周 成 高云霞 邱 添

(成都中车电机有限公司 四川 成都 610051)

0 前言

交流牵引电动机是电传动机车的关键部件，它将电能转换为机械能，产生牵引力牵引机车行进。牵引电机安装在机车的转向架上，运行条件恶劣，长期承受强烈的振动，同时长期经受风沙雨雪的侵蚀，对电机的绝缘影响大；另一方面牵引电机要求功率大，但体积受到轨距限制，只能提高电机绝缘的耐热等级来提高电机功率。机车的可靠运行与牵引电机的绝缘状态密切相关，而且绝缘结构长期承受电机正常运行时的高温和机械应力，因此，一套可靠的交流牵引电机绝缘系统至关重要。

以美国GE和西屋公司为代表的电机制造商，以不饱和聚酯树脂绝缘体系为主，该绝缘体系广泛应用于内燃机车牵引电机、城市轨道交通牵引电机等产品，具有良好的使用稳定性及经济性。该绝缘系统主要由耐电晕聚酰亚胺薄膜熔敷电磁线、粉云母带对地绝缘和聚酯亚胺浸渍漆构成。不饱和聚酯树脂含亚胺基中间体，通过增加分子间作用力，减少弱键，降低分子自由度和增加分子降解活化能，降低浸渍树脂的介质损耗因数，可提高电机绝缘系统耐湿热性、耐盐雾性和电性能，且还具有较高的黏结性和耐磨性。

1 绝缘结构设计

电机的匝间绝缘、直线段绝缘承受过电压产生的破坏不可修复，根据TB/T 1333.1标准中对电压的规定，文中绝缘结构的设计按照电机额定绝缘电压等级1 800 V进行设计和考核。

1.1 匝间绝缘

电磁线匝间绝缘采用耐电晕聚酰亚胺-单面复合全聚氟乙丙烯复合薄膜绕包并烧结成型的铜扁线，铜扁线绕包使用的薄膜为Kapton-150FCR019，厚度为0.038 mm，其中耐电晕基膜厚度为0.025 mm，带宽12.7 mm，叠包率为64%～66%，叠包1次。

1.2 定子线圈绝缘

1.2.1引线绝缘

引线头套硅橡胶玻璃纤维编织套管，并在首匝出线处垫t4的Nomex毡，用0.07 mm×10 mm的聚酰亚胺薄膜压敏带固定。

1.2.2端部和直线部分绝缘

用0.21 mm×19 mm的增强型云母带叠包1次，叠包率为66%，收尾处用0.18 mm×12 mm的玻璃布压敏带固定。该云母带为单面玻璃布补强，其技术特点为云母含量高、云母带补强基材采用较厚(0.1 mm)且强度高的玻璃布，具有高电气性能和机械性能等特性。

所用增强型云母带的常规技术指标如表1所示。

表1 增强型云母带的常规技术指标

1.3 绝缘处理

1.3.1浸渍漆

所用浸渍漆以亚胺改性不饱和聚酯为基体，采用乙烯基甲苯做活性稀释剂，通过过氧化物引发固化，其耐热等级为H级。浸渍漆常规技术指标如表2所示[1]。

1.3.2浸渍工艺

真空压力浸渍两次，浸漆时工件温度：40～60 ℃；真空度：不大于400 Pa，保持真空不小于10 min；压力：0.48 MPa～0.69 MPa，保持压力不小于25 min。烘焙条件：旋转烘焙，175 ℃±5 ℃，第一次固化烘焙时间5 h，第二次固化烘焙时间8 h。

表2 浸渍漆常规技术指标

2 绝缘性能校核

2.1 匝间绝缘性能校核

2.2 主绝缘性能校核

按照上述绝缘结构制作模拟线棒，按照JB/T 50133标准测量击穿电压平均值为30.02 kV，按照TB/T 3315标准，定子线圈对地耐冲击电压水平UD要求为UD=4U+5 000，其中U=2×Udc+1 000=4 600 V，Udc为施加在直流环节的最高对地平均电压，其值为1 800 V，即UD=23.4 kV，此电压值小于线棒击穿电压30.02 kV，因此该主绝缘结构满足电气性能要求。

3 绝缘结构验证

3.1 试样制备

采用线圈规格为2.95 mm×7.15 mm/3.18 mm×7.38 mm，线圈匝数为5匝，按照上述绝缘结构和GB/T 17948.3标准要求进行模卡制备并浸漆烘干(真空压力浸渍两次)，有效线圈6个，共计2个模卡。模卡试样如图1所示[2]。

图1 试验结构示意图

3.2 测试方法及结果

3.2.1外观检查

线圈表面未见有余胶和其他杂质，颜色均匀，但是电热(180 ℃、3.906 kV)老化400 h后，样品颜色变深。

3.2.2电热老化试验

将线圈置于老化烘箱内，将槽部接地线，导体按接高压的接线方式接好线后将温度升至180 ℃±2 ℃，待温度稳定后施加工频电压2.17UN，(即3.906 kV)进行电热老化试验400 h，所有样品电热老化400 h后均未失效。

