電力機(jī)車牽引變壓器故障解析

任建華，李興釗

（太原軌道交通裝備有限責(zé)任公司 變壓器車間，山西太原030009）

機(jī)車牽引變壓器在結(jié)構(gòu)、工作環(huán)境、運(yùn)行方式與地面變壓器有所不同，且時(shí)有過(guò)壓、過(guò)流、超載等惡劣的運(yùn)行環(huán)境，使得機(jī)車牽引變壓器提早出現(xiàn)了諸多潛伏性故障甚至擊穿燒損。從結(jié)構(gòu)上看，變壓器故障主要發(fā)生在鐵芯、線圈部位，故障性質(zhì)無(wú)非是過(guò)熱、放電或二者兼之。

1 鐵芯故障

機(jī)車牽引變壓器鐵芯為芯式結(jié)構(gòu)，故障多為過(guò)熱特征，下面結(jié)合鐵芯漏磁通過(guò)熱分析說(shuō)明。

文獻(xiàn)［1］中分析描述了石家莊機(jī)務(wù)段某臺(tái)SS8機(jī)車，色譜分析如表1。

表1 變壓器油色譜分析表

從數(shù)據(jù)中分析，無(wú)論是采用“三比值法”還是“特征氣體法”進(jìn)行故障診斷 ，無(wú)疑都存在“高溫過(guò)熱故障”，根據(jù)常規(guī)經(jīng)驗(yàn)判斷變壓器已經(jīng)出現(xiàn)故障，雖經(jīng)吊芯反復(fù)檢查，未見(jiàn)異常，但是該臺(tái)變壓器一直運(yùn)行，當(dāng)時(shí)未發(fā)生故障，此所舉實(shí)例僅是數(shù)十臺(tái)SS8型電力機(jī)車變壓器特征氣體超過(guò)注意值比較典型的一臺(tái)。機(jī)車變壓器油中特征氣體大大超過(guò)注意值，而變壓器仍在繼續(xù)運(yùn)行，應(yīng)當(dāng)承認(rèn)這是一個(gè)值得研究，有待解決的問(wèn)題。

2004年6月長(zhǎng)沙機(jī)務(wù)段首臺(tái)SS8195號(hào)機(jī)車輕大修進(jìn)入廠檢修，入廠鑒定試驗(yàn)色譜分析如表2。

表2 變壓器油色譜分析表

及時(shí)與段方提取最近2003年9月28日小修色譜分析數(shù)據(jù)。見(jiàn)表3。

表3 變壓器油色譜分析表

綜上分析三比值022，相對(duì)產(chǎn)氣速率嚴(yán)重超標(biāo)146%，存在高溫過(guò)熱現(xiàn)象。

色譜數(shù)據(jù)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)分析，故障應(yīng)該是磁路問(wèn)題，對(duì)變壓器進(jìn)行入廠空載鑒定試驗(yàn)，空載損耗、空載電流完全正常，不存在鐵耗超限。解體吊芯檢查，鐵芯對(duì)地接地良好，無(wú)多點(diǎn)接地等，查找觀察發(fā)現(xiàn)隔磁板處安裝孔部位分布諸多游離碳吸附現(xiàn)象，如圖1的隔磁板過(guò)熱圖。

圖1 隔磁板過(guò)熱圖

隔磁板表明其存在有過(guò)熱特征，分析故障原因：變壓器隔磁板采用沉頭螺絲固定，設(shè)計(jì)上是不錯(cuò)的，可有效保證變壓器油箱的使用空間，但隔磁板（有不銹鋼板與鋁板兩種，不銹鋼隔磁，鋁板吸磁）在變壓器強(qiáng)迫導(dǎo)向油循環(huán)中既當(dāng)隔磁板又當(dāng)導(dǎo)流板，如冷卻系統(tǒng)油流向圖（圖2）。

