牽引電機絕緣結構高寒環境適應性試驗研究

史開華，劉冠芳，吉永紅，郭大鵬，雷平振

（中車永濟電機有限公司，陜西 西安 710016）

0 引言

目前，牽引電機的正常運行環境溫度為-40～40℃，隨著軌道交通市場的開拓和應用范圍的擴大，牽引電機將在更低環境溫度下應用（-50℃下啟動，-60℃以內的冰雪環境中運行），這將對其在高寒地區的可靠應用提出了更高要求。絕緣結構是電機的“心臟”，電機運行的可靠性很大程度上由電機絕緣性能決定[1-2]。因此，按照國內外相關標準[3-5]，在高寒環境條件下使用的絕緣結構，除應滿足原有基本性能要求以外，還應根據絕緣結構對低溫及溫度變化的敏感程度進行必要的人工模擬環境試驗，以考核其在高寒環境條件下的環境適應能力。

高寒地區氣溫低、溫差大，電機在低溫啟動時，由于絕緣材料的韌性降低，在機械振動和電磁振動等的反復作用下，可能導致絕緣結構出現開裂或分層現象[6-7]；溫度的劇烈變化使絕緣結構漆膜積聚應力，當應力超過漆膜強度后會導致絕緣結構內部出現開裂和缺陷，促進絕緣劣化[8-9]；同時，由于牽引電機絕緣結構幾乎完全暴露在戶外環境，在寒冷地區，運行環境極易造成牽引電機的絕緣表面凝露甚至積水，從而在一定程度上增大泄漏電流，降低絕緣性能，嚴重時甚至導致絕緣結構擊穿失效[8,10]。

本研究針對牽引電機絕緣結構開展了低溫沖擊振動、冷熱沖擊、濕熱、浸水等環境適應性模擬試驗和研究，測試其絕緣性能，對其高寒環境適應性進行分析評估。

1 試驗

1.1 試樣制作

參照GB/T 17948.3—2006[11]中規定的試樣制作要求，設計并制作了試驗用定子局部模型，模擬繞組帶鐵芯結構，并進行相應的絕緣處理，如圖1所示，每個定子局部模型有5支可供測試的線圈。絕緣結構的參數見表1。

圖1 定子局部模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of stator partial model

表1 絕緣結構的參數Tab.1 The parameters of insulation structure

1.2 絕緣結構低溫沖擊振動試驗

低溫沖擊振動試驗依據GB/T 21563—2018[12]進行，試驗溫度為(-60±3)℃，試驗流程如圖2所示，共循環4個周期。模擬長壽命振動試驗和沖擊試驗的試驗條件分別如表2和表3所示。

在試驗過程中的第0、2、4周期后，通過觀察定子局部模型的外觀并測試其絕緣電阻、介質損耗因數、對地電容、局部放電、起暈電壓、浸水絕緣電阻（浸水3 h，浸水狀態下測試）等電氣性能參數，以考核絕緣結構對極端低溫的耐受性，特別是低溫條件下振動沖擊和潮濕對絕緣結構的影響[13-16]。測試前需在(150±3)℃/6 h條件下做烘潮處理并自然恢復至室溫狀態。試驗完成后，對定子局部模型進行工頻擊穿電壓測試，若擊穿電壓仍保持在80%以上，則認為該絕緣結構滿足-60℃低溫環境的應用要求。

圖2 低溫沖擊振動試驗流程圖Fig.2 Flow chart of low temperature shock vibration test

表2 模擬長壽命振動試驗條件Tab.2 Simulated long-life vibration testing conditions

表3 沖擊試驗條件Tab.3 Shock testing conditions

1.3 絕緣結構溫度變化/濕熱試驗

根據環境試驗中溫度變化和恒定濕熱對應的標準 GB/T 2423.22—2012[17]和 GB/T 2423.3—2016[18]進行試驗，試驗流程如圖3所示，共循環4個周期，每個周期中依次進行28次溫度變化和168 h恒定濕熱試驗。溫度變化的試驗條件為：高溫(150±3)℃下3 h，低溫(-60±3)℃下3 h，升、降溫速率為(3.0±0.6)℃/min。恒定濕熱的試驗條件為：相對濕度為(93%±3%)RH，溫度為(40±2)℃。

