電機(jī)匝間檢測的正確使用方法

近年來，在國內(nèi)電機(jī)生產(chǎn)和檢測中，匝間絕緣測試項(xiàng)目越來越受到廣泛重視。在80年代和90年代初，各廠家和試驗(yàn)室所用匝間絕緣測試儀均用目測波形差異測試法，且匝間絕緣項(xiàng)目測試僅用于交流電機(jī)定子繞組的測試。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的提高和普及，匝間絕緣測試方法也從目測發(fā)展為用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析和判斷。脈沖沖擊電路從閘流管發(fā)展到高壓可控硅電路，電路穩(wěn)定、可靠，不需預(yù)熱，壽命長。在90年代中期以后，國內(nèi)匝間絕緣測試技術(shù)已發(fā)展到一個新水平。2　匝間絕緣檢測機(jī)理
　　匝間絕緣測試機(jī)理為用一個高壓窄脈沖（根據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)脈沖上升沿為1.2μs、0.5μs兩種）加于被測繞組兩端，此脈沖能量在繞組與匹配電容之間產(chǎn)生一個并聯(lián)自激振蕩，由于繞組直流電阻的存在，此諧振為一衰減波并較快趨近于零，分析被測繞組振蕩波形與標(biāo)準(zhǔn)繞組振蕩波形之差異，即可判斷被測繞組的優(yōu)劣，判斷其是否存在匝間短路或匝間絕緣**問題。
　　傳統(tǒng)的匝間絕緣判斷方法是將標(biāo)準(zhǔn)繞組和被測繞組兩振蕩波加于雙線示波器上，用肉眼觀察兩波形的幅值和頻率的差異，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷被測繞組是否合格，這種方法的根本缺點(diǎn)是判斷主觀隨意性，沒有量化指標(biāo)考核，這種方法也經(jīng)常引起制造者與檢驗(yàn)人之間的分歧與矛盾。
　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與普及，匝間絕緣測試方法已大有改進(jìn)，用一個高速A/D系統(tǒng)將繞組的脈沖電壓沖擊的衰減自激振蕩波模擬信號進(jìn)行數(shù)字化處理，然后由計(jì)算機(jī)對波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較和計(jì)算，并由計(jì)算機(jī)對各參量的變化進(jìn)行判斷。
　　波形判斷的參量，目前國內(nèi)和國際上有很多形式，如利用被測繞組振蕩波與X軸的面積和標(biāo)準(zhǔn)繞組振蕩波與X軸的面積之差的百分?jǐn)?shù)法、兩個波的頻率差的百分?jǐn)?shù)法、用兩個波面積差的百分?jǐn)?shù)法、電暈放電法、電橋不平衡法等。目前國內(nèi)使用較普遍的是面積差百分?jǐn)?shù)法和頻率差百分?jǐn)?shù)法。
　　正確選擇各檢測參數(shù)，才能保證檢測準(zhǔn)確性，現(xiàn)以目前國內(nèi)某公司的定子綜合測試臺中匝間絕緣項(xiàng)目測試為例進(jìn)一步闡述檢測機(jī)理與方法。
　　匝間絕緣測試電路如圖1： 圖1　匝間絕緣測試電路　　L和RL為繞組的電感和直流電阻，C為測試臺匹配電容，R1和R2為取樣分壓電阻，R1＋R2較大，達(dá)10MΩ以上，對振蕩回路不產(chǎn)生影響。當(dāng)a-b端加一個高壓脈沖信號，則在回路內(nèi)產(chǎn)生衰減自激振蕩，其振蕩頻率：此處振蕩回路Q值
此處ω0必為實(shí)數(shù)即（1-CR2L/L）>0
則起振條件為：　　
當(dāng)回路Q值很高(RL很小或ωLRL) 1-1/Q2=1 則
典型的匝間沖擊振蕩波形如圖2所示。 圖2　匝間沖擊振蕩波形 回路等效阻抗　　　Z0＝L／RLC＝ ρ2／RL
其中：ρ—特性阻抗。
回路消耗功率 p0=U2/Z0+pFe=RLCU2/L+pFe=RLU2/ρ2+pFe 式中：pFe—單位時(shí)間鐵損。
自激振蕩每一周期能量損耗：
　　ΔW0=p0T+pFeT=RLU2T/ρ2+pFeT
式中：T—一個振蕩周期時(shí)間。
　　從上式可知RL、L都會影響f和ΔW0的變化。而L對f的影響較大，RL對ΔW0較大，亦即波形面積影響較明顯。某些場合鐵損占主導(dǎo)作用，使振蕩波很少甚至無法振蕩。
