损的位置和程度与电机接地故障区域及统计数据结论相吻合，进风端槽口区域损伤高于出风端槽口区域，故绕组绝缘受侵蚀机械损伤可判定为绝缘失效关联的因素之一。

3.绕组脏污。高速动车组牵引电机属开启式电机，运行环境中的粉尘，通过冷却空气进入电机内部，与轴承润滑系统的油脂泄漏物或潮气混合覆盖在绕组表面，从而污染定子绕组，在电机内部发现的尘垢具有磁性，化验是掺杂了灰尘的铁磁物质，牵引电机运行过程中，黏附在绕组表面的磁性杂物在磁场作用下，受到交变的电磁力而发生旋转，磨损侵蚀主绝缘。同时导电性污染物会和对地产生导电通道，绕组表面泄导电流和爬电电流劣化主绝缘，会导致绕组绝缘性能下降。一般来说，表面爬电导致主绝缘失效的故障发展非常缓慢，但是绕组污染存在的导电粒子，会导致局部放电强烈的局部集中，引起绝缘内部出现“针孔”。

4.电应力腐蚀。高速动车组采用变频调速交流传动系统，牵引电机绝缘系统长期工作在逆变器输出的PWM高频方波脉冲电压下，承受PWM高频脉冲的持续冲击。在开关器件的电压上升率dV/dt及电路等因素作用下，电机端电压波形中存在尖峰，其峰值可达直流中间环节电压的1.5~2倍。由于高冲击电压重复率，匝间绝缘会发生电老化，经验表明在末端线圈前2匝或后2匝的电应力是最大的。高速动车组牵引电机运行电压较高，中间直流电压达3 600 V左右，采用Ansoft软件对电机绕组匝间上电压分布进行仿真计算，线圈匝间电压分布。在脉冲上升沿时间内，线圈各匝间电压分布不均匀，首匝间承受电压最大，其余匝依次减小。绕组绝缘电场分布的仿真计算结果，电机槽口区域棱角处的最大电场强度达到了8.3 kV/mm，首匝导体外棱角处绝缘中的电场大约是4.5 kV/mm。1个大气压（100 kPa）下的室温空气中，在湿度较低的情况下，空气的电气击穿强度约为3 kV/mm。绕组绝缘起晕电压阈值受环境影响较大，若环境湿度增加10%，起晕电压阈值下降6%，在潮湿环境下绕组起晕放电会更加严重。牵引电机定子槽口区域电场强度大，在严重污染的位置，较高的湿度可能导致局部导电通道，该导电通道可引起额外的表面放电，初始阶段不会引起整个绝缘系统的损坏，但是长期持续的局部放电会逐渐腐蚀、损坏电介质，最终在主绝缘上腐蚀出一个贯穿性的孔洞，导致绝缘失效。结合牵引电机接地故障表征和故障点周边碳化痕迹，绕组绝缘槽口区域局部放电可判定为绝缘失效关联的主要因素之一。电机绝缘失效是由多种原因共同导致的。主要是电机冷却介质不净，硬质颗粒对电机绕组槽口区域绝缘产生磨蚀。同时电机绕组表面污染，绝缘间隙和缝隙容易积存含有金属颗粒的污物。在运行电压下，定子绕组端部电场分布极不均匀，绕组槽口处电场强度大，容易产生局部放电腐蚀绝缘，潮湿环境和导电磁性异物会加剧侵蚀主绝缘，造成绝缘薄弱，以致主绝缘不再能承受正常运行电压或冲击电压，出现电机绝缘失效、接地故障。

三、预防及改进措施

在冷却风机设备舱进风口增加阻挡颗粒进入的过滤装置。电机高级修时，对定子进行清洁，清理绕组表面污物。在电机定子槽口区域采用有机硅绝缘胶进行整体填充灌封，提高绕组槽口区域绝缘的机械和电气强度。不仅可以有效防止沙尘、潮气对槽口区域绕组绝缘的侵蚀，而且可以避免局部放电发生。经过计算，定子槽口区域绝缘硅胶之外的空气中，电场强度小于1 kV/mm，优化了槽口电场强度分布。电机在运行480万km后，对定子进行二次浸漆，以消除绕组绝缘龟裂，防止爬电，提高防潮性能。

总之，高速动车组牵引电机在运行电压下，定子绕组端部电场分布极不均匀，定子铁心槽口棱角处电场强度大。铁心槽口处积存的潮气及污物，容易使绕组产生局部放电破坏绝缘，造成绝缘薄弱。同时，高速动车组牵引电机采用强迫风冷却，冷却风源的不洁净容易夹带微小的沙粒直接进入电机内部，在冷却风压、高速转子作用下硬质颗粒撞击电机绕组表面绝缘，进一步导致定子绕组铁心槽口处绝缘磨损。在中国标准动车组牵引电机研发过程中，采用了此种绝缘结构，使得牵引电机更能适应高速动车组复杂的运行环境和工况，对于我国牵引电机行业的技术积累与创新起到了极大推动作用。

参考文献：

[1]韦华.关于高速动车组牵引电机绝缘失效分析.2021.

[2]马浩宇.中国高速动车组运用检修状况与发展.2020.