電力機車交流牽引電機故障診斷

趙俊東

摘 要：隨著經(jīng)濟的發(fā)展，鐵路建設迅速發(fā)展，鐵路運行安全的重要性日益顯著。交流傳動電力機車在我國鐵路跨越式發(fā)展的背景下將成為開發(fā)應用的主流機車。牽引電機作為交流電力機車的核心部件之一，其工作環(huán)境惡劣、負載變換頻繁、動力作用大等因素使牽引電機較易出現(xiàn)故障。牽引電機的安全運行關系到整個列車的行車安全，展開交流牽引電機的故障診斷具有重要意義。

關鍵詞：電力機車;交流牽引電機;故障;診斷

1 引言

近幾年間，我國電力電子技術得到了快速發(fā)展，同時也帶動了電子控制技術的提升，改進了電力機車的運行技術，完善了電力機車的各項功能，其內(nèi)部結(jié)構也變得更加復雜。這一現(xiàn)象，同時也加重了電力機車交流牽引電機故障診斷工作。而該工作能否順利展開關系著機車行駛的安全問題，因此，對其進行深入研究與探討有著重要的意義。

2 設備診斷技術的基本方法

設備故障的復雜性和設備故障與征兆之間關系的復雜性，形成了設備故障診斷是一種探索性的過程這一特點。就設備故障診斷技術來說，重點不只在于研究故障本身，而更在于研究故障診斷的方法。故障診斷過程由于其復雜性，不可能只采用單一的方法，而要采用多種方法。可以說，凡是對故障診斷能起作用的方法就要利用，必須從各種學科中廣泛探求有利于故障診斷的原理、方法和手段，這就使得故障診斷技術呈現(xiàn)多學科交叉這一特點。通常分為：傳統(tǒng)的故障診斷方法、故障的智能診斷方法、故障診斷的數(shù)學方法等三個方法。但是在實際生產(chǎn)過程中，牽引電機還有可能發(fā)生其它各種故障。

3 常見的交流牽引電機故障類型

交流牽引電機主要由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、軸承、測速裝置和主動齒輪等部分組成。交流牽引電機在運行過程中，由于受到各個方面的影響，其所包含的部件以及結(jié)構日益惡化，原有的性能和功能漸漸下降，呈現(xiàn)異常的工作狀態(tài)，從而導致了故障的發(fā)生。交流牽引電機的常見故障一般包括轉(zhuǎn)子故障、定子故障、軸承故障、絕緣故障以及電子元器件故障。

（1）轉(zhuǎn)子故障

轉(zhuǎn)子故障包括轉(zhuǎn)子繞組故障和轉(zhuǎn)子本體故障，轉(zhuǎn)子繞組故障分為端環(huán)開裂故障、轉(zhuǎn)子斷條故障、轉(zhuǎn)子繞組擊穿、開焊以及匝間短路故障;轉(zhuǎn)子本體故障則包括轉(zhuǎn)子失衡故障與轉(zhuǎn)子偏心故障。轉(zhuǎn)子故障的發(fā)生與電機起動頻率直接相關，起動時繞組短時間內(nèi)電流過大，機械部件承受較大沖擊，各部分受力和位移不同，容易導致轉(zhuǎn)子導條和端環(huán)因應力不均勻而斷裂。而轉(zhuǎn)子剛度不足或軸承安裝偏差容易導致轉(zhuǎn)子偏心故障，偏心嚴重時，定轉(zhuǎn)子的幾何軸心偏離過大，電機轉(zhuǎn)動時發(fā)生機械摩擦，會對電機產(chǎn)生致命損傷。

（2）定子故障

定子故障包括繞組接地故障、匝間短路故障和相間短路故障等，其中匝間短路故障是交流牽引電機發(fā)生最多最頻繁的故障。而繞組間的絕緣破損導致絕緣層變薄、絕緣電阻變小，是短路故障發(fā)生的主要原因。匝間短路后氣隙磁場和電流不再對稱，定子電流大小顯著增加，導致電機溫升過高，當溫升達到一定程度后，線圈表面變色，絕緣層失效，造成局部放電。

（3）軸承故障

電機軸承主要由內(nèi)外圈、滾子和保持架組成。軸承故障包括內(nèi)外圈故障、保持架故障以及滾子故障。軸承故障是交流牽引電機部件中較容易發(fā)生故障的部位，電機在運行中軸承內(nèi)外滾道、滾子和保持架之間存在相對運行，滾子與滾道面存在較大的接觸應力，潤滑油形成的油膜，如潤滑不良，則會導致滾子與滾道面，滾子產(chǎn)生剝離甚至膠合;如潤滑油里面含有較多雜質(zhì)，則可引起軸承保持架的異常磨損，從而導致軸承故障;此外，如軸承持續(xù)負荷過大，作業(yè)環(huán)境溫度高，電機和軸承散熱效率低、軸承過熱，也容易導致軸承故障。

