浅析电力机车交流牵引电机故障诊断技术

浅析电力机车交流牵引电机故障诊断技术

魏兴

中车株洲电机有限公司 湖南株洲 412001

摘要：近年来，随着我国经济的不断发展，铁路运输事业也在逐年增长，铁路运输的安全也变得尤为重要。众所周知，铁路运输是由列车车头进行牵引，随着电气化铁路事业的逐渐发展，电力机车逐步淘汰了蒸汽汽车和内燃机车，渐渐成为了铁路运输的主力军。在电力机车中，牵引电机是电力机车中的最重要组成部分，它的工作环境较为特殊，相对于其它部件来讲，牵引电机所处的工作环境更为恶劣，又因为它的动力作用大、负载变换频率快等工作强度要求较高的原因，致使牵引电机在工作时十分容易发生故障而停止工作，所以牵引电机的维护保养的难度较高。本文通过对牵引电机常见的故障发生原因进行分析，归纳、梳理电力机车的电机在牵引过程中可能会出现的问题，并介绍了几种常用的电机故障诊断技术，从而更好的保证列车在运行当中的安全。

关键词：电力机车；交流牵引；电机故障；诊断技术

由于交流牵引电机具有恒功率范围较宽、粘着性能好、大牵引力、功率因数较高等明显优势，相对于传统的直流传动机车来说，交流牵引电机可适用性更大，目前，已成为了我国电力机车的主流^[1]。虽然交流牵引电机得到了快速发展，但是由于其复杂的内部结构，在运行过程中十分容易发生故障，对列车行车安全造成了很大的隐患。所以，本文通过分析研究交流牵电机的故障发生原因和解决方案具有重大意义。

1.牵引电机的分类

牵引电机主要分为直流牵引电机、交流异步牵引电机和交流同步牵引电机等。早期电力机车都是采用直流电机牵引，但直流电机的电刷与换向器容易造成磨损，且维护保养频率高、成本大。随着大功率电力电子器件、各类变流器、逆变器的普及应用，电力机车开始转用三相交流电机，相比直流电机，交流电机没有电刷与换向器，不存在直接磨损部件，因而故障率与维护大大减少；此外，由于换向器限制了电压与电流，直流电机无法做到特大功率，而交流电机可以做到很大的功率；同时，交流电机单位重量功率比直流电机高出2倍以上，成本更低，因此目前电力机车主要采用交流异步牵引电机。

2.常见的交流牵引电机故障类型

交流牵引电机主要由定子、转子、端盖、轴承、测速装置和主动齿轮等部分组成。交流牵引电机在运行过程中，由于受到各个方面的影响，其所包含的部件以及结构日益恶化，原有的性能和功能渐渐下降，呈现异常的工作状态，从而导致了故障的发生^[3]。交流牵引电机的常见故障一般包括转子故障、定子故障、轴承故障、绝缘故障以及电子元器件故障。

（1）转子故障

转子故障包括转子绕组故障和转子本体故障，转子绕组故障分为端环开裂故障、转子断条故障、转子绕组击穿、开焊以及匝间短路故障；转子本体故障则包括转子失衡故障与

转子偏心故障。转子故障的发生与电机起动频率直接相关，起动时绕组短时间内电流过大，机械部件承受较大冲击，各部分受力和位移不同，容易导致转子导条和端环因应力不均匀而断裂。而转子刚度不足或轴承安装偏差容易导致转子偏心故障，偏心严重时，定转子的几何轴心偏离过大，电机转动时发生机械摩擦，会对电机产生致命损伤。

（2）定子故障

定子故障包括绕组接地故障、匝间短路故障和相间短路故障等，其中匝间短路故障是交流牵引电机发生最多最频繁的故障。而绕组间的绝缘破损导致绝缘层变薄、绝缘电阻变小，是短路故障发生的主要原因。匝间短路后气隙磁场和电流不再对称，定子电流大小显著增加，导致电机温升过高，当温升达到一定程度后，线圈表面变色，绝缘层失效，造成局部放电。

