HXD3型電力機(jī)車牽引變壓器器身旁托架安裝螺栓放電的原因分析及改進(jìn)

李霞

(鄭州鐵路局 洛陽機(jī)務(wù)段，河南洛陽471002)

運(yùn)用與檢修

HXD3型電力機(jī)車牽引變壓器器身旁托架安裝螺栓放電的原因分析及改進(jìn)

李霞

(鄭州鐵路局 洛陽機(jī)務(wù)段，河南洛陽471002)

對HXD3型機(jī)車牽引變壓器運(yùn)用中出現(xiàn)的油色譜超標(biāo)問題進(jìn)行了分析，找出了共同存在的牽引變壓器器身旁托架安裝螺栓放電問題，指出設(shè)計(jì)中存在的缺陷并提出相應(yīng)建議。

HXD3型機(jī)車;牽引變壓器;旁托架安裝螺栓

鄭州鐵路局洛陽機(jī)務(wù)段自2011年以來配屬使用HXD3型電力機(jī)車249臺，機(jī)車配用 FPWR1/JQFP2－9000/25型主變壓器，該變壓器為下懸式安裝，強(qiáng)迫導(dǎo)向油循環(huán)風(fēng)冷，箱體與儲油柜一體化，冷卻裝置分開布置，采用心式臥放結(jié)構(gòu)，A級絕緣，全密封結(jié)構(gòu)，采用真空注油，N2膨脹箱，高阻抗繞組結(jié)構(gòu)，大量采用無磁結(jié)構(gòu)件，油箱用硅鋼板屏蔽方式，線圈導(dǎo)線采用Nomex紙絕緣，配全鋁板翅式冷卻器，兩路油循環(huán)系統(tǒng)。高壓套管采用進(jìn)口端子，在低壓套管出線裝置中采用了新型出線裝置。通過強(qiáng)大電流的低壓出線裝置安裝在主變流器最近處。

2013年至今，按照制造廠提供的色譜分析標(biāo)準(zhǔn)(各氣體含量的注意值大于國標(biāo)中要求的數(shù)值)，洛陽機(jī)務(wù)段共發(fā)現(xiàn)色譜數(shù)據(jù)超標(biāo)的變壓器105臺(含大量H2超標(biāo)的變壓器)。對其中總烴超標(biāo)嚴(yán)重的 HXD3－921、HXD3－897、HXD3－711、HXD3－920機(jī)車的4臺變壓器分別于2013年、2014年落修后返廠吊芯檢查。從這4臺變壓器的走行公里調(diào)查表中，知其新造后走行里程在365 418～771 813 km。

表1 油色譜超標(biāo)的變壓器走行公里一覽表

表2 4臺落修的變壓器油色譜數(shù)據(jù)一覽表 μL/L

1 由色譜數(shù)據(jù)推測故障點(diǎn)溫度和故障部位

1.1 故障點(diǎn)溫度的估測

變壓器內(nèi)部在不同故障下產(chǎn)生不同的特征的氣體。例如局部放電時(shí)會有氫，高溫過熱時(shí)會有乙烯，電弧放電時(shí)會有乙炔。所以分析時(shí)特別注意乙炔氣體的含量，是區(qū)分過熱和放電的兩種故障的指標(biāo)。大部分過熱故障，過熱點(diǎn)高溫時(shí)也會產(chǎn)生少量乙炔。

根據(jù)表3結(jié)合HXD3－921機(jī)車等4臺變壓器的實(shí)測數(shù)據(jù)，可得出屬于嚴(yán)重過熱的范圍。這里要說明一點(diǎn)，幾臺變壓器H2含量普遍較高，不符合嚴(yán)重過熱一項(xiàng)中的氫烴總量的27%以下，如711機(jī)車2014年3月最高占?xì)錈N總量的43%，但未按表中H2含量分析劃分故障性質(zhì)是考慮到HXD3機(jī)車變壓器為密閉式變壓器，無論是變壓器出廠時(shí)內(nèi)部水含量大或者內(nèi)部材料釋放出的H2均無法象開放式變壓器 一樣順利逸出，H2含量要特殊考慮。至于某些機(jī)車變壓器H2含量達(dá)10 000 μL/L以上，應(yīng)該考慮制造過程和工藝過程的欠缺，這對變壓器的壽命有長遠(yuǎn)影響。

