關于地鐵車輛電機絕緣性能的檢測及判斷方法探討

趙智強，施炳嫻，楊 亮

（北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068）

0 概述

隨著城市規模的不斷擴大，帶來的交通擁堵，社會發展等問題日趨嚴重。城市軌道交通作為解決這一城市發展挑戰的有力手段，以其不可比擬的優勢，在城市公共交通中發揮著越來越大的作用。與此同時，地鐵安全運行的重要性也日益顯著起來。

地鐵車輛電機的檢測及檢修，對安全運行的保證起著決定性作用。有效應用新的檢測技術，可大大減輕檢修人員的數據處理勞動強度，同時通過大數據宏觀掌握各種電機的技術狀態，可保證地鐵車輛準點運行，并能有效控制檢修及維護成本。

電機的絕緣狀態是電機的一項重要性能指標，預防性試驗規程是電力系統絕緣監督工作的主要依據，在我國已有 40 年的使用經驗。該規程在生產中發揮了重要作用，并積累了豐富的經驗。隨著電腦及軟件技術的廣泛應用和技術水平的提高，電力設備檢測參數的完善有了很大的發展，集成電腦技術后，對以往難以準確采集的一些參數如極化曲線、步進電壓檢測曲線等《電力設備預防性試驗規程》中推薦的性能參數，可以實現更好的數據采集及處理，真正實現適用于現場、服務于現場的檢測目的。

本文以交流牽引電機為例，研究電機的預防性絕緣檢測和診斷方法，對現場應用中的極化檢測及步進電壓漏電流檢測及相應的判斷方法進行探討。

1 電機絕緣預防性檢測項目

由于電機在地鐵車輛中的重要性及特殊的安裝位置，在進行預防性檢測時，必須優先選擇非破壞性的無損檢測方法[1]，既要滿足現場預防性檢測的實際要求，也不能因為檢測而對電機造成損傷。目前國際通行的電機絕緣無損檢測主要項目有如下幾種：繞組對地絕緣檢測（DC），繞組 PI 極化檢測，步進電壓檢測泄漏電流趨勢[2]。

2 繞組對地絕緣檢測

繞組對地絕緣檢測一般使用兆歐表，測量電機的絕緣電阻值（即被測件加規定電壓 60 s 后，讀取絕緣值），以判斷電機的絕緣性能好壞。目前國際上測量絕緣使用的標準有多種，按照中國標準 DL/T 596-2005《電力設備預防性試驗規程》推薦，使用兆歐表測量交流電機絕緣電阻時，額定電壓 3 000 V 以下電機，使用1 000 V 兆歐表測量絕緣電阻，室溫下絕緣電阻值不應低于 0.5 MΩ[3]。

然而，在現場實際檢測中發現，電機 60 s 絕緣值通常都在幾千兆歐至幾十萬兆歐之間。原因是電機制造廠需要把各種惡劣運行環境都考慮進去，并給予足夠的安全系數以保障長期運行，因此，電機出廠絕緣值都比標準高很多。而經過長期運行后，電機實際絕緣狀態多種多樣，研究發現，單一的 60 s 絕緣值不能完全體現絕緣劣化狀態，因此，僅測試加壓后 60 s 時的絕緣值不能杜絕電機突發性絕緣故障的發生。

3 繞組極化檢測

與絕緣電阻有關的常用絕緣指標還有極化指數（PI，即Polarization Index）及極化曲線（Polarization Index Profile），也稱為絕緣電阻廓形（Insulation Resistance Profile）[4]。

從現場多年經驗來看，60 s 加壓檢測對地絕緣值不能完全掌握繞組對地絕緣狀態，而極化指數PI及極化曲線可以更完全地顯示出電機的實際絕緣狀態。

測量絕緣時，由于表面電荷、電容電流、吸收電流等的存在，對絕緣值會有不同程度的影響，而對電機繞組進行 10 min 的飽和充電后，可使這些干擾因素衰減到最小，從而全面反映電機絕緣狀態[5]，如圖 1。

圖1 絕緣材料中的泄漏電流 IL、總電流 IT、吸收電流 IA、電容電流 IC、電導電流 IG 與電壓加壓時間的關系

極化指數PI是一個比值，即用 10 min 時的對地絕緣值除以 1 min 時的對地絕緣值即得到PI值[6]：

由于是連續 10 min 測試，且其為比值，因此，PI值有效排除了溫度及濕度的影響。中國標準 DL/T 596-2005《電力設備預防性試驗規程》中推薦PI值應大于 1.5。國際電工標準 IEEE 43-2000《檢測旋轉電機絕緣電阻的推薦實施規范》也給出了PI值和對地絕緣測試電壓的推薦范圍[7]，見表 1、表 2。

