综合利用检查手段提高电机绝缘故障诊断准确率

1、利用电机绝缘状态综合评价法提高电机绝缘故障诊断准确率摘要：随着高铁、动车牵引电机进入大批量检修阶段，如何判断电机绝缘状态的好坏，以便及时更换绝缘成为摆在我们的难题，本文针对这个问题，首先对各种绝缘检测手段常见的认识误区、优缺点进行深入分析，同时明确判定标准。最后提出电机绝缘状态综合评价法，将各种绝缘检测手段取长补短，综合应用，提高电机绝缘故障诊断准确率，值得推广和应用。关键词： 0.引言牵引电机做为高铁、动车的心脏，在铁路安全运营中起着至关重要的作用，绝缘又是牵引电机的重中之重，据统计，90%以上的电气故障都是由于绝缘的破损、老化导致接地、匝短造成的。随着高铁、动车牵引电机进入大批量检修阶段，

2、如何发现电机绝缘的内在缺陷、隐患，及时更换绝缘成为摆在牵引电机检修部门的难题。靠传统绝缘电阻、直流泄流、工频耐压几种检测方法检测，电机绝缘通过检测后一年内故障率较高，已经无法适应动车电机检修需要，于是我们引入极化指数、介质损耗等新的检测方法，并与传统检测方法综合应用，最后对绝缘状态做出综合评价，提高电机绝缘故障诊断准确率。1. 电机绝缘、缺陷、检测方法的理解及绝缘等效电路图 图1绝缘又称电介质，不善于导电，但不是完全不导电，直流泄漏电流就是通过绝缘的电流，等效电路如图1所示，等效于电容性阻抗。如果施加直流电，泄流很小，如果施加交流电，电流较大。绝缘的缺陷通常可以分为两大类：一类是集中式缺陷，例

3、如绝缘局部损伤（开裂、接地、匝短等）、局部受潮或存在气泡以及侵入导电物质等；另一类是分布式缺陷，指电气绝缘整体性能的下降，例如绝缘的老化变质，普遍受潮或沾污等。从图1等效电路图可以看出，绝缘等效于一个电容性阻抗，检测方法无非可以分为两个方面，一种是直流检测，在绝缘上施加直流电压，如绝缘电阻、直流泄流等，通过直流电流很小，不具有破坏性，一种是交流检测，在绝缘上施加交流电压，如工频耐压，由于绝缘属于电容性阻抗，通过交流电流较大，虽然能够有效的揭露那些危害性较大的集中性缺陷，但具有破坏性。电机绝缘状态综合评价法主要是直流、交流两个方面发现电机绝缘的缺陷。下面，我们分别这几种检测方法单独做深入分析。2

4、.绝缘直流检测方法2.1绝缘电阻试验2.1.1目的和原理绝缘电阻原理是在绝缘上施加直流电压，测量出绝缘的电阻值，它反映了绝缘的伏安特性，能够直观的反映出绝缘的整体状态。对电机而言，它测量的是所有绝缘并联后的总电阻，所以查找故障点需要分段查找。例如：3K发电机转子的绝缘电阻测试： （b）等效电路 （a）原理图 图2绝缘电阻测试 如2所示，18个磁极串联，兆欧表一端接磁极线圈引线，另一端接转子磁轭，手摇兆欧表发出直流电，电流从引线进入，分别就经过18个磁极线圈导线及绝缘，流入磁轭，最后回到兆欧表。等效电路如图2(b)所示，R<Ri，所以测出的总绝缘电阻小于任何一个磁极线圈的绝缘电阻。查找故障

5、点需要分段查找。2.1.2对试验结果的判断绝缘电阻低主要有两个原因，一是吸潮，绝缘结构中往往存在由于有机物挥发所形成的许多微观的针孔和裂纹，而绝缘材料中有许多强极性物资，以及其他如组织疏松、多孔状材料，因此具有较大的吸潮性。水分子的尺寸和粘度都很小，能够透入绝缘存在的毛细孔和裂纹中，因此在绝缘结构的表面和内部，或多或少含有水分。水分的存在，能使绝缘体的漏导电流大大增加，绝缘结构单纯由于吸潮时，其绝缘电阻值在波动，但从长期趋势来看，其降低值极慢。在这种情况下通过烘干可以提升绝缘电阻。通过真空压力浸漆提高绝缘的防潮能力，如图3（a）所示。二是沾污或破损，绝缘结构表面在粘积导电性尘埃后，其表面的漏导