　　由標(biāo)準(zhǔn)繞組建立一個標(biāo)準(zhǔn)波形，而若被測繞組存在匝間短路，被測繞組除由于圈數(shù)減少而引起L和RL變化外，更主要的由于短路圈內(nèi)的感應(yīng)電勢將產(chǎn)生一個大的感生電流，造成繞組內(nèi)能量損耗，波形衰減加快，其波形面積與標(biāo)準(zhǔn)繞組波形面積差ΔS加大則ΔS／S加大。即測試儀上dS增加，從而判別其匝間短路的存在。被測繞組短路匝數(shù)越多，能量損耗越大，dS亦越大，越能判別其短路狀態(tài)。一般電機(jī)短路一匝，其dS達(dá)到8以上。
　　若被測繞組僅一匝間短路，造成的L和RL變化很小，因此頻率變化不明顯。
　　同一品種電機(jī)，由于硅鋼板牌號變更，或由于疊片松緊差異較大，或繞組浸漆前后，扎線與整形前后，繞組在定子鐵芯槽內(nèi)排列不一致都會引起L的不一致，從而使振蕩波形的S和f產(chǎn)生差異。
　　從這里我們知道在做產(chǎn)品匝間絕緣試驗(yàn)時(shí)被測產(chǎn)品的狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的狀態(tài)一定要一致，避免引起不必要的誤差。3　正確選擇各檢測參數(shù)
　　該定子綜合測試臺匝間絕緣測試項(xiàng)目中用戶需選擇四個參數(shù)，參數(shù)選擇的正確與否，對產(chǎn)品質(zhì)量，對企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益將會產(chǎn)生不小的影響。
3.1　峰值電壓
　　測試臺峰值電壓范圍在500～3000V之間，由數(shù)字式電壓表顯示。峰值電壓選擇的依據(jù)為電機(jī)繞組由漆包線的漆膜絕緣性能，電機(jī)浸漆絕緣性能和制造工藝、操作水平?jīng)Q定。一般E級或B級絕緣的電機(jī)可選用1000～1500V，稍高的不超過1800V，如空調(diào)電機(jī)、洗衣機(jī)電機(jī)或一般三相電機(jī)。F級或H級絕緣的電機(jī)可選用1800～2500V，選用復(fù)合漆包線的電機(jī)也有選3000V峰值電壓的，例如空調(diào)壓縮機(jī)電機(jī)等。對于直流電機(jī)電樞的匝間測試，目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，按慣例低壓直流電機(jī)電樞匝間測試可選脈沖峰值300～500V，高壓直流電機(jī)可選1000～1800V。
　　繞組總?cè)?shù)多的，峰值電壓可選高一些，總匝數(shù)少的，可選峰值電壓低一些。峰值電壓由峰值保持電路和數(shù)顯表指示實(shí)際值。因此只有在峰值脈沖發(fā)生那一瞬間才有顯示，顯示時(shí)間很短，操作者要注意觀察。指針表指示的為高壓端交流電壓值，但已折算到脈沖峰值，在特定負(fù)載下與數(shù)顯表指示一致，可以作為調(diào)整峰值電壓時(shí)參考用。
3.2　閥值dS
　　即被測電機(jī)繞組振蕩波形與標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)振蕩波形面積差的百分?jǐn)?shù)，dS=ΔS/S×100％，其閥值大小由被測繞組和標(biāo)準(zhǔn)繞組的電阻差異、電感量差異和匝間短路等諸多因素決定。由前面公式知道，諧振回路的等效阻抗Z0=ρ2／RL而ρ2＝L／C，因此，RL和L的變化都影響損耗p0的大小，使ΔS、dS加大。
　　由公式還可知，p0與RL成正比而與L成反比，但這里dS取**值，與ΔS的正負(fù)無關(guān)。
　　從公式還可知損耗還與峰值U2成正比，要求測試電源穩(wěn)定，否則電源波動對dS影響較大。
　　從前面檢測原理可知，影響dS的*大因素還是匝間短路的發(fā)生，匝間短路使能量損耗迅速加大，波形衰減加快，dS增大。
　　我們做過一次試驗(yàn)，用某電機(jī)繞組先在測試臺上建立標(biāo)準(zhǔn)波形。然后用相同導(dǎo)線在相應(yīng)槽內(nèi)造成短路一圈，其dS=8%～10%。dS的大小視電機(jī)繞組總匝數(shù)和導(dǎo)線粗細(xì)不同而不同，大功率電機(jī)dS大，小電機(jī)dS小。而繞組電阻RL對dS的變化如下表：電阻變化 5% 10% 16% 25% 28% 33% 85% 170% dS(%) 1.0 2.8 4.5 7.3 10.611.6 16.7 31.2　　這里要說明，以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)只對特定電機(jī)有效，因此數(shù)據(jù)只能說明參數(shù)變化規(guī)律，并不能代表每種電機(jī)參數(shù)變化的**值。
