客车空调及其压缩机绝缘性能改善研究

客车空调及其压缩机绝缘性能改善研究

徐如好 1 蔡正永 2 赵桓 3 钟权 4

珠海格力电器股份有限公司制冷技术研究院

摘 要：客车空调由于不能有效接地保护，其绝缘性能不足将影响到车辆正常行驶，造成严重后果，其绝缘性能要求较高。本文首先通过研究车用空调绝缘性能和车载压缩机绝缘性能，找到绝缘阻值不足原因。然后从制冷剂和压缩机两方面给出绝缘阻值改善方案，并对这些方案进行验证。最后，确定了针对压缩机自身绝缘性能改善的方案，作为车用空调最可行、最经济、效果最理想的绝缘性能改善方案。

关键词：空调系统 制冷剂 压缩机 绝缘性能

1 引言

某客户反馈，车用空调在客车长期停放后，上电开机瞬间绝缘性能降低至不足0.5MΩ，产生绝缘故障，信号干扰甚至无法开机等问题，分析原因主要是空调压缩机绝缘阻值降低导致。经调研，客车空调因压缩机导致绝缘阻值降低而不满足标准的问题普遍存在，据某铁路集团售后统计，其中压缩机绝缘不良占故障压缩机总数的90.63%^{Error: Reference source not found}。

不同于有固定安装位置的常规空调，车载空调由于不能有效接地，其绝缘性能要求较高。目前国标要求车用空调器带电部位对地和对非金属部位的绝缘电阻不应小于2MΩ^{Error: Reference source not found}，车用空调行业，比如格力电器就将车用空调绝缘阻值的企标提高到30MΩ^{Error: Reference source not found}，而中车等空调器客户，甚至提出空调绝缘阻值不能低于100MΩ。

2 原因分析

本文提到的空调或者压缩机绝缘阻值，指的是空调的电源接线柱，或者压缩机的电源接线柱到空调或压缩机壳体间的绝缘阻值。每一台空调下线前都要进行在线测试，绝缘阻值在30MΩ以上，是满足要求的，绝缘不足问题发生在空调长时间静置后上电运行瞬间。空调系统停机静置一段时间，发生制冷剂迁移。制冷剂由关机时温度较低的蒸发器、汽分等部件迁移到有较大空间且位置较低的压缩机内，然后液化，使压缩机内部充斥着大量的液态制冷剂，造成压缩机绝缘阻值降低，导致调绝缘阻值不合格。经调研，压缩机出厂时绝缘阻值数据表1所示，只有厂家A标出压缩机含制冷剂时的绝缘阻值。

表1 压缩机出厂绝缘阻值表

另外，压缩机自身绝缘不足、液态制冷剂不绝缘和绝缘不足的压缩机与空调系统之间不绝缘，都是因制冷剂迁移造成空调绝缘性能降低的其他充分条件。

3 绝缘改善方案

通过上述分析得知，导致空调绝缘阻值降低的部件是压缩机，导致压缩机绝阻值降低的原因是制冷剂发生迁移后液态制冷剂淹没压缩机内绝缘薄弱点短路导致。那么，解决绝缘不足问题的思路主要有以下：

1. 采取措施阻止制冷剂迁移到压缩机；

2. 采取措施提高压缩机自身绝缘性能，保证即便制冷剂迁移到压缩机内，绝缘阻值也不降低；

3. 选用制冷剂电阻率足够大，即便发生制冷剂迁移，淹没了压缩机内部的绝缘薄弱点，也不会导致绝缘阻值降低；

4. 第四采取措施使压缩机和空调其他部位绝缘分割，在上述①②③都不能满足的情况下，也能保证空调自身绝缘阻值不受压缩机影响。

3.1 绝缘制冷剂替代

具有相对较低的电导率和相对较高的电介质常数，是车载空调制冷剂的重要要求。我们在选用制冷剂时，既要考虑其作为制冷介质的热力学特性，又要考虑其电阻率特性。

3. Meurer^{Error: Reference source not found}等人通过研究，测出了在试验温度25℃，1个大气压气相条件下R410A等制冷剂的电特性，测量结果表2所示。

表2 制冷剂电特性数值比较表

为了进一步研究制冷剂导电特性及影响因素，项目组搭建了图1所示的可视化制冷剂导电率测试平台^{Error: Reference source not found}，以R410A为例，并测出了制冷剂导电特性及其影响因素，测量结果表3所示。

图1 制冷剂导电率测试平台

表3 制冷剂电特性影响因素测量表

方案总结：液态制冷剂导电率间的差异，不足以将空调绝缘阻值由最低的不足0.5MΩ提高60倍到企标要求的30MΩ兆欧以上。但是通过改善空调调系统回油和控制制冷剂含水量，可以在一定程度改善空调绝缘性能。

3.2 阻断制冷剂迁移路径

该方案通过在压缩机吸排气口增加相关阀体，当空调系统关机后，阻止系统中的制冷剂迁移到压缩机内，增加四通阀的系统方案图2所示。通过四通阀1实现开机运行是，压缩机与空调系统连接，关机会后，四通阀1换向，压缩机与系统分离，从而阻断制冷剂往压缩机迁移的途径。

图2 采用四通阀阻断制冷剂迁移方案图

方案总结：在实际操作过程中发现，目前空调行业四通阀、电磁阀以及其他具备电动启闭作用的阀体，都不可避免的有不同程度的内漏。空调长时间静置，阀体不能有效阻断制冷剂迁移到压缩机。因此该方案理论可行，实际不可行。