表1 國際電工標準 IEEE 43-2000 推薦的 PI 值

表2 國際電工標準 IEEE 43-2000 推薦使用的對地絕緣測試電壓 V

3.1 良好的絕緣極化曲線

良好的絕緣極化曲線應呈現出反拋物線狀態，并且圖線光滑，如圖 2 所示。

圖2 良好的極化曲線

3.2 絕緣下降的極化曲線

圖 3 中，隨著飽和加壓（直流 1 000 V）時間的延長，可看到絕緣值在 260 s 時出現了明顯的變化，絕緣急劇下降。在 600 s 時下降到約 7 MΩ，若按照常規 60 s絕緣檢測，會得出此臺電機絕緣約 45 MΩ 的錯誤判斷。

圖3 絕緣下降的極化曲線

因此，極化檢測在大容量電機的絕緣檢測中可以非常全面地反映電機絕緣問題，并可通過同批次大數據的比較，發現其他如軸承溫升導致的絕緣下降等綜合缺陷。

3.3 絕緣受潮后的極化曲線

當電機絕緣受潮后，表面漏電流的比重會遠遠高于其他泄漏電流，而這種情況下，吸收電流等其他因素基本可忽略，這就導致整體絕緣值下降，且極化曲線會很快達到整體絕緣值水平[8]，如圖 4。

圖4 絕緣受潮后的極化曲線

值得注意的是，在雨季或惡劣存放條件下，電機繞組表面或絕緣層內部都可能受潮，這種情況下，如果電機絕緣尚未破壞且在安全運行條件下，可通過干燥或空轉，對電機絕緣層進行烘干即可，無需進行特殊處理。但干燥至正常前應避免高頻、大負載運用，因為絕緣減小時對地電容會呈增大趨勢，高頻、大負載運用可能擊穿絕緣造成不可逆轉損傷。干燥效果可從極化曲線的跟蹤對比體現出來。在干燥后，若無其他絕緣問題，極化曲線會恢復到正常光滑的反拋物線狀態。

3.4 絕緣受到污染后的極化曲線

當絕緣層受到灰塵等污染時，表面漏電流會明顯上升，表現在極化曲線上是起伏很大的放電尖峰不規則出現，如圖 5，從圖 5 中可以看到很多這樣的峰值出現，峰值差有時甚至大于 1 000 MΩ。

圖5 絕緣受到污染后的極化曲線

3.5 絕緣老化熱脆后的極化曲線

溫度對絕緣的影響非常關鍵，絕緣層溫度升高，絕緣性能會隨之下降。

一般絕緣材料可認為是一個電阻系數很大的導電體，其導電性質是離子性的，不同于金屬，金屬導體的導電性質是自由電子性的。當電機在過載、炎熱環境或通風不良的情況下長期發熱時，絕緣層會逐漸變脆，當絕緣層變脆后，極化轉向的能力會變弱，這個現象會表現為極化曲線出現臺階狀，如圖 6。

圖6 絕緣老化熱脆后的極化曲線

圖 6 中，雖然極化指數PI大于 2，若不進行極化曲線測試采集的話，會很容易漏掉極化曲線出現臺階狀這個絕緣已經老化的缺陷特征，而這類絕緣若不盡快更換，則會導致突發性異常接地發生。

4 步進電壓檢測泄漏電流趨勢

步進電壓檢測反映的是絕緣體的泄漏電流情況及泄漏電流趨勢，推薦試驗方法為將試驗電壓按一定步進值增加，每步停留 1 min[9]，這時有 2 個指標可供用于判斷絕緣狀態：

（1）檢測得到的泄漏電流值，該值應小于推薦給定的門限值；

（2）觀察線性度，即當泄漏電流隨電壓不成比例增加時，則顯示存在絕緣缺陷。

步進電壓檢測時，采用逐級加壓的方式，找出泄漏電流是否有異常衰減或異常突變的發生。泄漏電流隨電壓不成比例顯著增長時，應注意分析。由于是逐級加壓，可以直觀地顯示出繞組在各電壓等級下泄漏電流的變化情況，便于判斷電機絕緣狀態[10]。

正常的步進電壓漏電流曲線如圖 7 所示，不正常的步進電壓漏電流曲線如圖 8 所示。

5 結論

電機是地鐵車輛的關鍵部件，電機絕緣狀態是開展對電機預防性檢測及故障判斷的重要目標之一。電機的早期絕緣故障可利用絕緣極化檢測、步進電壓漏電流檢測實現早期發現，這 2 個手段是以往常規檢測手段的有效補充，在電腦技術非常發達的當下，極化檢測、步進電壓檢測的自動化已成為現實，把這些電腦集成后的檢測技術推廣應用后可大大提高現場的電機故障預防水平。

圖7 正常的泄漏電流衰減曲線

圖8 不正常的泄漏電流衰減曲線（2 250 V 時泄漏電流發生突變）