JD142A型交流异步牵引电机接地故障原因分析及改进

罗小兰，丁禄振，邓日江，杨振中，何云风，裴亚伟

（中车株洲电机有限公司，湖南 株洲412001）



JD142A型交流异步牵引电机接地故障原因分析及改进

罗小兰，丁禄振，邓日江，杨振中，何云风，裴亚伟

（中车株洲电机有限公司，湖南 株洲412001）

摘 要：针对出口澳大利亚的SDA1-006号机车在中间直流电压欠压工况下，接连数台JD142A牵引电机发生转子端环脱落、砸伤定子绕组导致电机接地故障的问题，进行理论分析与试验验证，采取电机过载保护、中间欠压保护及过温保护等措施，确保电机在欠压工况下的运行安全，使该类型电机接地故障得到较好解决。

关键词：接地；中间直流电压；欠压；保护

SDA1型交流传动内燃机车是中车资阳机车有限公司出口澳大利亚的一款干线货运机车，最大运用功率3000kW，中间直流电压1500V等级［1］，由中车株洲电机公司配套提供JD142A型牵引电机，实现了我国大功率内燃机车交流传动牵引电机向发达国家出口的零突破［2］。

该型机车投入运营以来，JD142A牵引电机整体运行稳定。2014年3月，SDA1-006号车频繁报1、2架主回路接地，检测发现第2、3、4、5位电机接地。

1　原因分析

经拆检电机发现，4台电机的传动端端环已脱落，但导条端面清晰完整未变形，说明端环脱落属过热失效，并非机械失效。护环表面有焊料划擦痕迹，出风口处发现焊料熔渣，确认转子曾发生过热。脱落的端环砸落在定子绕组上，导致绕组端部局部擦伤。

上述拆检结果表明，电机接地并非定子绕组绝缘失效，应属电机在过流状态下，转子短时发热严重，致使端环脱落，砸伤定子绕组所致。

1.1电机欠压工况分析

据了解SDA1-006号机车在接地故障发生前，因励磁电阻与整流模块烧损等问题，曾频繁报中间直流欠压，而牵引电机运行稳定，未报过相关故障。

中间直流电压是内燃机车交流传动系统的一个关键参数，它决定了主发电机、牵引变流器及牵引电机等设备的输入及输出电压、电流［3］。

当中间直流环节欠压时，牵引电机输入电压下降，电机电磁转矩与电压平方成正比，故电机转矩下降，为了尽量维持转矩平衡，电机转速减小，转差率增大，转子切割旋转磁场产生的感应电流增大，转子发热量增大，同时电机定子电流也随之增大［4］。而SDA1型机车逆变器过流保护值仅根据IGBT晶体管容量设定为1500A（峰值），远远大于电机最大启动电流933A（峰值），并不能形成对电机的有效保护，系统无法及时切除保护电机，可能使电机转子持续发热严重而失效。

1.2电机欠压损耗计算

表1所示为JD142A牵引电机欠压状态损耗单点计算结果，通过与额定状态的损耗值进行比较可知，当电机处于欠压工况下，电机转差率与电流迅速增大，转子端环、导条电密增大约为额定值的2倍左右，转子发热严重。具体变化曲线如图1、2所示，当电压跌落时，额定点（A点）对应的转矩下降，为了保持相同转矩水平，电机转差率需从Sa增大至Sb，相应地电机转子导条电流从I2a增大至I2b.

表1　JD142A牵引电机欠压状态损耗单点计算结果

图1　电机欠压工况T-s曲线

图2　电机欠压工况I2-s曲线

1.3电机欠压模拟试验

下图3、4所示为JD142A牵引电机在上述额定及欠压工况下试验测得的定子温升曲线，同时测算得到欠压工况下电机转子进出风口温度如表2所示。

图3　定子温升曲线（额定工况）

图4　定子温升曲线（欠压工况）

表2　欠压工况电机定、转子进、出风口温度

试验结果证实，电机欠压导致电机定、转子各部位温度随时间成线性迅速升高，温升程度明显大于额定工况，其中转子温升高于定子温升，在定子温度达到280℃条件下，转子出风口温度最高可达到360℃以上，说明欠压工况对电机转子的温升影响更大。在电机过流保护未及时触发的情况下，电机转子可能因温升剧烈而失效。

2　改进措施

为避免牵引电机后续再发生类似故障，须完善机车中间直流电压欠压保护措施；同时应修订电机过载保护与过温保护限值，当电机电流或温升异常时能及时获得系统保护。

（1）中间直流欠压保护

按表3所示牵引、制动工况各档中间直流电压参考值实施保护。其中，在牵引工况下，若中间直流电压比参考值低100V，开始实施线性降功，直至比参考值低200 V，降功完全，延时2 min后，屏显中间直流欠压异常；在制动工况下，对于5～8档，若中间直流电压比参考值低300 V，延时30 s后，屏显中间直流欠压异常。若中间直流电压低于500 V，不论牵引或制动工况，均报中间直流欠压故障，逆变封锁。

表3　牵引、制动工况各档位中间电压参考值

（2）电机过载保护

采集电机线电流总有效值，按下表4分3档实施过载保护。

表4　电机过载保护设置

（3）电机过温保护

电机温度超过180℃，开始线性降功；升至200℃，降功完全，逆变封锁；电机温度低于170℃，恢复正常功率。

3　结束语

通过上述JD142A型牵引电机的欠压工况分析、损耗计算及温升试验验证，确认机车电机接地的故障原因为中间直流电压异常跌落导致电机工作在过流状态，未及时获得系统隔离保护，电机转子发热严重发生端环脱落，局部砸伤定子绕组所致。采取所述保护措施后，JD142A牵引电机在线运行未再报类似接地故障，改进效果显著。

由于该故障模式较为少见，本文首次明确了中间直流电压跌落工况下机车电机的特殊保护需求，为后续内燃机车牵引传动系统设计及电机控制保护积累了宝贵经验。

参考文献：

［1］杨振中，阮鸿芳，丁禄振，王长江.交流传动内燃机车用牵引电动机研制［J］.电机技术，2015，（01）：16-20.

［2］廖忠文，王平华，韩笑，等.出口澳大利亚SDA1型机车牵引传动系统设计［J］.内燃机车，2012，（11）：11-15.

［3］何良.交流传动内燃机车能量传递与中间直流环节电压调节技术［J］.机车电传动，2008，（2）：24-27.

［4］汤蕴璆，史乃.电机学［M］.北京:机械工业出版社，1999.

Reason Analysis and Improvement Measures for Ground Fault of JD142A Asynchronous Traction Motor

LUO Xiao-lan，DING Lu-zhen，DENG Ri-jiang，YANG Zhen-zhong，HE Yun-feng，PEI Ya-wei （CRRC Zhuzhou Electric CO.，LTD.，Zhuzhou Hunan 412001，China）

Abstract：Based on theoretical analysis and experimental verification of the successive ground faults of JD142A traction motors of SDA1-006 locomotive，which were caused by local damage of stator windings owing to the fall off of the rotor end ring in under-voltage working condition，the overload protection，under-voltage protection and over temperature protection of motor were implemented effectively.

Key words：ground fault；intermediate DC voltage；under-voltage；protection

中图分类号：TM305

文献标识码：A

文章编号：1672-545X（2016）03-0233-03

收稿日期：2015-12-10

作者简介：罗小兰（1985-），女，湖南株洲人，硕士研究生，助理工程师，主要研究方向为牵引电机设计与维护技术。