HXD1B型電力機(jī)車高壓電壓互感器故障分析及建議

王向東,王漢東

(武漢鐵路局 江岸機(jī)務(wù)段,湖北武漢430301)

2010-08江岸機(jī)務(wù)段配屬的HXD1B型電力機(jī)車連續(xù)發(fā)生3起高壓電壓互感器故障,2起中斷牽引行車,1起引發(fā)弓網(wǎng)事故,嚴(yán)重干擾運(yùn)輸生產(chǎn)秩序。

1 故障概況及原因分析

1.1 結(jié)構(gòu)原理

HXD1B型電力機(jī)車的高壓電壓互感器型號為JDZXW2--25A2,采用干式全封閉的結(jié)構(gòu),如圖1。表層絕緣為硅橡膠,互感器內(nèi)部絕緣材料為環(huán)氧樹脂(E級)?；ジ衅饔?個原邊繞組和2個次邊繞組構(gòu)成,繞組采用高強(qiáng)度漆包線繞制[1]。

圖1 JDZXW2-25A2型高壓電壓互感器結(jié)構(gòu)圖

1.2 故障現(xiàn)象

發(fā)生高壓電壓互感器故障的3臺機(jī)車分別為0002、0096、0141。0141機(jī)車 2010-01-01上線運(yùn)用,故障時總走行里程104 809 km。0096機(jī)車2009-09-13上線運(yùn)用,故障時總走行里程170 870 km;0002機(jī)車2009-08-26上線運(yùn)用,故障時總走行里程161 521 km。圖2—圖4反映了高壓電壓互感器的故障。0096、0141機(jī)車的高壓電壓互感器外形完整,硅橡膠局部老化,有內(nèi)部封裝絕緣材料液化流出。對機(jī)車CCU、TCU數(shù)據(jù)下載分析顯示,機(jī)車故障原因?yàn)闄C(jī)車檢測到的網(wǎng)壓過高,報網(wǎng)壓超限(故障代碼 802),機(jī)車中斷牽引。0002機(jī)車的高壓電壓互感器因原邊繞組破損,對地放電炸裂,造成接觸網(wǎng)斷網(wǎng),構(gòu)成弓網(wǎng)事故。TCU、CCU數(shù)據(jù)分析顯示,機(jī)車也曾發(fā)生網(wǎng)壓高、報網(wǎng)壓超限故障(故障代碼802),在之后的復(fù)位、升弓操作中引發(fā)互感器炸開。

1.3 原因分析

從故障互感器外觀及電氣檢測數(shù)據(jù),可以認(rèn)為互感器故障的原因是由于內(nèi)部絕緣材料老化失效所致。一是3臺機(jī)車發(fā)生故障的時間段均為機(jī)車牽引區(qū)段高溫季節(jié),氣象預(yù)報溫度35℃—38℃,TCU記載的大氣溫度最高為43℃,在這樣的條件下,對HXD1B機(jī)車車頂放溫度計(jì)測量是近70℃(測溫點(diǎn)接觸車頂金屬)。雖然互感器功耗極小,但由于其散熱不良,在機(jī)車頂上它產(chǎn)生的熱量很難傳遞到外部,它的金屬底座則很容易將機(jī)車頂蓋的高溫傳導(dǎo)到互感器內(nèi)部,熱量的積累促使絕緣材料在高溫下老化 。從溢出的棕褐色凝固物可以推測有漆包線外層漆的成分,從溢出物的數(shù)量之多可以推測互感器的絕緣封裝不應(yīng)是環(huán)氧樹脂,而應(yīng)是環(huán)氧樹脂封裝膠。如果是封裝膠用在這個產(chǎn)品,屬用材不當(dāng)。因?yàn)檫@種封裝膠具有熱變形特性,在85℃以上會變形,從而失去封裝材料對鐵芯和繞組的固定,機(jī)車在運(yùn)行中輪軌間的作用力反映在機(jī)車頂蓋是一定頻率的振動[2],此時這種振動對互感器的繞組破壞是嚴(yán)重的,在機(jī)械作用力下,引起原邊繞組匝間短路,從而使原邊線圈的交流阻抗減小,原邊電流增大,內(nèi)部發(fā)熱加劇,最終軟化的環(huán)氧樹脂封裝膠、漆包線的絕緣漆在高溫下液化、膨脹;外層硅橡膠在高溫下老化變形,局部強(qiáng)度降低,液化、膨脹的環(huán)氧樹脂封裝膠頂破硅橡膠而溢出。二是雖然機(jī)車報告的故障是網(wǎng)壓超限,但從Expert 2 viewer軟件記錄的事件環(huán)境分析,所謂的網(wǎng)壓高,只不過是由于互感器原邊線圈匝間短路后變比改變造成的誤報。既然發(fā)生故障是由于匝間短路導(dǎo)致,而同一批次的115臺機(jī)車在此之前都沒發(fā)生此類故障,因此可以排除因制造工藝缺陷所致的早期故障。從環(huán)氧樹脂封裝膠液化流出現(xiàn)象可以認(rèn)為這種故障和溫度相關(guān),這與機(jī)車的運(yùn)行是一致的 ,用Expert2viewer軟件可以查證0141機(jī)車發(fā)生故障時間為2010-08-02 16:44,TCU記錄的大氣溫度為43℃;0096機(jī)車發(fā)生故障的時間為2010-08-03 T14:41,TCU記錄的大氣溫度為41℃;0002機(jī)車發(fā)生故障的時間為2010-08-20日凌晨4:11,TCU記錄的大氣溫度36.8℃。為什么其他機(jī)車在這期間沒有發(fā)生同類故障,筆者認(rèn)為,這與絕緣材料的溫度老化規(guī)律有關(guān)。對于E級的絕緣材料,溫度每超過額定值8℃,則其壽命降低一半[3]。機(jī)車在牽引區(qū)段運(yùn)行,高溫天氣不是天天有,就是高溫天氣也只是某個時間段氣溫高,絕緣材料的老化有個過程,即便老化很快,但2個因素同時存在也還是有隨機(jī)性的。