（3）轴承故障

电机轴承主要由内外圈、滚子和保持架组成。轴承故障包括内外圈故障、保持架故障以及滚子故障。轴承故障是交流牵引电机部件中较容易发生故障的部位，电机在运行中轴承内外滚道、滚子和保持架之间存在相对运行，滚子与滚道面存在较大的接触应力，润滑油形成的油膜，如润滑不良，则会导致滚子与滚道面，滚子产生剥离甚至胶合；如润滑油里面含有较多杂质，则可引起轴承保持架的异常磨损，从而导致轴承故障；此外，如轴承持续负荷过大，作业环境温度高，电机和轴承散热效率低、轴承过热，也容易导致轴承故障。

（4）绝缘故障

绝缘系统是电机结构中较薄弱的环节，在交流牵引电机运行时，绝缘体磨损、受潮、过热、污染、电晕、老化等都可以导致绝缘体绝缘性能的降低，出现绝缘故障。电机绝缘故障主要包括电机定子凸片故障、三相电阻不平衡故障、绕组绝缘受潮和老化故障、接线盒烧损故障等。

（5）电子元器件故障

电机电子元器件故障主要包括速度传感器故障和温度传感器故障。电机测速齿盘松动使得轮齿和速度传感器之间的间隙产生误差，造成速度传感器测量不稳定。测速齿盘轮齿缺失会导致速度传感器接收的脉冲信号不准确，分辨率降低，也会造成速度传感器故障；而温度传感器插头进水、插针缩针、电缆接触不良，或温度采集板故障及温度传感器电缆线磨损和电路故障等，将造成温度传感器故障。

3.交流牵引电机故障的诊断方法

电机故障诊断的基本原理有：1） 电流分析法。通过频谱等信号分析方法对负载电流的波形进行检测从而诊断出电机故障的原因和程度; 2）绝缘诊断法。利用电气试验装置和诊断技术对电机的绝缘结构、工作性能是否存在缺陷做出判断，并对绝缘寿命做出预测；3）温度检测方法。采用温度测量方法对电机各个部位的温升进行监测，电机的温升与各种故障现象相关； 4）振动与噪声诊断法。通过对电机振动与噪声的检测，并对获取的信号进行处理，诊断出电机产生故障的原因和部位。

目前国内将电机的故障诊断方法主要分为两大类：

（1）基于信号变换的故障诊断方法

在电机发生故障后，通过电机发出的信号来判断电机发生故障的类型。一般来说是在电机发生故障的前期进行诊断^[2]。基于信号变换的故障诊断方法在电机故障诊断的实际应用中取得了很多成果，尤其是小波变换，适合于探测正常信号分析中夹带的瞬态反常现象并展示其成分，在电机机械故障诊断中占有重要的地位。

（2）基于知识的故障诊断方法

基于知识的故障诊断方法主要包括基于症状的方法和定性模型的方法，其中，基于症状的方法又包括专家系统、模糊推理、模式识别和神经网络的方法。基于专家系统的诊断方法诊断过程简单、快速，但该方法存在获取知识的瓶颈，因此不适用于复杂电机或新设计的电机的故障诊断；在故障诊断领域，温度“偏高”、噪音“过大”等都具有模糊特性，模糊推理方法是处理该类问题的最好工具。但模糊诊断知识获取困难，尤其是故障与征兆的模糊关系很难确定，且系统的诊断能力依赖模糊知识库，学习能力差，容易发生误诊或漏诊；神经网络方法具有记忆、自学习和能拟合任意连续分非线性函数的能力，同时它还具有并行处理和全局作用的能力，使得它在处理非线性问题和在线估计等方面具有较强的优势。目前国内已有学者将神经网络、模糊推理技术与传统的专家系统相结合，组成集成型智能系统，为解决传统专家系统在知识获取和知识表达方面的瓶颈问题提供新的途径。

结语

我国的经济发展在不断发展的同时，铁路建设工作也在不断发展，人们对于铁路运输的安全问题也越来越重视。由于我国的铁路发展呈现跨越式的发展，交流牵引电机的开发和应用得到了快速发展。交流牵引电机作为整个电力机车的核心部件之一，关系到整个列车行车的安全，所以对于电力机车交流牵引电机故障诊断技术研究是很有意义的。

参考文献：

[1]白利平.电力机车交流牵引电机故障诊断[J].时代农机,2017,44(08):85-86.

[2]张曙光. HXD1型电力机车[M]. 北京：中国铁道出版社，2009.

[3]李甜甜. 电力机车交流牵引电机故障诊断研究[D].西南交通大学,2014.