3.2.3绝缘电阻试验

将线圈引线接在绝缘测试仪的高压端，模拟槽接测量线，测试电压为DC1 000 V，分别测量线圈对地绝缘电阻值，老化前绝缘电阻均大于1.5×1012Ω。电热老化后绝缘电阻较之老化前有所下降。试样编号1～6的绝缘电阻分别为：1.0×1012Ω、7.5×1012Ω、大于1.5×1012Ω、6.3×1011Ω、7.8×1011Ω、8.5×1011Ω。

3.2.4老化前工频对地耐压试验

将线圈引线接变压器高压端，模拟槽接地线，施加工频电压9.45 kV持续1 min，均未发生击穿。

3.2.5常态及热态介质损耗因数

按照JB/T 7608—2006标准，分别测量室温和155 ℃±2 ℃下各个线圈的电热老化前及老化后的常态及热态介质损耗因数。测量电压从0.2UN(UN为电机额定电压，试验测试时取1 800 V)开始，每隔0.2UN测量一次，直至1.0UN为止。结果如表3和表4所示。

表3电热老化前常态及热态介质损耗因数 /%

线圈常态(25 ℃)0.2 UN0.4 UN0.6UN0.8UN1.0UN热态(155 ℃)0.2 UN0.4 UN0.6UN0.8UN1.0UN11.671.721.761.801.884.304.344.374.384.4021.881.951.982.022.054.594.624.664.694.7131.701.751.771.811.844.304.314.354.384.4041.641.691.721.751.804.294.314.344.374.3851.691.751.771.811.854.344.354.374.384.4161.501.551.581.601.644.054.104.114.144.17平均1.681.741.761.801.844.314.344.374.394.41

表4电热老化后常态及热态介质损耗因数 /%

线圈常态(25 ℃)0.2 UN0.4 UN0.6UN0.8UN1.0UN热态(155 ℃)0.2 UN0.4 UN0.6UN0.8UN1.0UN11.011.071.121.181.345.045.065.065.236.4120.730.830.870.901.033.663.663.673.785.6831.151.201.271.361.564.364.374.384.455.6041.061.111.171.291.484.074.074.094.286.9951.491.581.721.882.093.903.903.924.214.7160.981.071.191.301.632.942.952.953.264.13平均1.071.141.221.321.524.004.004.014.205.59

但由于低压电机没有线圈质量分等标准，以JB/T 50133—1999 《中型高压电机少胶整浸线圈产品质量分等》标准作为依据，对介质损耗数据进行分析。从表3可以看出，线圈常态介损基本低于2%，热态介损(0.6UN时)低于15%，符合标准中一等品的要求。

具体对比如图2所示。从图2中可以看出，从0.2UN到1.0UN区间，线圈的电热老化前的常态和热态介质损耗因数增长均较平稳、缓慢；而老化后，0.8UN到1.0UN线圈的电热老化前的常态和热态介质损耗因数增长均较快。

图2 电热老化前及老化后的线圈常态及热态介损对比

3.2.6浸水试验

常态浸水试验：按GB/T 2423.38—2008标准中第7.2.2条严酷等级执行，试验用水为自来水，试样处于水面以下150 mm，测试1 h、2 h、3 h、4 h、8 h、24 h和48 h后线圈对铁芯的绝缘电阻。

高低温温度冲击后浸水试验：将模卡放入-45 ℃的温度冲击试验箱内保持30 min，在1 min 内将试验箱的温度升至155 ℃，保温30 min，再在1 min 内将试验箱的温度降至-45 ℃，此为一个周期的高低温温度冲击试验，按此重复做20个周期试验后进行浸水试验。结果如图3所示。

图3 浸水试验结果

从图3可以看出，模卡的常态和高低温冲击后浸水对地绝缘电阻都在1015Ω的数量级水平，变化趋势都很小，说明该绝缘结构的耐潮性能良好。

3.2.7局部放电试验

按GB/T 7354标准进行试验，结果如表5所示。

表5 局部放电和电晕电压

4 绝缘结构在牵引电机上的应用

4.1 对地耐压

根据TB/T 3315—2013规定的定子绕组对地耐压要求进行试验U=2×Udc+10 004 600 V，未发生闪络、绝缘击穿，通过试验。

4.2 常态介质损耗

电机经检测定子常态介质损耗，结果如表6所示。从表6可以看出，定子常态介质损耗与模拟线棒试验相当。

表6 电机定子常态介质损耗

4.3 温升试验

在工作状况额定功率为520 kW，额定基波电压有效值为805 V，额定转矩为9 670 N·m，额定转速为513 r/min，风量为73 m3/min，运行1 h后测量电机温升为86.9 K，远低于定子绕组温升限值200 K。

5 结束语

绝缘结构性能校核、验证以及实际应用均表明：所设计的不饱和聚酯树脂体系的绝缘结构，满足交流传动内燃机车配套中间直流电压为1 800 V及以下的交流牵引电动机的使用要求。

从2013年起，该绝缘结构已应用于成都中车电机有限公司公司生产的4400HP机车配套交流牵引电机上，迄今为止，应用效果良好，无因绝缘结构设计问题引发的故障产生。