圖3 溫度變化/濕熱試驗流程圖Fig.3 Flow chart of temperature change and hygrothermal test

在試驗過程中的第0、2、4周期后，通過觀察定子局部模型的外觀并測試其絕緣電阻、介質損耗因數、對地電容、局部放電、起暈電壓等電氣性能參數，以考核絕緣結構對極端高低溫變化的耐受性，特別是熱機械應力和潮濕對絕緣結構的影響[13-16]。

此外，為研究干燥恢復處理的效果，定子局部模型在第2和第4周期常溫下測量各介電特性參數之后，再在(150±3)℃/6 h條件下做烘潮處理并自然恢復至室溫狀態后重復測量各介電特性參數。

試驗完成后，對定子局部模型進行浸水絕緣電阻（浸水3 h，浸水狀態下測試）及工頻擊穿電壓測試，若擊穿電壓仍保持在80%以上，則認為該絕緣結構滿足-60℃低溫環境的應用要求。

2 試驗結果與分析

2.1 低溫沖擊振動試驗

絕緣結構在常溫下的介質損耗因數和對地電容隨試驗周期數的變化趨勢分別如圖4和圖5所示。從圖4～5可以看出，隨著試驗周期數的增加，絕緣結構在Un測量電壓下的常溫介質損耗因數和對地電容呈先增大后減小的趨勢，而常溫介質損耗因數增量（Δtanδ=tanδ1.5Un-tanδ0.2Un）和常溫對地電容增量（ΔC=C1.5Un-C0.2Un）呈逐漸增大的趨勢，說明在低溫沖擊振動的作用下，絕緣內部的空隙逐漸增多，從而使局部放電附加的額外損耗增加。試驗4周期后，絕緣結構的Δtanδ仍小于1.0%，按JB/T 50133—1999[19]標準要求，其仍屬于優等品。

圖4 絕緣結構介質損耗因數與試驗周期數的關系Fig.4 The relation between dielectric loss factor of insulation structure and test periods

圖5 絕緣結構對地電容與試驗周期數的關系Fig.5 The relation between capacitance-to-ground of insulation structure and test periods

絕緣結構在常溫下的局部放電起始電壓(PDIV)隨試驗周期數的變化趨勢如圖6所示。從圖6可以看出，隨著試驗周期數的增加，絕緣結構的PDIV呈下降趨勢，進一步說明絕緣內部的空隙逐漸增多，絕緣性能出現劣化。

圖6 絕緣結構PDIV與試驗周期數的關系Fig.6 The relation between PDIV of insulation structure and test periods

絕緣結構的起暈電壓隨試驗周期數的變化趨勢如圖7所示。

圖7 絕緣結構起暈電壓與試驗周期數的關系Fig.7 The relation between inception voltage of insulation structure and test periods

從圖7可以看出，隨著試驗周期數的增加，絕緣結構的起暈電壓呈下降趨勢，這可能是由槽口絕緣與鐵心之間在低溫沖擊振動的作用下產生的微裂縫或剝離所致。

絕緣結構浸水3 h絕緣電阻及擊穿電壓與試驗周期數的關系如表4所示。從表4可以看出，隨著試驗周期數的增加，絕緣結構的浸水絕緣電阻呈下降趨勢，但試驗4周期后仍保持在78.0 GΩ。相對于初始擊穿電壓，低溫沖擊振動試驗后，絕緣結構的擊穿電壓下降了約11%，說明絕緣結構存在輕微劣化現象，但仍處于較高水平，且滿足技術指標要求。

表4 絕緣結構絕緣電阻及擊穿電壓與試驗周期數的關系Tab.4 The relation between insulation resistance,breakdown voltage of insulation structure with test periods

綜上所述，在低溫沖擊振動的作用下，絕緣結構內部的空隙逐漸增多，且槽口絕緣與鐵心之間產生了微裂縫或剝離，存在輕微劣化現象。但試驗4周期后絕緣結構的浸水絕緣電阻仍保持在78.0 GΩ左右，且擊穿電壓仍保持在90%左右，表明該絕緣結構具有優異的耐低溫性能和防潮性能，可以滿足-60℃低溫環境的應用要求。