圖2中顯示由于變壓器油流的沖擊，安裝孔逐漸擴(kuò)大，沉頭螺絲逐步固定不住隔磁板，使得隔磁板（鋁板）與安裝板之間產(chǎn)生間隙，通過(guò)上下兩條沉頭螺絲在油流狀態(tài)下形成閉合回路，漏磁通產(chǎn)生渦流發(fā)熱（游離碳方向?yàn)橛土鞣较颍┖碗娢g，最終共同促使隔磁板脫落接地。故障確定為漏磁通引起渦流過(guò)熱，焊接固定卡子處理（圖3）。

圖2 冷卻系統(tǒng)油流向圖

圖3 處理過(guò)熱隔磁板簡(jiǎn)圖

找出故障，及時(shí)處理，并與段方技術(shù)科及時(shí)溝通，返段后跟蹤監(jiān)測(cè)，3個(gè)月后取樣分析，標(biāo)明故障消除。色譜分析如表4。

表4 變壓器油色譜分析表

針對(duì)鐵芯故障，在實(shí)際機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中，可以通過(guò)檢測(cè)變壓器空載電流，確定鐵芯是否存在短路，因?yàn)槎搪窌r(shí)空載損耗與電流會(huì)增加許多。同時(shí)做色譜分析，如果CO、CO2含量沒(méi)有或者很低，特征氣體有H2、CH4、C2H4、C2H6并且超標(biāo)，油閃點(diǎn)降低，可聞到焦糊氣味，這表明鐵芯中存在短路、局部過(guò)熱現(xiàn)象。因此需吊芯檢查，吊芯后檢測(cè)各部絕緣電阻，找出故障部位。

2 線圈故障

機(jī)車牽引變壓器線圈結(jié)構(gòu)型式有層式、連續(xù)式、雙餅式、螺旋式。其中SS4、SS4G、SS8、SS9電力機(jī)車主變壓器與平波電抗器一體化，其平波電抗器線圈為3根并繞連續(xù)式，繞制難度大，機(jī)械強(qiáng)度要求高，發(fā)生的故障率很高。故障主要是線圈正反段里外“S”換位、引出線與相鄰線段之間的絕緣破損而導(dǎo)致線圈燒損，以及器身壓緊螺絲在松動(dòng)后，鐵芯芯柱六方形氣隙墊塊轉(zhuǎn)動(dòng)，割破絕緣筒，損傷線圈，甚至造成段間短路，發(fā)生的概率非常高。另外變壓器在突發(fā)短路時(shí)，短路電流一般雖為額定電流的十多倍，而電磁作用力為正常運(yùn)行的數(shù)百倍，會(huì)引起線圈永久彎曲變形。變壓器的機(jī)械強(qiáng)度決定了變壓器的運(yùn)行使用壽命，因此變壓器機(jī)械松動(dòng)對(duì)變壓器是至關(guān)重要。下面結(jié)合事例對(duì)變壓器的故障進(jìn)行分析判斷。

2008年6月13日長(zhǎng)沙機(jī)務(wù)段SS8172號(hào)機(jī)車段方進(jìn)行列車供電改造后，在試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行供電試驗(yàn)，a7x7回路試驗(yàn)合格，a8x8回路在投入50%負(fù)載，電流100～200A，試驗(yàn)在不到1min時(shí)，從變壓器室干燥器下部冒出大量油煙，油溫瞬間升為65℃。后拆除列車供電接線，恢復(fù)機(jī)車，進(jìn)行空載試驗(yàn)時(shí)變壓器內(nèi)部出現(xiàn)很高的異聲，段方停止工作，及時(shí)反饋我廠，赴機(jī)務(wù)段后檢查確認(rèn)如下：變壓器a7x7繞組直流電阻0.001 45Ω、a8x8繞組直流電阻0.000 31Ω，兩繞組阻值相差15倍，表明a8x8繞組引出線有短連燒損現(xiàn)象，打開(kāi)輔助繞組出線板孔，觀察到a8x8繞組上段引出線部位線段燒穿短連，并有大量游離碳，致使在段上無(wú)法修復(fù)。變壓器繞組在很短的時(shí)間擊穿燒損，是由于外部突發(fā)短路，強(qiáng)大電流沖擊力使得線圈崩開(kāi)，大短路所造成。