6、电流大大增加，造成绝缘电阻的下降。主要表现为绝缘电阻值波动趋势越来越低，直到无法恢复规定值，如图3（b）所示。这种情况下，烘干无法提升绝缘电阻，只有找到故障点，清除导电粉尘或将破损部分修复方可提升。R绝缘电阻0 2 4 6 8 10 12 t绝缘电阻R0 2 4 6 8 10 12 t因吸潮引起的波动（b)因沾污引起的波动 图3绝缘电阻的变化趋势2.1.3绝缘电阻允许值根据铁标TB/T2436-93铁路机车用旋转电机通用基本条件规定，电机绕组的绝缘电阻在热态或接近工作温度时，应不低于RU（1000P100） （2-1）式中 R电机绕组的绝缘电阻，M； U电机绕组的额定电压， V； P电机的额定

7、功率，kW；实际上，铁标规定的工况下电机绝缘电阻允许值是很低的，以我们为马来西亚铁路修理的阿尔斯通4 EXA 2113交流牵引电动机为例，额定功率167KW，额定电压1325V，按上式计算工况下最小绝缘电阻为1.3 M，这种电机用户曾向我们咨询过绝缘电阻低问题，经我们计算后建议继续使用，结果电机正常运行，半年后电机到大修期，马方将电机送我公司修理。2.2极化指数与吸收比试验2.2.1目的和原理牵引电机通过绝缘电阻检测，绝缘电阻达到1000 M以上，我们仍不能判定该电机绝缘是合格的。以某种高铁牵引电机为例，一台新造定子，线圈绝缘为全新，一台检修定子，电机运行两年，仅对绝缘清洗烘干。在车间内检测绝

8、缘电阻，全部都是1000 M以上，工频耐压、直流泄流全部通过。但是天气下雨，新造电机定子绝缘电阻仍然很高，1000 M，检修电机定子绝缘电阻下降到50 M左右。这说明两个定子绝缘是不同的，新造电机优于检修电机，但是单从绝缘电阻结果无法区分。所以，我们要引入新的检测方法,那就是极化指数、吸收比。因为要考察电机绝缘的可靠性，除了要检测电机最终的绝缘电阻，还要检测两个关键指标，（1）考察电机达到这个绝缘电阻值所用的时间，换句话说，要考察电机绝缘电阻随时间变化的快慢。这是我们实际工作中经常忽视的。例如，上述的两台电机定子，用F1550B绝缘测试仪测绝缘电阻，绝缘电阻随着时间的增加越来越大，同样达到10

9、00M,一台用了2S,另一台用了10S,2S的电机绝缘性能要比10S的好。（2）考察电机10分钟以后的绝缘电阻，用量程为1T（109）的F1550B绝缘测试仪检测，以上述两台电机为例，检修定子2分钟后绝缘电阻升到3G(1 G=1000M)，以后基本保持不变。10分钟后还是3G左右,新造定子绝缘电阻随时间的延长上升很快，10分钟后达到128 G。 通过检测上述两个指标，我们找到了新造电机定子和检修电机定子绝缘的区别。检测上述两个指标可以用极化指数和吸收比来实现，规定用10min的绝缘电阻值R10min与1min的R1min的绝缘电阻值之比值，定义为极化指数PI,它反映了10分钟内绝缘电阻变化的快

10、慢；PIR10minR1min我们也可以规定1min的绝缘电阻值R1min与15S的R15s的绝缘电阻值之比值为吸收比KMKM= R1minR15S 新造定子极化指数：5.6，检修定子：1.2永济电机公司2006年引入美国福禄克公司的F1550B绝缘测试仪，通过测量极化指数、吸收比、绝缘电阻判断绝缘老化程度，从而制定修程，从效果来看，提高了故障判断的准确度，通过极化指数和吸收比检测的电机，返厂率大幅降低。极化指数和吸收比都能表示绝缘电阻随时间变化的快慢，相比于绝缘电阻，它的准确度更高。极化指数由于时间较长（600S）,绝缘介质的极化过程基本完成，所以能较准确反映绝缘状况，但由于耗时较长，适合数