圖2 HXD1B 0002機(jī)車高壓電壓互感器故障

圖3 HXD1B 0096機(jī)車高壓電壓互感器故障

圖4 HXD1B 0141機(jī)車高壓電壓互感器故障

2 措施及建議

通過上述故障原因分析,提出以下防范措施:

(1)機(jī)車運(yùn)行中如發(fā)生網(wǎng)壓超限,乘務(wù)員應(yīng)通過機(jī)車上的無線電話詢問車站值班員,同一供電臂下其他機(jī)車是否有網(wǎng)壓高現(xiàn)象。如果報網(wǎng)壓超限后又遇接觸網(wǎng)停電,則乘務(wù)員一定要及時將機(jī)車受電弓降下查明原因。

(2)配件制造廠應(yīng)盡快對故障的互感器解剖分析,查明原因,從設(shè)計(jì)和制造源頭提高質(zhì)量。

(3)機(jī)車運(yùn)用回段后,檢測并測量高壓電壓互感器線圈的直流電阻值、工頻阻抗值和高壓直流泄漏電流值,對不良的互感器及時更換。高溫季節(jié)對機(jī)車的CCU、TCU數(shù)據(jù)下載分析,CCU記錄的故障“網(wǎng)壓大于29 kV,代碼1200”進(jìn)行確認(rèn)。

針對設(shè)計(jì)制造提出以下改進(jìn)方案:

(1)關(guān)于網(wǎng)壓的測量及信號應(yīng)用。機(jī)車升弓后電壓互感器檢測到的網(wǎng)壓信號可以作為指示用,同時可用于機(jī)車閉合主斷的條件,以防高電壓損壞車內(nèi)設(shè)備,這是目前機(jī)車上實(shí)現(xiàn)的功能。當(dāng)主斷路器閉合后,主變壓器的次邊繞組、也有電壓信號采集,應(yīng)把高壓電壓互感器的信號與主變壓器次邊電壓信號比對,當(dāng)二者相差過大時,應(yīng)執(zhí)行分?jǐn)嗦菲?、封鎖主逆變器,之后降弓,這樣能減少故障損失。

(2)關(guān)于高壓電壓互感器的改進(jìn)。高壓電壓互感器裝在機(jī)車頂部,環(huán)境條件極其惡劣,特別在夏季,當(dāng)機(jī)車站停待避時,由于熱氣流上升,機(jī)車內(nèi)部發(fā)熱部件的熱量、太陽直射車頂金屬吸收的熱量匯聚一起,車頂?shù)臏囟冗h(yuǎn)高于大氣環(huán)境溫度。在設(shè)計(jì)互感器時,雖然要求機(jī)車的運(yùn)用環(huán)境溫度最高為40℃,但計(jì)算發(fā)熱器件的熱穩(wěn)定性時,應(yīng)以部件安裝位置的最高環(huán)境溫度作為計(jì)算值,以確保電器的熱穩(wěn)定性[2]。HXD1B型機(jī)車所用電壓互感器采用硅橡膠與環(huán)氧樹脂復(fù)合絕緣,溫度等級為E級(120℃),這對于非發(fā)熱部件的支持絕緣子是可以的,但對于自發(fā)熱的高壓電壓互感器,若考慮其安裝位置的環(huán)境溫度為80℃,則留給器件自身的發(fā)熱溫升就很有限了。另外,高壓電壓互感器在電氣接線上處于機(jī)車原邊高壓電路,屬于弓網(wǎng)系統(tǒng)中的一個子部件,因此互感器的絕緣配合要特別注意雷擊過電壓和操作過電壓對互感器的內(nèi)、外絕緣的考驗(yàn)。作為一個裸露的發(fā)熱工作部件,電器的熱穩(wěn)定性、絕緣材料的大氣老化、電老化、熱老化、機(jī)械老化都應(yīng)在絕緣材料的配合上充分考慮。

3 結(jié)束語

自2010-08-21江岸機(jī)務(wù)段與南車集團(tuán)株洲電機(jī)公司一起認(rèn)真執(zhí)行上述防范措施,通過專門的電工儀表檢測換下22臺機(jī)車的高壓電壓互感器,通過Expert 2 viewer軟件分析,對有“網(wǎng)壓高”記錄的2臺機(jī)車的高壓電壓互感器進(jìn)行更換,截?fù)?月底,沒有發(fā)生1件因高壓電壓互感器故障使機(jī)車牽引中斷的事情,效果令人滿意。

[1]HXD1B型電力機(jī)車維修手冊(上冊)電子版[Z].南車株洲電力機(jī)車有限公司2009.

[2]劉韻云.機(jī)車電器原理[M].北京:中國鐵道出版社,1980.

[3]周鶴良.電氣工程師手冊[M].北京:中國電力出版社,2007.