2.2 溫度變化/濕熱試驗

絕緣結構在常溫下的介質損耗因數、介質損耗因數增量及對地電容隨試驗周期數的變化趨勢分別如圖8～10所示。從圖8～10可以看出，隨著試驗周期數的增加，絕緣結構在Un測量電壓下的常溫介質損耗因數、介質損耗因數增量Δtanδ及對地電容均有所增大，說明在溫度變化的作用下，絕緣內部的空隙逐漸增多，從而使絕緣內部局部放電附加的額外損耗增加。當經過150℃/6 h干燥處理后，絕緣結構的介質損耗因數和對地電容又有所降低，說明干燥處理對絕緣結構吸濕的干燥效應是存在的，溫度變化/濕熱試驗后絕緣結構存在一定的“可恢復的劣化”成分[8]。去潮前后，絕緣結構的介質損耗因數增量基本相當，進一步說明其介質損耗因數增量的增加確實是由絕緣內部的空隙增多所致，而不是由潮濕引起。試驗4周期后，絕緣結構的介質損耗因數增量仍小于1.0%，按JB/T 50133—1999[19]標準要求，其仍屬于優等品。

圖8 絕緣結構介質損耗因數與試驗周期數的關系Fig.8 The relation between dielectric loss factor of insulation structure and test periods

圖9 絕緣結構介質損耗因數增量與試驗周期數的關系Fig.9 The relation between Δtanδ of insulation structure and test periods

圖10 絕緣結構對地電容與試驗周期數的關系Fig.10 The relation between capacitance-to-ground of insulation structure and test periods

絕緣結構在常溫下的局部放電起始電壓(PDIV)隨試驗周期數的變化趨勢如圖11所示。

圖11 絕緣結構PDIV與試驗周期數的關系Fig.11 The relation between PDIV of insulation structure and test periods

從圖11可以看出，隨著試驗周期數的增加，絕緣結構的PDIV呈下降趨勢，進一步說明其絕緣內部的空隙逐漸增多，絕緣性能出現劣化現象。相對于去潮后，去潮前的PDIV更高，說明內部氣隙及鐵心與外絕緣表面之間的氣隙由于潮氣的存在，其局部放電減弱。

絕緣結構的起暈電壓隨試驗周期數的變化趨勢如圖12所示。從圖12可以看出，隨著試驗周期數的增加，絕緣結構的起暈電壓呈下降趨勢，這可能是由槽口絕緣與鐵心之間在溫度變化的作用下產生的微裂縫或剝離所致。絕緣結構去潮前的起暈電壓高于去潮后，這主要是由于潮氣具有均勻槽口電場的作用。相對于PDIV，起暈電壓的下降速度更快，說明冷熱交變作用對槽口部位的影響更大。

圖12 絕緣結構起暈電壓與試驗周期數的關系Fig.12 The relation between inception voltage of insulation structure and test periods

絕緣結構的浸水3 h絕緣電阻及擊穿電壓與試驗周期數的關系如表5所示。

表5 絕緣結構絕緣電阻及擊穿電壓與試驗周期數的關系Tab.5 The relation between insulation resistance,breakdown voltage of insulation structure with test periods

從表5可以看出，試驗4周期后，絕緣結構的浸水絕緣電阻仍保持在130.4 GΩ。相對于初始擊穿電壓，溫度變化/濕熱試驗后絕緣結構的擊穿電壓下降了約10%，說明絕緣結構存在輕微劣化現象，但仍處于較高水平，且滿足技術指標要求。

綜上所述，在溫度變化和濕熱的作用下，絕緣結構的內部空隙逐漸增多，且槽口絕緣與鐵心之間產生了微裂縫或剝離，存在輕微劣化現象，潮氣的存在具有均勻槽口電場的作用。試驗4周期后絕緣結構的浸水絕緣電阻和擊穿電壓仍保持較高水平，表明該絕緣結構具有優異的耐溫度變化和防潮性能，可以滿足-60℃低溫環境的應用要求。

3 結論

針對牽引電機絕緣結構開展了低溫沖擊振動、溫度變化/濕熱、浸水等環境適應性模擬試驗和研究。主要得到以下結論：

（1）在低溫沖擊振動或溫度變化的作用下，絕緣結構內部的空隙逐漸增多，且槽口絕緣與鐵心之間產生了微裂縫或剝離，存在輕微劣化現象，潮氣的存在具有均勻槽口電場的作用。試驗后，絕緣結構的浸水絕緣電阻和擊穿電壓仍保持較高水平，表明該絕緣結構具有優異的高寒環境適應性和防潮性能，可以滿足-60℃低溫環境的應用要求。

（2）加熱恢復處理對絕緣結構在濕熱試驗環節中的吸潮有干燥效應，可使環境試驗對其介電性能的影響得到一定程度的恢復，表明絕緣結構介電性能的降低存在一定的“可恢復的劣化”成分。