3.3 压缩机绝缘分割

给压缩机吸排气管上加装绝缘法兰，要求绝缘法兰既能够保证压缩机与系统管路件可靠连接，又保证压缩机与管路之间绝缘，图3所示。

图3 绝缘法兰安装效果图

方案总结：经测量，空调绝缘阻值明显提高到30MΩ兆欧以上，达不到客户要求的100MΩ。吸气管上绝缘法兰因温度较低，绝缘垫表面附着凝露水导致不能有效绝缘，且增加绝缘法兰导致系统结构可靠性降低，法兰连接处存在泄漏风险。

3.4 压缩机绝缘改善

本文以凌达QV-AGG-H072zN压缩机为例，进行绝缘性能的测研究，和绝缘性能改善方案验证。压缩机有压缩腔和电机组成，压缩腔和电机位于压缩机外壳内，二者相互连通。上电工作时，压缩机内的带电体有插线端子、电机绕组，其中电机绕组由漆包线和各相线之间的焊点组成，图4所示。

图4 压缩结构示意图

3.4.1压缩机绝缘性能测试与研究

为了研究插线端子位置对压缩机绝缘性能的影响，给压缩机灌注R410A制冷剂3kg，安装视液镜观测液位，沿压缩机轴向旋转使插线端子位于不同角度，测量绝缘阻值，如表4所示。

表4 压缩机不同旋转角度绝缘阻值

为了研究绕组的绝缘性能，取出电机绕组后进行泡水测试，研究发现水具备液态制冷剂类似的绝缘特性，且电阻率小，以水为绝缘性能测量介质，能够放大绕组的绝缘薄弱点。测量发现绕组焊点与水接触后，绝缘阻值降低至1兆欧以下，其部分绕组漆包线与水接触，绝缘阻值也明显降低。

进一步解剖发现，绕组焊点焊锡后未经绝缘处理，表面套绝缘护套后固定在绕组不同位置。截取绝缘不足的漆包线进行金相磨样检测，发现漆包线最薄绝缘层厚度17.29um，测量结果图5所示，而绝缘阻值良好的漆包线绝缘层厚度在25um以上。

图5 金相磨样测试结果

通过对压缩机绝缘性能的测试和研究，可得出以下结论：

1. 插线端子位置高度不足，且不绝缘是导致压缩机绝缘不足的主要原因；

2. 绕组焊点不绝缘，是导致电机绝缘不足的主要原因；

3. 漆包线存在绝缘薄弱点，也会影响电机绝缘阻值。

3.4.2压缩机绝缘改善

通过对压缩机绝缘性能的测量和研究，找到压缩机绝缘薄弱点，并根据这些薄弱点制定绝缘性能改善方案如下：

1. 压缩机插线端子位置上移，使其位置高于吸气管口.

2. 然后对绕组焊点进行绝缘处理，处理方式参考漆包线处理工艺处理方式，给绕组焊点外表涂覆绝缘漆，然后套热缩套管.

3. 定子整体再次浸泡绝缘漆，针对漆包线绝缘层厚度不足，进行绝缘性能强化.

对完成上述优化的压缩机进行批量绝缘测试.压缩机灌注制冷剂R410A后，静置145小时，测试电压在500V，30℃环境温度下测量，分别取第10S、20S、60S的绝缘阻值，每台压缩机测量10组数据，取最小值。结果显示优化后的压缩机单体绝缘阻值明显提高，其中60S的绝缘阻值在500MΩ以上，测量结果图6所示。

图6 绕组浸漆前后对比图

将改进后的压缩机进行装机测试，替换改善后压缩机的客车空调，整车绝缘阻值156MΩ，超出客户要求的100MΩ，而替换前空调整机绝缘阻值仅31MΩ。

5 结论

本文主要针对空调系统绝缘和压缩机单体绝缘的研究，得出以下结论：

1. 空调整机绝缘阻值降低的原因是压缩机存在绝缘薄弱点，空调停机后制冷剂迁移到压缩机内，淹没并短路这些薄弱点导致绝缘阻值骤降。

2. 通过提高压缩机插线端子位置，绕组焊点进行绝缘处理，电机定子整体浸绝缘漆等压缩机绝缘改善措施，能够极大的提高压缩机乃至空调整机的绝缘阻值。

3. 不同液态制冷导电率差异不大，选用绝缘性能好的制冷剂，并通过改善空调调系统回油和控制制冷剂含水量，可以在一定程度改善空调绝缘性能。

4. 压缩机绝缘分割方案，能够将压缩机绝缘阻值提高到企标要求的30MΩ。

5. 阻断制冷剂迁移路径的方案，因阀不可避免额存在内漏导致此方案不可行。

基金项目

珠海市基础与应用基础课题研究项目（编号：ZH22017003200005PWC）

参考文献

1. 徐红 铁路客车空调机组压缩机绝缘不良原因及对策．铁道车辆，2017，U270.38．38⁺3．

2. 中国人民共和国，国家标准 GB/T 37123-2018. 2010，JSC 27.200.

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4. 刘豹，张宏. 液体电阻率测定电路的设计. 2010，33（11）:57-60.

5. C. Meurer, G. Pietsch ,M. Haacke． Electrical properties of CFC- and HCFC-substitutes．International Journal of Refrigeration 24 (2001) 171-175．

6. 珠海格力电器股份有限公司．可测试制冷剂导电率的流体测试装置：中国，CN109682862A [P]．2019-04-26