表3 判斷變壓器故障性質(zhì)的特征氣體含量對照表

定為嚴(yán)重過熱故障時(shí)，溫度高于500℃，可以根據(jù)變壓器經(jīng)驗(yàn)公式:溫度T=322ln(C2H4/C2H6)+525，判定熱點(diǎn)溫度。計(jì)算4臺機(jī)車數(shù)次色譜數(shù)據(jù)并計(jì)算C2H4/C2H6的比值，知HXD3－921、HXD3－897、HXD3－711、HXD3－920的熱點(diǎn)溫度分別約為628～641℃、722～735℃、653℃、707～735℃。

1.2 故障點(diǎn)大致部位估測

變壓器油中氣體分析技術(shù)的最大不足之處就是不能判定故障部位，也就是說僅僅依靠油中氣體分析的結(jié)果是難以作出故障定位的。但根據(jù)電力變壓器的經(jīng)驗(yàn)，一般可以根據(jù)導(dǎo)電回路和磁路產(chǎn)氣特征的某些差異來推定故障點(diǎn)是在導(dǎo)電回路還是在磁路部分。經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)故障回路在導(dǎo)電回路時(shí)，往往有C2H2且含量較高，C2H4/C2H6比值也較高，并且C2H4的產(chǎn)氣速率往往高于CH4的產(chǎn)氣速率;對于磁路故障一般無C2H2或者很微(一般只占?xì)錈N總量的2%以下)，而且C2H4/C2H6比值也較小，絕大多數(shù)在6以下。

分析4臺機(jī)車的產(chǎn)氣量，全部符合以下這幾個(gè)特點(diǎn):(1)C2H4/C2H6比值較小:C2H4/C2H6的比值最大是4.5(HXD3－920于2014年1月測出數(shù)值)，最小是2.1(HXD3－921于2013年6月測出數(shù)值)。(2)C2H2含量小，4臺機(jī)車變壓器的C2H2含量只占?xì)錈N總量的0.5%左右。(3)4臺機(jī)車變壓器C2H4的產(chǎn)氣速率均高于CH4。

所以故障可鎖定在磁路故障。從磁路故障的氣體發(fā)展速率比電性故障慢也能從一個(gè)側(cè)面推斷是磁路故障。

2 對故障的調(diào)查

為查找線索，故障變壓器拆解前進(jìn)行了絕緣電阻、變比以及空載試驗(yàn)，各繞組的絕緣電阻和變比正常，說明各繞組的絕緣良好，無短路絕緣擊穿，做空載及負(fù)載試驗(yàn)均正常。

2.1 拆解后引線、線圈檢查

各引線捆扎牢靠，引線、線圈絕緣良好。如圖1、圖2所示。4臺機(jī)車變壓器內(nèi)部檢查情況相同。

圖1 HXD3－711號機(jī)車變壓器拆解引線圖

圖2 HXD3－711號機(jī)車變壓器拆解線圈圖

2.2 器身及器身夾件的檢查

器身外觀狀態(tài)良好，鐵芯夾件緊固牢靠，線圈表面干凈無異常。用搖表檢查器身旁托架安裝螺栓的絕緣電阻，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)螺栓的絕緣電阻為0，正常應(yīng)不小于2 MΩ，拆除螺栓后發(fā)生螺栓的絕緣已破損，該螺栓明顯發(fā)黑過熱，見圖3、圖4。

圖3 HXD3－711機(jī)車變壓器過熱的螺栓

圖4 HXD3－921機(jī)車變壓器過熱的螺栓

3 故障原因分析

HXD3機(jī)車變壓器容量為9 000 kVA，按容量劃分屬大型變壓器，且采用的高阻抗繞組本身的漏磁場較強(qiáng)，加上引線共同形成復(fù)雜強(qiáng)大的變壓器漏磁場，并在整個(gè)場域中的金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流損耗。這些金屬結(jié)構(gòu)件處于高漏磁場區(qū)域中，會產(chǎn)生雜散損耗降低變壓器的運(yùn)行效率，雖某些部件如鐵心拉板、螺栓等產(chǎn)生的雜散損耗相對總損耗不足道，但由于漏磁場在這些小部件中產(chǎn)生的雜散損耗分布極不均勻，若設(shè)計(jì)不當(dāng)，易于產(chǎn)生局部過熱。HXD3機(jī)車變壓器采用日本的圖紙和技術(shù)。日本設(shè)計(jì)的6K機(jī)車SUB變壓器就曾經(jīng)因?yàn)樵谟拖潴w上產(chǎn)生強(qiáng)烈的漏磁場致木墊板過熱的故障。