11、量较少的故障电机、责任修电机检测，吸收比耗时较短（60S），绝缘介质的极化过程处于中间阶段，尚不能完全反映绝缘的真实面貌，所以不如极化指数准确。但由于时间短适合批量检测。对于大批量电机，可以先检测吸收比，吸收比不合格的电机再测极化指数。极化指数试验是一种非破环性试验，它检测绝缘的分布式缺陷2.2.2极化指数PI与吸收比KM的限值1对于新造电机，PI1.5，对于检修电机，PI1.2（1） PI2表明绝缘很可靠（2） 1.0PI1.1表明绝缘有问题，需要查找薄弱点。（3） PI1表明绝缘需要更换（4） KM1.3表明绝缘合格。2.3直流泄漏电流试验直流耐压试验是对电机施加高出它的额定电压一定值的直

12、流试验电压，持续一定的时间，观察绝缘是否击穿或其他一些异常情况，主要考察绝缘的耐电强度。在这里，需要说明三点：（1）直流耐压试验是非破坏性试验。因为绝缘介质等效一个电容性阻抗，当外加直流电压，通过绝缘的电流很小，产生的损耗很小，所以长时间不会使绝缘强度减弱。（2）直流耐压的标准。公司电机品种很多，每种电机的额定电压都不一样，直流耐压应该打多少伏，很多人不是很清楚，我们明确直流耐压值最大是交流工频耐压值的1.7倍,时间1分钟3。 （3）泄露电流的大小与绝缘电阻有很大相关性。 I=U/Rm （2-2）式中 I电机绝缘的直流泄漏电流， M； U施加给电机绝缘的直流电压， V； Rm电机的绝缘电阻，

13、M；用绝缘测试仪F1550B测试时，正常情况下，泄露电流应该越来越小，因为绝缘电阻越来越大。所以，当我们发现电机绝缘直流泄流超，一定绝缘电阻低，绝缘电阻低，一定直流泄流超。两者负相关，但我们不能忽略直流泄流试验，直流耐压试验由于电压高，比绝缘电阻试验灵敏，更容易发现绝缘的集中式缺陷。3.绝缘交流流检测方法3.1.介质损失角正切值试验3.1.1目的和原理介质损失角正切值试验习惯上称为介损试验，介质损失角正切值简称介损值。如图4所示，主要通过给绝缘材料施加交流电压，由于绝缘材料等效于一个电容性阻抗，通过它的电流I就分为有功电流IR和无功电流IC，有功电流IR与无功电流IC的比值就称为介损值tg。绝

14、缘的损耗主要体现在有功电流IR上，所以IR越小越好，也就说介损值tg越小越好。 图4介质在交流电压作用下的等值电路及相量图 （3-1） 极化指数从直流角度发现绝缘缺陷，介质损耗从交流角度发现绝缘缺陷，进一步提高了电机绝缘故障诊断的准确性。当电机绝缘普遍受潮、脏污或老化以及绝缘中有气隙发生局部放电时，流过绝缘的有功电流分量IR将增大，tg也增大，这样通过测量绝缘的tg值，可以反映出绝缘的分布式缺陷。3.1.2tg与频率、温度、电压的关系 如图5所示，tg随着频率的增加而增加。当频率超过临界值时，tg随频率的升高而减少。这是因为在一定的频率范围内，随着频率的升高，介中偶极子（介质中分子分为两类，一

15、类中性分子，单个分子对外不显电性，一类极性分子，单个分子对外显电性，又称偶极子）往复转向运动的速度增加，极化程度加强，介质损耗达到最大值。当频率超过一定范围时，由于偶极子质量的惯性及相互摩擦作用，来不及随电源的变化而转动，极化反而减弱，损耗下降，tg下降。 tg随着温度的增加而增加。温度升高，偶极子运动加剧，介质损耗增大，tg增大。 tg不随外加电压的变化而变化，即tg与电压无关。但是当外加电压高到一定程度超过临界值时，使介质中的气泡电离，介质中产生附加的电离损耗，tg急剧增加。 图5介质损耗角正切值tg的影响因素3.1.3tg的限值新造电机的tg值在1%8%1，测量时注意温度的影响，要求在同