（4）絕緣故障

絕緣系統(tǒng)是電機結(jié)構中較薄弱的環(huán)節(jié)，在交流牽引電機運行時，絕緣體磨損、受潮、過熱、污染、電暈、老化等都可以導致絕緣體絕緣性能的降低，出現(xiàn)絕緣故障。電機絕緣故障主要包括電機定子凸片故障、三相電阻不平衡故障、繞組絕緣受潮和老化故障、接線盒燒損故障等。

（5）電子元器件故障

電機電子元器件故障主要包括速度傳感器故障和溫度傳感器故障。電機測速齒盤松動使得輪齒和速度傳感器之間的間隙產(chǎn)生誤差，造成速度傳感器測量不穩(wěn)定。測速齒盤輪齒缺失會導致速度傳感器接收的脈沖信號不準確，分辨率降低，也會造成速度傳感器故障;而溫度傳感器插頭進水、插針縮針、電纜接觸不良，或溫度采集板故障及溫度傳感器電纜線磨損和電路故障等，將造成溫度傳感器故障。

4 交流牽引電機故障的診斷方法

電機故障診斷的基本原理有：1）電流分析法。通過頻譜等信號分析方法對負載電流的波形進行檢測從而診斷出電機故障的原因和程度;2）絕緣診斷法。利用電氣試驗裝置和診斷技術對電機的絕緣結(jié)構、工作性能是否存在缺陷做出判斷，并對絕緣壽命做出預測;3）溫度檢測方法。采用溫度測量方法對電機各個部位的溫升進行監(jiān)測，電機的溫升與各種故障現(xiàn)象相關;4）振動與噪聲診斷法。通過對電機振動與噪聲的檢測，并對獲取的信號進行處理，診斷出電機產(chǎn)生故障的原因和部位。

目前國內(nèi)將電機的故障診斷方法主要分為兩大類：

（1）基于信號變換的故障診斷方法

在電機發(fā)生故障后，通過電機發(fā)出的信號來判斷電機發(fā)生故障的類型。一般來說是在電機發(fā)生故障的前期進行診斷[2]。基于信號變換的故障診斷方法在電機故障診斷的實際應用中取得了很多成果，尤其是小波變換，適合于探測正常信號分析中夾帶的瞬態(tài)反常現(xiàn)象并展示其成分，在電機機械故障診斷中占有重要的地位。

（2）基于知識的故障診斷方法

基于知識的故障診斷方法主要包括基于癥狀的方法和定性模型的方法，其中，基于癥狀的方法又包括專家系統(tǒng)、模糊推理、模式識別和神經(jīng)網(wǎng)絡的方法。基于專家系統(tǒng)的診斷方法診斷過程簡單、快速，但該方法存在獲取知識的瓶頸，因此不適用于復雜電機或新設計的電機的故障診斷;在故障診斷領域，溫度“偏高”、噪音“過大”等都具有模糊特性，模糊推理方法是處理該類問題的最好工具。但模糊診斷知識獲取困難，尤其是故障與征兆的模糊關系很難確定，且系統(tǒng)的診斷能力依賴模糊知識庫，學習能力差，容易發(fā)生誤診或漏診;神經(jīng)網(wǎng)絡方法具有記憶、自學習和能擬合任意連續(xù)分非線性函數(shù)的能力，同時它還具有并行處理和全局作用的能力，使得它在處理非線性問題和在線估計等方面具有較強的優(yōu)勢。目前國內(nèi)已有學者將神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊推理技術與傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)相結(jié)合，組成集成型智能系統(tǒng)，為解決傳統(tǒng)專家系統(tǒng)在知識獲取和知識表達方面的瓶頸問題提供新的途徑。

5 結(jié)語

近幾年間，我國經(jīng)濟取得了不斷發(fā)展，我國鐵路建設工作也取得了快速發(fā)展，人們越來越關注鐵路運行安全的相關問題。我國鐵路呈現(xiàn)出跨越式的發(fā)展模式，從而推動了交流傳動電力機車的開發(fā)和應用。在交流傳動電力機車中，核心設備就是交流牽引電機，整個列車能否安全行車取決于交流牽引電機能否安全運行。文章從電力機車交流牽引電機故障診斷的意義入手，對常見的故障類型與基本的診斷方法進行了簡要分析，希望對日后電力機車交流牽引電機故障診斷起到積極地推動作用。

參考文獻

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