而且機(jī)車在運(yùn)行過(guò)程中，由于整流柜晶閘管、整流管擊穿，反向?qū)?，次短沖擊力造成變壓器位移、變形、甚至燒損，如SS35128號(hào)機(jī)車硅機(jī)組Ⅰ端T12臂第一支路兩晶閘管、DII臂第一支路兩整流管擊穿變壓器次邊短路，連線銅排變形。SS3619號(hào)機(jī)車T22第3支路兩個(gè)擊穿，軟連線燒斷，造成變壓器燒損等。對(duì)2005年10月18日大連機(jī)務(wù)段SS3078號(hào)機(jī)車T22晶閘管擊穿，出線銅排變形造成a2x2與a6x6短連接地，侯北機(jī)務(wù)段SS3機(jī)車變壓器線圈及連線銅排位移這兩起事故，利用油水分離性冷卻，采用正位定形工藝法，恢復(fù)了原有機(jī)械性能，獲得了很好的效果，至今運(yùn)行正常。又如沈陽(yáng)SS9G052號(hào)機(jī)車由于制動(dòng)電阻燒損，短路造成變壓器層式勵(lì)磁繞組變形串位，采用分散嵌線法解決了線匝的彎曲變形。

3 活接地

SS8085號(hào)機(jī)車在出廠調(diào)試時(shí)，檢測(cè)到a4x4繞組回路絕緣電阻很低，接近于0。

變壓器故障初步判斷，拆去箱體變壓器接地連線，檢查高壓繞組AX、牽引繞組a4x4分別對(duì)地應(yīng)絕緣良好。而高壓繞組AX與牽引繞組a4x4之間絕緣電阻為0，表明繞組之間短接，高壓繞組X在機(jī)車上為接地端，因此牽引繞組a4x4測(cè)試絕緣電阻為0，為故障狀態(tài)。如圖4為SS8變壓器高壓側(cè)引線連接圖。

圖4 SS8085號(hào)機(jī)車變壓器高壓側(cè)連線圖

故障分析，從圖4中可知高壓繞組X與牽引繞組x4引出線之間通過(guò)絕緣墊塊（40環(huán)氧玻璃布板）、膠木螺桿（18酚醛布棒）緊固連接，分析高壓繞組AX與牽引繞組a4x4之間短接的情況如下：

繞組之間內(nèi)部短接，此種情況不存在，因?yàn)閮?nèi)部有絕緣筒相隔，器身出線下鐵軛處有分墊塊相隔。

拆去a4x4繞組出線板，檢測(cè)高壓繞組AX與牽引繞組a4x4之間絕緣電阻仍為0，表明與出線板絕緣狀態(tài)無(wú)關(guān)。

吊芯后檢測(cè)引出線銅排之間無(wú)異物，變壓器油箱底無(wú)異物。

短路部位有可能發(fā)生在膠木螺桿處，器身吊芯后檢測(cè)高壓繞組AX與牽引繞組a4x4之間多次，絕緣電阻恢復(fù)為良好，表明不存在膠木螺桿材質(zhì)差、受潮狀態(tài)。外觀檢測(cè)膠木螺桿、絕緣墊塊狀態(tài)正常，無(wú)燒糊現(xiàn)象。變壓器油外觀清亮，酸值0.029、介損0.464，表明不存在油質(zhì)很差引起短接的情況。

試驗(yàn)情況：變壓器解體前檢測(cè)高壓繞組AX與牽引繞組a4x4之間絕緣為0，而第一次外施耐壓4.42kV（合閘得電電壓為506V），合格，第二次合閘得電（電壓為506V）就立刻擊穿，原因是第一次時(shí)箱體接地螺絲處接地線松脫，試驗(yàn)時(shí)沒(méi)有接地造成的。檢測(cè)X端接線柱高130，箱體接地端高45。