16、一温度下测量。电机检修后要求20不大于1.5%，30不大于2%，40不大于3%2。3.1.4对试验结果的判断测量的tg值若超出限、值，应对被试品分解试验,查找原因。针对tg值高的部分，可以进一步测试tg对电压的关系曲线。如图5（c）所示，对于良好的绝缘，在击穿电压以下的范围内，随着电压升高，在有功电流IR增加的同时，无功电流IC也成正比增加，因此tg值不随电压的变化而变化。但因绝缘有老化、裂纹、分层等缺陷时，临界电压U0较低，外施电压高于U0时。介质内部发生电离，IR增加，损耗增加，tg值迅速增加。所以观察tg值是否随电压上升,或临界电压U0低于其他同类电机来判断绝缘是否有缺陷。3.1.5如果

17、绝缘内部的绝缘不是分布性的,而是集中性的,则测量tg的方法有时反映就不是很灵敏,被试绝缘的体积越大,就越不灵敏2。可以有如下的论证： 图7原理图带有集中性缺陷的绝缘是不均匀的，可以把它看成由两部分介质并联组成的绝缘。如图7所示，图中，R1、C1表示无缺陷部分，R2、C2表示有缺陷部分，其整体的介质损耗为这两部分的介质损耗之和，即 （3-2） （3-3） （3-4）当整体绝缘的体积很大，而有缺陷部分的体积很小时，CC2，于是就很小，在测整体的tg时很难发现，只有当整体缺陷部分的体积越大，C2越大，会越大，其整体的tg才会反映明显。由于上述原因，对于电机这类电气设备的绝缘，因为运行中的缺陷多是集中

18、性的，加之整体绝缘体积很大，tg反映缺陷的效果就差。反过来说，如果电机的tg值超出标准值，说明绝缘的缺陷比较严重。对于套管绝缘，因为整体体积小，tg不仅可以反映套管绝缘的全面情况，而且可以检查出其中的集中性缺陷。正是由于缺陷部分在整体绝缘中所占的体积越大，tg法越容易反映出绝缘的缺陷，所以对于可以分解为各个部分的被试品，常将其分解后，再用tg法检测，可以有效的发现缺陷。3.2.工频耐压试验工频耐压试验传统绝缘检测方法，是对电机施加高出它的额定工作电压一定值的工频试验电压,并持续一定时间(一般1min),观察绝缘是否击穿或其他异常情况。这里我们需要强调三点：（1） 工频耐压对发现绝缘缺陷是非常有

19、效的，特别是集中式缺陷（2） 但是工流耐压试验有一个重要缺点，它是破坏性试验，必须先测完绝缘电阻再做工频耐压试验，否则容易使故障扩大化。例如电机受潮后仅烘潮真空浸漆即可，如果贸然打工频耐压，容易接地，扩大故障。因为绝缘相当于电容性阻抗，施加交流电压时会产生电容电流，产生较大损耗，这样会使绝缘中的一些缺陷更加发展，会引起绝缘内部的累积效应（每次试验对绝缘造成的损伤叠加起来的效应）。是有破坏性的，所以每道工序的工频耐压比上道工序降低200V.（3）人们对工频耐压有一个认识误区：往往认为电机通过工频耐压试验就可以，就没问题了，不用测绝缘电阻。实际上当电机绝缘电阻在50M或者更低，仍能通过4000V甚至更高的工频耐压。但50M的绝缘电阻我们认为绝缘是不合格的。3.3匝间试验匝间试验主要检查线圈匝间内部绝缘是否有缺陷，是否存在短路。这里我们要强调两点（1）传统方法精度偏低。传统方法主要是测量直流电阻，靠三相电阻是否平衡判断匝短，或者是分别给三相绕组施加一个50HZ交流电压，测量阻抗是否平衡。但是如果两套绕组形状略有不同，它是无法检测出来的。（2）脉冲检测法灵敏度高。试验时，仪器给两个绕组轮换着加相同波形和峰值的冲击电压。并由示波器在其屏幕上同一坐标上显示这两个绕组的