摘要：定子绕组接地是交流变频异步电动机发生率较高的电气故障。接地的原因不仅与电机的绝缘结构设计有关，也与电机的机械结构及电机制造工艺过程有密切的联系。本文从非电气因素分析探讨电机接地故障一种思路。
关键词：结构变形；热应力；绝缘损伤；接地
一、问题提出
国内某主型轨道交通牵引电动机在长期运行中，定子绕组接地故障率高一直是困扰电机安全运行的一个难题。电机接地意味着必须马上落车更换新电机，不仅造成较大的经济损失，而且直接影响到运输安全和乘客满意度。近年来通过组织有关部门技术攻关，增加各种电气检测指标、补强电机绝缘等工艺手段实施后收效甚微，仍然没有解决根本性问题。结合近年来检修电机接地故障的拆解分析，发现电机绕组接地存在一些规律，近70%的接地点发生在电机端面圆周方向某一角度位置。需要用一种新的思路来分析解释这种电气故障原因。
二、电机结构特点
电机主绝缘采用成熟的多层复合绝缘结构，VPI使用的是C级绝缘漆。转子采用铜导条鼠笼结构，定子由端板、筋板、定子铁芯焊接而成的笼形结构。机座吊挂板焊接在前后端板上（如图1、图2）。这种结构大大减轻了电机整体重量。但与整体铸造机座相比短板也显而易见，如整体刚性略差，容易产生焊接变形及残余热应力。如果结构设计或工艺性控制不好，电机工作运行中由于振动及冷、热变换，会造成电机结构薄弱处产生较大的结构变形。
图1
三、故障形成
该电机是由VVVF变频器供电的轨道交通车辆牵引电机，安装在车底转向架上。振动冲击造成电机构件刚度薄弱处局部变形严重，使电机绕组对地绝缘机械性损伤；逆变器供电复杂的电磁环境下，绝缘机械损伤处加速失效导致电机接地电气故障发生。作用原理是：
振动冲击→电机构件局部变形→绕组与铁心槽之间的主绝缘机械损伤→绝缘失效电机接地
四、原因分析
1.结构件局部刚度差导致电机接地
电机安装在转向架上，吊挂板为电机主承载体并由卡槽定位。车体对电机的振动冲击通过吊挂板传递到电机机座端板，由于笼型机座焊接结构（如图2），局部有坚强筋的作用导致机座端板各部位的等效刚度不同。
图2
1.1电机吊挂承载区端板受力分布
参考电机定子结构图（图2），分析第一象限角度范围内受力情况，端板与吊挂板焊接结合处即30°～60°范围为受力集中区，此处端板承受力最大。
图3
1.2电机吊挂承载区端板受力变形量情况分布
结合电机纵向筋板分布情况，端板受力时刚性最差发生在60°附近。此处受力大且无筋板加强，局部刚度下降导致应变量最大，如图4所示。
图4
1.3影响结果
当电机受到车体振动冲击等交变应力作用时，机座端板60°附近处振动位移、振动加速度出现峰值。电机定子线圈与铁芯槽相互作用，槽口处主绝缘机械磨损导致性能下降，随着电机运行时间的延长缺陷进一步加剧，接地故障点首先会在此处发生。
2.机座焊接时热应力影响
结合该型号电机机座焊接工艺分析，在图2端板与吊挂板焊接处焊接量较大，端板60°夹角范围将产生较大的热应力。虽然机座焊接完成后铁芯槽口经过重新修复整形，但机座焊接的残余热应力并不能完全消除。当电机在长期运行中承受振动、冷热变换的长期作用，应力释放导致槽口变形损伤绝缘后导致电机接地故障。
五、实施技术改进方案
（一）根据以上分析，对上述四中项1情况采取如下方法：
1.根据电机在车体转向架安装方式，设计一个安装固定方式相似的工装，将电机安装在三作用振动试验台做模拟振动试验，通过长时间多个周期的模拟实验，检测电机铁芯槽内不同部位线圈绝缘性能的变化。
2.在电机模拟振动试验时，使用SKFAXSeriesMicrolog数据采集/分析仪或使用EMERSONCSI2140设备健康诊断分析仪等进行数据采集，然后进行振动频谱分析，从而找出电机结构薄弱、振动烈度较大的部位。
3.针对该电机结构特点，重新进行结构有限元计算，准确设定输入的各种计算变量，在此基础上对电机结构刚度薄弱环节给以加强修正。
（二）对上述四中项2情况采取如下方法：
对现有电机定子机座结构及焊接工艺方法进行改进，改变铁芯叠压后集中焊接加工的办法，改用先进行机座焊接---去应力---加工工艺，铁芯装入机座后减少焊接工作量和减少残余应力。
六、结束语
牵引电动机是一个机、电整合体，电机运行中表现出来的电气故障不仅与电气绝缘结构设计有关，往往与机械结构设计、制造工艺等相关因素直接相关。本文从机械结构和制造工艺分析，目的是为解决电机接地问题开拓另一个思路。
论文作者:李聪菊,张静,邢石岭,孙文琪
论文发表刊物:《电力设备》2019年第13期
论文发表时间:2019/11/12
标签：电机论文; 机座论文; 结构论文; 定子论文; 故障论文; 绕组论文; 刚度论文; 《电力设备》2019年第13期论文;