器身試驗(yàn)：高壓繞組AX與牽引繞組a4x4之間絕緣電阻恢復(fù)為2 500MΩ以上，外施耐壓試驗(yàn)2 000V、1min無(wú)異常。

綜合分析高壓繞組AX與牽引繞組a4x4之間在器身吊芯前多次的絕緣電阻檢測(cè)為0，表明繞組之間肯定存在短路橋。機(jī)車調(diào)試時(shí)變壓器原邊沒(méi)有進(jìn)行高壓試驗(yàn)，說(shuō)明變壓器出段前已存在短路橋，變壓器在出廠試驗(yàn)中，絕緣電阻、外施耐壓試驗(yàn)合格，說(shuō)明變壓器在裝配中及在強(qiáng)電試驗(yàn)（感應(yīng)與空載）前還沒(méi)有形成短路橋，分析以上出線板、絕緣墊塊、膠木螺桿、變壓器油、器身絕緣狀態(tài)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。進(jìn)一步分析短路橋是在感應(yīng)耐壓與空載前后形成的，感應(yīng)試驗(yàn)時(shí)是在a1x2（x1與x2相連）輸入電壓，如果X端沒(méi)有可靠接地，其電位很高就容易形成與X4出線處通過(guò)絕緣墊塊游離變壓器油形成短路橋，在吊芯過(guò)程中振斷短路橋后，它們之間絕緣電阻又恢復(fù)正常。

4 機(jī)械松動(dòng)引起的故障

電氣強(qiáng)度、耐熱性能、機(jī)械強(qiáng)度為變壓器三大性能指標(biāo)。對(duì)運(yùn)行多年的變壓器來(lái)講，機(jī)械強(qiáng)度決定了其使用壽命，因此變壓器檢修和運(yùn)行維護(hù)時(shí)及時(shí)恢復(fù)變壓器的機(jī)械性能非常重要。如SS4系列、SS8、SS9主變壓器與平波電抗器器身鎖緊螺母松動(dòng)脫落后可造成在夾件上位移與出線片短連接地、螺桿脫落與繞組接地，平波芯柱松動(dòng)損傷絕緣筒與導(dǎo)線，以及SS9G機(jī)車鎖緊螺母松脫，壓鐵振動(dòng)箱蓋焊縫，造成大面積滲油等。

機(jī)車主變壓器與平波電抗器器身鎖緊螺母松動(dòng)，造成SS4、SS4G、SS8、SS9等車型螺母脫落后，在夾件上位移與出線片（半圓形）短聯(lián)接地。主變壓器器身φ30拉螺桿螺母振動(dòng)脫落，螺桿掉下，連接平波電抗器C4Y4繞組導(dǎo)致主接地。主變平波一體式變壓器進(jìn)入大修時(shí)，平波電抗器出現(xiàn)鐵芯柱松動(dòng)，鐵芯餅和氣隙墊塊錯(cuò)位，導(dǎo)致氣隙墊塊（六邊角）旋轉(zhuǎn)，嚴(yán)重磨損撐板，直至絕緣筒破損，損傷對(duì)應(yīng)高度的繞組導(dǎo)線，這種故障現(xiàn)象非常頻繁。如沈陽(yáng)機(jī)務(wù)段SS9052號(hào)機(jī)車變壓器螺母脫落接地等。鎖緊螺母根據(jù)通過(guò)改變螺距，其1／3處鎖片進(jìn)扣，2／3處鎖片搭扣，來(lái)增大與螺扣摩擦達(dá)到鎖緊目的。

