一種大功率異步牽引電機定子故障辨析及處理

裴亞偉

（南車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412001）

一種大功率異步牽引電機定子故障辨析及處理

裴亞偉

（南車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412001）

電機定子故障主要分為接地、三相直流電阻不平衡、掃膛三大類。依據電機連線原理圖，采用兆歐表、直流電阻測試儀，輔以定子交出各項檢測流程、引線頭絕緣剝除法、金相實驗等，準確找到故障點并判斷故障原因，及時修復電機并改進現有工藝。

異步電機;故障分類;檢測;原因分析

據統計調查，感應電機的繞組故障和軸承故障分別占電機故障的46%和40%。故感應電機的故障檢測主要針對定子故障、轉子故障和軸承故障3部分，其中感應電機定子線圈繞組故障是導致電機失效的主要原因之一。

蘭州、西寧機務段機車運行環境惡劣，電機受振動、風沙影響較大且長期處于過載運行。

針對該段返回電機不同類型的故障現象進行準確快速的原因分析十分必要，有助于縮短維修周期、減少不必要的工作量、找出問題根源從而改進現有生產工藝、提高產品質量，實現保增長、保質量目標，樹立公司品牌形象。

1 定子連線圖及命名方法

文章所述牽引機車用電機為異步電動機，電機定子采用Y形帶中性點連接方式繞組，嵌線方式采用雙層短距疊繞組，轉子為鼠籠型。具體參數如表1所示。

表1 電機基本參數

如圖1所示，定子臥式放置時，從并頭端方向看，電機順時針旋轉；三相引出線對應中1點，順時針方向依次為2點鐘、3點鐘……；回路環從外到內依次為U、V、W及中性環；每種顏色代表一相，每塊顏色代表一個極相組，每個極相組有兩個引線頭，沿順時針方向分別為下層邊和上層邊。

2 性能要求

三相直流電阻值范圍：32.3mΩ～35.7mΩ（折算至20℃時）

圖1 電機連線原理圖及引線命名方式

各相直流電阻值偏差須滿足≤2%（0.68mΩ）

絕緣電阻：用兆歐表（1000V檔）測定絕緣電阻1min，電阻值在200MΩ以上。

對地耐壓：DC11kV，加壓3min，無擊穿和閃爍。

層間耐壓檢測：電壓8600V，3s，觀察振蕩波形與基準波形是否一致。

2.1 檢測儀表

（1）兆歐表；

（2）紅外測溫儀；

（3）三相直流電阻測試儀；（4）直流耐壓機；

（5）多功能匝間耐壓機。

2.2 返修電機檢測步驟

（1）接收定子，觀察定子情況；

（2）若有燒損現象，拆剪引線頭焊接點，剝除引線頭焊接點絕緣，觀察內部焊接點情況是否斷裂或存在裂紋，必要時進行金相試驗，判斷故障原因；

（3）若無明顯故障點，測量絕緣電阻值及三相直流電阻值（測量前清理擦拭引出線接線板）；

（4）若絕緣電阻值很低（kΩ級），通過電流加熱法用紅外測溫儀確定擊穿點；

（5）若絕緣電阻值較低（MΩ級），對定子烘潮后重新測量絕緣電阻；

（6）若三相直流電阻值在要求范圍內但偏差≧1%，用橡膠榔頭和嵌線打板輕擊各引線頭，觀察直流電阻表數值是否跳動從而確定故障點。

3 定子故障現象分類及原因分析

定子繞組故障的主要原因有磨損、污染、裂紋、腐蝕等原因造成的絕緣失效和機械振動造成的引線頭移位。主要表征分為以下7種。

3.1 絕緣電阻低

（1）現象。①定子繞組經定子接地。槽口或槽中有擊穿痕跡，絕緣電阻kΩ級，如圖2、圖3所示。

圖2 定子槽中擊穿

圖3 定子槽口擊穿

圖4

（2）原因分析。①定子擊穿原因：線圈制作過程中絕緣包扎可能存在稀包現象致使運行過程中絕緣薄弱點被擊穿。②由于軸承損壞、軸彎曲等原因致使定、轉子摩擦(俗稱掃膛)引起鐵心溫度急劇上升，燒毀槽絕緣、匝間絕緣，從而造成繞組匝間短路或對地“放炮”，嚴重時會使定子鐵心倒槽、錯位、轉軸磨損、端蓋報廢等。

3.2 三相直流電阻不平衡

（1）現象。兩個電阻值偏大，引線頭拆剪后剝除絕緣發現某相引線頭斷裂，如圖5所示，UW與VW兩電阻值偏大，拆剪引線頭后發現共有相W某引線頭斷裂。

圖5 引線斷裂

（2）原因分析。運行中長期受振動影響使偏大的兩個電阻共有相引線頭斷裂，繼續運行將導致該引線頭燒損。

3.3 回路環引線頭燒損

（1）現象。與回路環連接處某引線燒損，附近有銅瘤及絕緣過熱現象，如圖6所示。

圖6 引線燒損

（2）原因分析。電機繞組絕緣受機械振動(如啟動時大電流沖擊，拖動設備振動、電機轉子不平衡等)作用，使繞組出現匝間松馳、絕緣裂紋等不良現象，破壞效應不斷積累，熱脹冷縮使繞組受到摩擦，從而加速了絕緣老化，最終導致最先碳化的絕緣破壞直至燒毀繞組。