3.3　閥值df
　　被測繞組自激振蕩頻率與標(biāo)準(zhǔn)繞組自激振蕩頻率差df=Δf/f0×100%，影響df的主要因素是L，當(dāng)Q值較小時(shí)RL變化才會影響頻率變化。
　　影響L的因素有繞組總匝數(shù)、匝數(shù)分布、繞組的松緊、整形形狀、鐵芯材料變化、浸漆前后等等。
　　匝間短路數(shù)較小時(shí)，Δf變化不明顯，只有當(dāng)短路匝數(shù)較多，影響到L變化，才會使Δf增大。
　　當(dāng)測試儀接上參數(shù)穩(wěn)壓電源電壓穩(wěn)定在1％以內(nèi)時(shí)，df重覆蓋精度0.5％，ds重覆蓋精度1％。
　　一個標(biāo)準(zhǔn)繞組自激振蕩波形建立以后，被測繞組波形與標(biāo)準(zhǔn)波形比較，其dS和df影響因素大致三類：
　　① 由于制造工藝，材料等影響使df有1%～2%的變化，dS有2～5%的變化，這一變化并非由匝間短路引起，應(yīng)予分開。
　　② 測試儀受溫度、電源變化等影響，出現(xiàn)的重復(fù)精度誤差dS為0.5%～1％，df為0.5%～1％。
　?、?匝間短路，電暈放電等，一匝短路，多匝短路或?qū)娱g短路，將引起dS8%～15％的變化或更大。
　　如何將1、2兩項(xiàng)因素對dS、df的影響與第三項(xiàng)因素對dS、df的影響分開，這是確定閥值大小的目的。
　　具體操作有以下幾種方法：
　　(a)先將dS和df均設(shè)定為15％，測某種電機(jī)100～200臺，從計(jì)算機(jī)“顯示數(shù)據(jù)庫”調(diào)出測試數(shù)據(jù)，觀察dS和df范圍，按90%～95％的電機(jī)的dS和df值，加大1%～2％定閥值。
　　(b) 故意造成繞組短路一匝或二匝，測量其dS和df值，然后比檢測值低1%～2％定閥值。
　　(c) 各工廠質(zhì)量控制部門根據(jù)長期生產(chǎn)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，定出一個合適的閥值。
　　總之，閥值設(shè)定沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)電機(jī)類型和生產(chǎn)工藝來確定。機(jī)器繞線和嵌線的定子，df可放于2%～3%,dS可放于4%～5％,而手工繞嵌的定子或材料不穩(wěn)定的定子，df可放于3%～4％，dS可放于8%～10％左右。
3.4 周期T的選定
　　在測試臺的閥值設(shè)定的匝間測試項(xiàng)目里，*后一項(xiàng)是T，T為被測繞組和標(biāo)準(zhǔn)組兩波形比較的周期數(shù)。可視總的振蕩周期數(shù)來定，一般選取1～3即可，選少了不會影響測試精度。這里還需說明一點(diǎn)，測試臺為提高檢測靈敏度，比較的波形是從**個波開始的，也就是避開了原始脈沖波，從真正開始自激振蕩的波開始比較。實(shí)踐證明，這一措施極大地提高了檢測靈敏度，使本設(shè)備匝間短路1‰匝能較方便分辨出來。
　　在綜合測試臺使用中，繞組少繞一匝，能否通過匝間絕緣檢測出來，答案是否定的。從前面公式可知，繞組多或少一圈，對繞組的R和L變化很小，與繞組短路一匝的能量損失無法比擬。
　　對于電機(jī)繞組中有一組線圈反嵌了，能否用匝間絕緣測試方法來分辨。一般來說二極、四極、六極電機(jī)若一組線圈反嵌，其對整個繞組的影響較大，Q值變小，dS可達(dá)到8%－10％左右，而八極、十極電機(jī)一組繞組反嵌，其dS和df變化較小，大致在5%～8％之間，若電機(jī)工藝穩(wěn)定，材料穩(wěn)定，產(chǎn)品參數(shù)一致性好，離散度小，那么dS在5％也可分辨，但手工嵌線八極電機(jī)在匝間絕緣測試時(shí)，dS的離散度已達(dá)到8％～10％，那么反嵌一組就無法用匝間絕緣測試來分辨了。
　　這里要附帶說明的是，電機(jī)繞組反嵌的測試方法很多，如空載電流法、電容電壓法、起動力矩法、極性測試法等，這些方法已得到廣泛應(yīng)用，但這些方法不是本文研究的課題，就不再闡述了。