关于地铁车辆电机绝缘性能的检测及判断方法探讨

赵智强，施炳娴，杨 亮

（北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068）

0 概述

随着城市规模的不断扩大，带来的交通拥堵，社会发展等问题日趋严重。城市轨道交通作为解决这一城市发展挑战的有力手段，以其不可比拟的优势，在城市公共交通中发挥着越来越大的作用。与此同时，地铁安全运行的重要性也日益显著起来。

地铁车辆电机的检测及检修，对安全运行的保证起着决定性作用。有效应用新的检测技术，可大大减轻检修人员的数据处理劳动强度，同时通过大数据宏观掌握各种电机的技术状态，可保证地铁车辆准点运行，并能有效控制检修及维护成本。

电机的绝缘状态是电机的一项重要性能指标，预防性试验规程是电力系统绝缘监督工作的主要依据，在我国已有 40 年的使用经验。该规程在生产中发挥了重要作用，并积累了丰富的经验。随着电脑及软件技术的广泛应用和技术水平的提高，电力设备检测参数的完善有了很大的发展，集成电脑技术后，对以往难以准确采集的一些参数如极化曲线、步进电压检测曲线等《电力设备预防性试验规程》中推荐的性能参数，可以实现更好的数据采集及处理，真正实现适用于现场、服务于现场的检测目的。

本文以交流牵引电机为例，研究电机的预防性绝缘检测和诊断方法，对现场应用中的极化检测及步进电压漏电流检测及相应的判断方法进行探讨。

1 电机绝缘预防性检测项目

由于电机在地铁车辆中的重要性及特殊的安装位置，在进行预防性检测时，必须优先选择非破坏性的无损检测方法[1]，既要满足现场预防性检测的实际要求，也不能因为检测而对电机造成损伤。目前国际通行的电机绝缘无损检测主要项目有如下几种：绕组对地绝缘检测（DC），绕组 PI 极化检测，步进电压检测泄漏电流趋势[2]。

2 绕组对地绝缘检测

绕组对地绝缘检测一般使用兆欧表，测量电机的绝缘电阻值（即被测件加规定电压 60 s 后，读取绝缘值），以判断电机的绝缘性能好坏。目前国际上测量绝缘使用的标准有多种，按照中国标准 DL/T 596-2005《电力设备预防性试验规程》推荐，使用兆欧表测量交流电机绝缘电阻时，额定电压 3 000 V 以下电机，使用1 000 V 兆欧表测量绝缘电阻，室温下绝缘电阻值不应低于 0.5 MΩ[3]。

然而，在现场实际检测中发现，电机 60 s 绝缘值通常都在几千兆欧至几十万兆欧之间。原因是电机制造厂需要把各种恶劣运行环境都考虑进去，并给予足够的安全系数以保障长期运行，因此，电机出厂绝缘值都比标准高很多。而经过长期运行后，电机实际绝缘状态多种多样，研究发现，单一的 60 s 绝缘值不能完全体现绝缘劣化状态，因此，仅测试加压后 60 s 时的绝缘值不能杜绝电机突发性绝缘故障的发生。

3 绕组极化检测

与绝缘电阻有关的常用绝缘指标还有极化指数（PI，即Polarization Index）及极化曲线（Polarization Index Profile），也称为绝缘电阻廓形（Insulation Resistance Profile）[4]。

从现场多年经验来看，60 s 加压检测对地绝缘值不能完全掌握绕组对地绝缘状态，而极化指数PI及极化曲线可以更完全地显示出电机的实际绝缘状态。

测量绝缘时，由于表面电荷、电容电流、吸收电流等的存在，对绝缘值会有不同程度的影响，而对电机绕组进行 10 min 的饱和充电后，可使这些干扰因素衰减到最小，从而全面反映电机绝缘状态[5]，如图 1。

图1 绝缘材料中的泄漏电流 IL、总电流 IT、吸收电流 IA、电容电流 IC、电导电流 IG 与电压加压时间的关系

极化指数PI是一个比值，即用 10 min 时的对地绝缘值除以 1 min 时的对地绝缘值即得到PI值[6]：

由于是连续 10 min 测试，且其为比值，因此，PI值有效排除了温度及湿度的影响。中国标准 DL/T 596-2005《电力设备预防性试验规程》中推荐PI值应大于 1.5。国际电工标准 IEEE 43-2000《检测旋转电机绝缘电阻的推荐实施规范》也给出了PI值和对地绝缘测试电压的推荐范围[7]，见表 1、表 2。