從圖5中看出4臺HXD3機(jī)車變壓器故障屬于漏磁場中的金屬結(jié)構(gòu)件之間的連接螺栓過熱現(xiàn)象，內(nèi)部漏磁場產(chǎn)生的環(huán)流作用在該螺栓上。HXD3機(jī)車變壓器的鐵芯由兩側(cè)夾板壓緊，鐵芯拉板為絕緣聚脂板，夾件均為低磁鋼板，夾件間與旁托座(有些變壓器制造廠稱之為緩沖器)間用安裝螺栓壓緊，連接螺栓為導(dǎo)磁鋼。HXD3機(jī)車臥式芯式變壓器繞組軸向高度中間部位及周圍，漏磁場主要是軸向分量，輻向分量幾乎為0，在繞組端部，漏磁場呈彎曲分布，有較大的輻向分量。旁托座與繞組端部、引線距離較近，處于輻向漏磁場最強(qiáng)的地方。在變壓器內(nèi)部漏磁場作用下會產(chǎn)生較高的懸浮電位，因此安裝時(shí)需要加裝絕緣件進(jìn)行隔離。如果絕緣件破損而失效，螺栓就會在絕緣薄弱處與其他金屬發(fā)生電弧放電。產(chǎn)生的環(huán)流或渦流的集膚效應(yīng)使接觸不緊實(shí)的螺栓邊緣(如螺紋、螺帽與腹板接觸面鄰近位置)出現(xiàn)局部燒黑、燒焦現(xiàn)象。

圖5 HXD3機(jī)車變壓器鐵芯夾件間的旁托座

造成HXD3機(jī)車變壓器鐵芯夾件間的旁托座安裝螺栓絕緣破損的原因是由于絕緣結(jié)構(gòu)采用Nomex紙絕緣(圖4中明顯可見絕緣破損)，對制造和安裝要求較高，若安裝面不平整或安裝口有偏差，就會造成安裝后該絕緣件會承受局部應(yīng)力，在機(jī)車振動環(huán)境中長時(shí)間作用下，造成螺栓絕緣破損，最終導(dǎo)致該螺栓絕緣失效，失效后會造成螺栓放電發(fā)熱，導(dǎo)致油樣超標(biāo)。

4 整改措施及效果

螺栓絕緣改用整體的聚脂絕緣套，進(jìn)一步提高螺栓絕緣的機(jī)械強(qiáng)度，見圖6。這4臺機(jī)車變壓器分別于2013年修復(fù)后上車。修復(fù)后跟蹤3臺，至今運(yùn)用跟蹤的色譜數(shù)據(jù)均在制造廠提供的色譜分析標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，見表4。

圖6 改進(jìn)的聚脂絕緣套

表4 修復(fù)后上車跟蹤的變壓器色譜數(shù)據(jù) μL/L

［1］ 錢旭耀.變壓器油及相關(guān)故障診斷處理技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2006.

［2］ 鐘洪壁.電力變壓器檢修與試驗(yàn)手冊［M］.北京:中國電力出版社，2000.

［3］ 王曉鶯.變壓器故障與監(jiān)測［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

Cause Analysis and Improvement of Transformer Side Bracket Mounting Boltdischarge Type HXD3 Electric Locomotive Traction

LI Xia
(Luoyang Locomotive Depot，Zhengzhou Railway Bureau，Luoyang 471002 Henan，China)

In this paper，several HXD3 type locomotive depots of Luoyang traction transformer attached in the application of chromatographic exceed the standard problem analysis，and the problem is in the side bracket mounting bolt discharge，points out the defects existing in the design and puts forward the corresponding suggestions.The contents of the article can be expected to good use for reference of locomotive transformer.

HXD3 locomotive;traction transformer;the side bracket mounting bolt;suggestions

U264.3+6

B

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.20

1008－7842(2015)02－0083－04

)女，高級工程師(

2014－09－28)