2008年10月29日武南機(jī)務(wù)段SS9142號(hào)機(jī)車，段方發(fā)現(xiàn)主變壓器大量漏油。赴段后檢查主變壓器的平波電抗器兩側(cè)均發(fā)現(xiàn)漏油現(xiàn)象（3處），其漏油處非密封或油箱焊接部位，為變壓器箱蓋加強(qiáng)梁槽鋼內(nèi)部滲油后沿焊縫漏在密封槽內(nèi)，C1Y1、C2Y2、C3Y3出線側(cè)比較嚴(yán)重，變壓器油滲滿密封槽后，下流在油箱下部。平波電抗器吊芯后檢查發(fā)現(xiàn)，中間M24拉螺桿松動(dòng)、鎖緊螺帽松脫，壓鐵有擺動(dòng)現(xiàn)象，靠近濾波與變壓器側(cè)M32螺桿松動(dòng)，壓鐵上翹。漏油原因如下：由于螺桿的松動(dòng)，平波電抗器機(jī)械強(qiáng)度已經(jīng)滿足不了機(jī)車使用要求，其振動(dòng)力非常大，壓不住器身，壓鐵上翹，螺桿振動(dòng)，使得箱蓋直接承受很大沖擊力，長(zhǎng)時(shí)間的作用，加強(qiáng)梁槽鋼與箱蓋焊縫部位產(chǎn)生毛細(xì)眼或孔，最終出現(xiàn)滲油現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)車牽引變壓器的故障診斷和分析需結(jié)合機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)，綜合分析故障現(xiàn)象。變壓器短路、放電、擊穿燒損等故障的出現(xiàn)，除變壓器自身質(zhì)量原因外，還與機(jī)車高壓、過(guò)流、次短、過(guò)載等工況息息相關(guān)。機(jī)車在設(shè)計(jì)、檢修制造、組裝試驗(yàn)過(guò)程等存在的問(wèn)題會(huì)造成質(zhì)量缺陷，同時(shí)機(jī)車運(yùn)行在惡劣條件下，都會(huì)造成機(jī)車牽引變壓器故障。

牽引變壓器的檢修不僅要恢復(fù)原有產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度、電氣性能、耐熱強(qiáng)度等各種性能，還要對(duì)變壓器潛伏性故障或隱性故障進(jìn)行分析、判斷、處理和修復(fù)。判斷入廠變壓器有無(wú)毛病、有無(wú)故障，故障的部位、性質(zhì)、程度等，是變壓器檢修中重要的環(huán)節(jié)。

變壓器油中溶解特征氣體含量分析，又叫溶解氣體分析法（Dissolved Gas Analysis簡(jiǎn)稱DGA），是利用氣相色譜分析法檢測(cè)充油電氣設(shè)備絕緣油中溶解氣體，根據(jù)油中特征氣體的組分和含量對(duì)電氣設(shè)備的絕緣系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)督，對(duì)設(shè)備內(nèi)部故障的性質(zhì)、類型進(jìn)行判斷。該法在國(guó)內(nèi)外電力行業(yè)得到了日益重視和廣泛使用，在我國(guó)DL／T 596-1996《電力設(shè)備預(yù)防試驗(yàn)規(guī)程》中，溶解氣體分析已排在32個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目的首位，其高靈敏檢測(cè)的優(yōu)越性受到了電力系統(tǒng)的重視和青睞。GB／T 7252-2001《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》中的三比值法給出了特征氣體乙炔、氫氣、總烴含量注意值以及CO、CO2含量和比值。

本文結(jié)合典型故障案例，給出了變壓器不同部位、不同類型故障的診斷與分析。在統(tǒng)計(jì)分析了多臺(tái)典型變壓器故障數(shù)據(jù)后，摸索總結(jié)出了機(jī)車牽引變壓器色譜分析應(yīng)急處理表，見(jiàn)表5。

表5 變壓器油色譜分析故障對(duì)照表

［1］鄧幼平，何宏群，徐偉計(jì).DGA技術(shù)在電力機(jī)車充油電氣設(shè)備故障診斷中的問(wèn)題探討［J］.鐵道機(jī)車車輛，2003，（3）：40-42.