表1 国际电工标准 IEEE 43-2000 推荐的 PI 值

表2 国际电工标准 IEEE 43-2000 推荐使用的对地绝缘测试电压 V

3.1 良好的绝缘极化曲线

良好的绝缘极化曲线应呈现出反抛物线状态，并且图线光滑，如图 2 所示。

图2 良好的极化曲线

3.2 绝缘下降的极化曲线

图 3 中，随着饱和加压（直流 1 000 V）时间的延长，可看到绝缘值在 260 s 时出现了明显的变化，绝缘急剧下降。在 600 s 时下降到约 7 MΩ，若按照常规 60 s绝缘检测，会得出此台电机绝缘约 45 MΩ 的错误判断。

图3 绝缘下降的极化曲线

因此，极化检测在大容量电机的绝缘检测中可以非常全面地反映电机绝缘问题，并可通过同批次大数据的比较，发现其他如轴承温升导致的绝缘下降等综合缺陷。

3.3 绝缘受潮后的极化曲线

当电机绝缘受潮后，表面漏电流的比重会远远高于其他泄漏电流，而这种情况下，吸收电流等其他因素基本可忽略，这就导致整体绝缘值下降，且极化曲线会很快达到整体绝缘值水平[8]，如图 4。

图4 绝缘受潮后的极化曲线

值得注意的是，在雨季或恶劣存放条件下，电机绕组表面或绝缘层内部都可能受潮，这种情况下，如果电机绝缘尚未破坏且在安全运行条件下，可通过干燥或空转，对电机绝缘层进行烘干即可，无需进行特殊处理。但干燥至正常前应避免高频、大负载运用，因为绝缘减小时对地电容会呈增大趋势，高频、大负载运用可能击穿绝缘造成不可逆转损伤。干燥效果可从极化曲线的跟踪对比体现出来。在干燥后，若无其他绝缘问题，极化曲线会恢复到正常光滑的反抛物线状态。

3.4 绝缘受到污染后的极化曲线

当绝缘层受到灰尘等污染时，表面漏电流会明显上升，表现在极化曲线上是起伏很大的放电尖峰不规则出现，如图 5，从图 5 中可以看到很多这样的峰值出现，峰值差有时甚至大于 1 000 MΩ。

图5 绝缘受到污染后的极化曲线

3.5 绝缘老化热脆后的极化曲线

温度对绝缘的影响非常关键，绝缘层温度升高，绝缘性能会随之下降。

一般绝缘材料可认为是一个电阻系数很大的导电体，其导电性质是离子性的，不同于金属，金属导体的导电性质是自由电子性的。当电机在过载、炎热环境或通风不良的情况下长期发热时，绝缘层会逐渐变脆，当绝缘层变脆后，极化转向的能力会变弱，这个现象会表现为极化曲线出现台阶状，如图 6。

图6 绝缘老化热脆后的极化曲线

图 6 中，虽然极化指数PI大于 2，若不进行极化曲线测试采集的话，会很容易漏掉极化曲线出现台阶状这个绝缘已经老化的缺陷特征，而这类绝缘若不尽快更换，则会导致突发性异常接地发生。

4 步进电压检测泄漏电流趋势

步进电压检测反映的是绝缘体的泄漏电流情况及泄漏电流趋势，推荐试验方法为将试验电压按一定步进值增加，每步停留 1 min[9]，这时有 2 个指标可供用于判断绝缘状态：

（1）检测得到的泄漏电流值，该值应小于推荐给定的门限值；

（2）观察线性度，即当泄漏电流随电压不成比例增加时，则显示存在绝缘缺陷。

步进电压检测时，采用逐级加压的方式，找出泄漏电流是否有异常衰减或异常突变的发生。泄漏电流随电压不成比例显著增长时，应注意分析。由于是逐级加压，可以直观地显示出绕组在各电压等级下泄漏电流的变化情况，便于判断电机绝缘状态[10]。

正常的步进电压漏电流曲线如图 7 所示，不正常的步进电压漏电流曲线如图 8 所示。

5 结论

电机是地铁车辆的关键部件，电机绝缘状态是开展对电机预防性检测及故障判断的重要目标之一。电机的早期绝缘故障可利用绝缘极化检测、步进电压漏电流检测实现早期发现，这 2 个手段是以往常规检测手段的有效补充，在电脑技术非常发达的当下，极化检测、步进电压检测的自动化已成为现实，把这些电脑集成后的检测技术推广应用后可大大提高现场的电机故障预防水平。

图7 正常的泄漏电流衰减曲线

图8 不正常的泄漏电流衰减曲线（2 250 V 时泄漏电流发生突变）