3.4 匝間/相間短路

（1）現象。線圈鼻部或直線邊燒損，如圖7所示。

圖7 匝間/相間短路

（2）原因分析。由于長時間過載過熱運行，繞組絕緣老化加速，絕緣最薄弱點碳化引起匝間短路、相間短路或對地短路等現象，使繞組局部燒毀。

3.5 掃膛

（1）現象。①定子鐵心磨損。通常伴有線圈燒損及接地現象，絕緣電阻kΩ級，如圖8所示。

圖8 定子鐵心磨損

圖9 定子線圈割傷

（2）原因分析。①軸承損壞或外來異物導致轉子掃膛；②電機引線頭斷裂或繞組燒損使三相電源不平衡，相電流的對稱性破壞，轉矩降低，蜂鳴和振動加劇，電磁振動致轉子旋轉為橢圓形軌跡進而掃膛。

3.6 引出線接線座燒損

（1）現象。接線座內三相引出線燒損，如圖10所示。

圖10 接線座燒損

（2）原因分析。接線座螺栓安裝不緊導致該處接觸電阻過大，發熱嚴重致燒損。

3.7 多種故障現象

（1）現象。電機三組繞組全部燒毀，軸承無潤滑脂或砂架損壞，定、轉子鐵心相磨擦俗稱掃膛。如圖11所示，某電機W2極相組對應非并頭端鼻部燒損、中11引線燒損、非并頭端槽口線圈沿圓周掃膛、V12引線距焊接點約20mm處斷、W2引線根部斷裂、中7引線根部斷。

圖11 多種故障并發

圖12 燒損點示意圖

（2）原因分析。如圖12所示，紅色五角星表示引線頭故障點，其中中11燒斷，為明顯主要故障點；而V12、W2、中7點均為拆剪過程中發現斷裂，故障現象不明顯；W2極相組非并頭端鼻部燒損，且W2引線頭所在線圈非并頭端燒損最為嚴重。

初步判定電動機過載運行，電流超過額定值，電動機溫升超過額定溫升。中11引線頭受振動、過載影響最先斷裂，進而燒損，電機引線頭燒損使三相電源不平衡，相電流的對稱性破壞，轉矩降低，蜂鳴和振動加劇，電磁振動致轉子旋轉為橢圓形軌跡進而掃膛；由于中11分屬于W、U相，其中W相電流增大導致W2引線頭所在線圈非并頭端絕緣薄弱點擊穿造成匝間短路，而機械振動及斷裂相電流增大，使中7、V12、W2引線頭斷裂。

4 故障定子處理措施

4.1 修復故障點

由于絕大多數故障電機為引線頭斷裂，將回路環拆剪，引線斷裂處剪至合適位置，通過整形將引線重新焊接至回路環。通過只更換回路環的方式可以大大節約維修成本。當僅接線座內燒損時，將引出線及接線座按相關工藝更換，節約維修成本。

4.2 改進焊接工藝

焊接溫度、時間、焊料填充量直接影響焊接質量，通過把控焊接工藝可以改善焊接點機械性能。

4.3 把控原材料質量

對故障電機引線頭進行斷口分析發現，電磁線材料存在晶體顆粒較大、材料內部有氣孔、材料內部存在雜質、材料有裂紋等重大缺陷。加強電磁線入庫復檢，對供應商進行現場FAI審核，每批次進行微觀金相及氫脆試驗等措施。

5 結論

定子故障現象多種多樣，采用多種手段和儀器，結合電機的電氣原理及運行機理，準確分析故障原因可以在質量源頭上杜絕隱患、降低成本。

[1]張昌凡，黃宜山，邵瑞.基于觀測器的感應電機故障檢測方法及應用[J].儀器儀表學報，2011，32（6）.

[2]孫雅欣，孫鵬.電動機繞組修理與布線、接線圖[M].北京：電子工業出版社，2007.

[3]李發海，朱東起.電機學（第四版）[M].北京：科學出版社，2007.

[4]張家祥，彭詩敖.電動機燒毀的原因分析及對策研究[J].南方農機，2011，（6）.

[5]王敏.異步電動機繞組損壞的原因及處理方法[J].微電機，2001，34（1）.

Fault Analysis for the Stator of A Kind of Large Power Asynchronous Traction Motor and Processing

PEI Yawei
（CSR Zhuzhou Electric Co.,Ltd.,Zhuzhou，Hunan 412001,China）

Motor stator faults mainly divides into three categories,namely,grounding,imbalanced three phase dc resistance,and friction.According to motor wiring diagram,megohmmeter,DC resistance tester along with the check process of the stator,lead riser insulating method,metallographic test,was applied to find outthe fault point accurately and determine the cause of thefaults,so as to timely repair motor and improve existing processes.

asynchronous motor;fault classification;test;Cause Analysis

U269.6

A

2095-980X（2015）02-0015-03

2015-01-20

裴亞偉（1988），助理工程師。