電機匝間檢測的正確使用方法

近年來，在國內電機生產和檢測中，匝間絕緣測試項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，且匝間絕緣項目測試僅用于交流電機定子繞組的測試。隨著計算機應用的提高和普及，匝間絕緣測試方法也從目測發展為用計算機進行分析和判斷。脈沖沖擊電路從閘流管發展到高壓可控硅電路，電路穩定、可靠，不需預熱，壽命長。在90年代中期以后，國內匝間絕緣測試技術已發展到一個新水平。2　匝間絕緣檢測機理
　　匝間絕緣測試機理為用一個高壓窄脈沖（根據現有標準脈沖上升沿為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生一個并聯自激振蕩，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準繞組振蕩波形之差異，即可判斷被測繞組的優劣，判斷其是否存在匝間短路或匝間絕緣**問題。
　　傳統的匝間絕緣判斷方法是將標準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，并根據經驗判斷被測繞組是否合格，這種方法的根本缺點是判斷主觀隨意性，沒有量化指標考核，這種方法也經常引起制造者與檢驗人之間的分歧與矛盾。
　　隨著計算機技術的發展與普及，匝間絕緣測試方法已大有改進，用一個高速A/D系統將繞組的脈沖電壓沖擊的衰減自激振蕩波模擬信號進行數字化處理，然后由計算機對波形數據進行分析比較和計算，并由計算機對各參量的變化進行判斷。
　　波形判斷的參量，目前國內和國際上有很多形式，如利用被測繞組振蕩波與X軸的面積和標準繞組振蕩波與X軸的面積之差的百分數法、兩個波的頻率差的百分數法、用兩個波面積差的百分數法、電暈放電法、電橋不平衡法等。目前國內使用較普遍的是面積差百分數法和頻率差百分數法。
　　正確選擇各檢測參數，才能保證檢測準確性，現以目前國內某公司的定子綜合測試臺中匝間絕緣項目測試為例進一步闡述檢測機理與方法。
　　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10MΩ以上，對振蕩回路不產生影響。當a-b端加一個高壓脈沖信號，則在回路內產生衰減自激振蕩，其振蕩頻率：此處振蕩回路Q值
此處ω0必為實數即（1-CR2L/L）>0
則起振條件為：　　
當回路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作用，使振蕩波很少甚至無法振蕩。
　　由標準繞組建立一個標準波形，而若被測繞組存在匝間短路，被測繞組除由于圈數減少而引起L和RL變化外，更主要的由于短路圈內的感應電勢將產生一個大的感生電流，造成繞組內能量損耗，波形衰減加快，其波形面積與標準繞組波形面積差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。被測繞組短路匝數越多，能量損耗越大，dS亦越大，越能判別其短路狀態。一般電機短路一匝，其dS達到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，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產生差異。
　　從這里我們知道在做產品匝間絕緣試驗時被測產品的狀態和標準產品的狀態一定要一致，避免引起不必要的誤差。3　正確選擇各檢測參數
　　該定子綜合測試臺匝間絕緣測試項目中用戶需選擇四個參數，參數選擇的正確與否，對產品質量，對企業經濟效益將會產生不小的影響。
3.1　峰值電壓
　　測試臺峰值電壓范圍在500～3000V之間，由數字式電壓表顯示。峰值電壓選擇的依據為電機繞組由漆包線的漆膜絕緣性能，電機浸漆絕緣性能和制造工藝、操作水平決定。一般E級或B級絕緣的電機可選用1000～1500V，稍高的不超過1800V，如空調電機、洗衣機電機或一般三相電機。F級或H級絕緣的電機可選用1800～2500V，選用復合漆包線的電機也有選3000V峰值電壓的，例如空調壓縮機電機等。對于直流電機電樞的匝間測試，目前沒有統一的標準，按慣例低壓直流電機電樞匝間測試可選脈沖峰值300～500V，高壓直流電機可選1000～1800V。
　　繞組總圈數多的，峰值電壓可選高一些，總匝數少的，可選峰值電壓低一些。峰值電壓由峰值保持電路和數顯表指示實際值。因此只有在峰值脈沖發生那一瞬間才有顯示，顯示時間很短，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，在特定負載下與數顯表指示一致，可以作為調整峰值電壓時參考用。
3.2　閥值dS
　　即被測電機繞組振蕩波形與標準電機振蕩波形面積差的百分數，dS=ΔS/S×100％，其閥值大小由被測繞組和標準繞組的電阻差異、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的正負無關。
　　從公式還可知損耗還與峰值U2成正比，要求測試電源穩定，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，用某電機繞組先在測試臺上建立標準波形。然后用相同導線在相應槽內造成短路一圈，其dS=8%～10%。dS的大小視電機繞組總匝數和導線粗細不同而不同，大功率電機dS大，小電機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，以上試驗數據只對特定電機有效，因此數據只能說明參數變化規律，并不能代表每種電機參數變化的**值。
3.3　閥值df
　　被測繞組自激振蕩頻率與標準繞組自激振蕩頻率差df=Δf/f0×100%，影響df的主要因素是L，當Q值較小時RL變化才會影響頻率變化。
　　影響L的因素有繞組總匝數、匝數分布、繞組的松緊、整形形狀、鐵芯材料變化、浸漆前后等等。
　　匝間短路數較小時，Δf變化不明顯，只有當短路匝數較多，影響到L變化，才會使Δf增大。
　　當測試儀接上參數穩壓電源電壓穩定在1％以內時，df重覆蓋精度0.5％，ds重覆蓋精度1％。
　　一個標準繞組自激振蕩波形建立以后，被測繞組波形與標準波形比較，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，應予分開。
　　② 測試儀受溫度、電源變化等影響，出現的重復精度誤差dS為0.5%～1％，df為0.5%～1％。
　　③ 匝間短路，電暈放電等，一匝短路，多匝短路或層間短路，將引起dS8%～15％的變化或更大。
　　如何將1、2兩項因素對dS、df的影響與第三項因素對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均設定為15％，測某種電機100～200臺，從計算機“顯示數據庫”調出測試數據，觀察dS和df范圍，按90%～95％的電機的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) 各工廠質量控制部門根據長期生產實踐和經驗，定出一個合適的閥值。
　　總之，閥值設定沒有一個統一的標準，根據電機類型和生產工藝來確定。機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
　　在測試臺的閥值設定的匝間測試項目里，*后一項是T，T為被測繞組和標準組兩波形比較的周期數。可視總的振蕩周期數來定，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，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。實踐證明，這一措施極大地提高了檢測靈敏度，使本設備匝間短路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可達到8%－10％左右，而八極、十極電機一組繞組反嵌，其dS和df變化較小，大致在5%～8％之間，若電機工藝穩定，材料穩定，產品參數一致性好，離散度小，那么dS在5％也可分辨，但手工嵌線八極電機在匝間絕緣測試時，dS的離散度已達到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用，但這些方法不是本文研究的課題，就不再闡述了。