和諧型電力機車用變壓器油運用質(zhì)量可靠性分析與研究

馮　強

(1　中國鐵道科學研究院， 北京 100081；2　天津電力機車有限公司, 天津 300452)

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運用與檢修

和諧型電力機車用變壓器油運用質(zhì)量可靠性分析與研究

馮強1,2

(1中國鐵道科學研究院， 北京 100081；2天津電力機車有限公司, 天津 300452)

變壓器油是一種礦物型絕緣油，具有絕緣、散熱、冷卻、滅弧等多方面的功能作用，同時具有化學、電氣、低溫等方面基本特性，運行中變壓器油質(zhì)量的好壞直接關系到電力機車主變壓器的安全運行。本文結(jié)合相關研究，闡述了變壓器油油樣分析要求，并提出了變壓器油性能的主要影響因素及維護措施。

變壓器油； 電力機車； 分析； 性能； 維護

變壓器油是指用于變壓器、電抗器、互感器、套管、油斷路器等輸變電設備的礦物型絕緣油。變壓器油油樣分析試驗在鐵路和諧型大功率電力機車檢修工作中發(fā)揮著重要的作用。因為運行中變壓器油質(zhì)量的好壞直接關系到主變壓器的安全運行和使用壽命，乃至影響到整個機車系統(tǒng)的安全運行和經(jīng)濟效益。根據(jù)鐵路路網(wǎng)性規(guī)劃，天津基地作為中國鐵路總公司和諧型機車檢修基地之一，承擔東北、華北地區(qū)和諧型電力機車高級修C5、C6修。截至目前，已經(jīng)累計完成HXD3、HXD3C、HXD3B型機車高級修將近400臺。在檢修的過程中，每臺機車都要對變壓器油品進行化驗、分析，從而判斷其是否符合運用要求。本文結(jié)合相關研究，闡述了變壓器油油樣分析要求，并提出了變壓器油性能的主要影響因素及維護措施。

1　機車檢修變壓器油檢測項目及試驗方法

根據(jù)電力機車檢修技術規(guī)程和GB/T 7595-2008《運行中變壓器油質(zhì)量》的要求，歸納出變壓器油的檢測項目及試驗方法，如表1所示。

表1　運行中變壓器油檢測項目及試驗方法

2　變壓器油各個檢測項目技術指標

天津基地承擔的鐵路和諧型大功率電力機車檢修的車型和修程修制分別有HXD3型二年檢、HXD3型2次二年檢、HXD3型C5修；HXD3B型二年檢；HXD3C型二年檢、HXD3C型C5修，針對上述不同車型、不同修程修制，變壓器油各個檢測項目的技術指標也不完全相同，見表2。

由表2可知不同車型機車二年檢變壓器油檢測項目和技術指標都相同。同一車型HXD3型機車2次二年檢相比二年檢和C5修變壓器油檢測項目有所減少，而所檢項目的技術指標略有提高，這是為了降低機車檢修成本的同時提高機車檢修效率；C5修和二年檢變壓器油檢測項目相同，氣相色譜的技術指標略有差別，這是由于C5修走行公里數(shù)和檢修周期比二年檢都長，導致氣相色譜技術指標略有降低。HXD3型和HXD3C型機車C5修變壓器油檢測項目相同，氣相色譜的技術指標有所差別，這說明機車車型不同，所要求的氣相色譜技術指標也不同。

3　變壓器油油樣分析常見問題及處理方法

通過統(tǒng)計150多臺機車入廠修變壓器油油樣分析報告，發(fā)現(xiàn)變壓器油首次檢測常見不合格檢測項目有氣相色譜分析(包括H2超標、C2H2超標和總烴超標)和介質(zhì)損耗檢測，不合格率分別為45.1%和5.2%。首檢不合格的油樣經(jīng)過過濾之后，再次復檢都合格。下面選取幾臺機車油樣分析報告，并將首檢和復檢的檢測數(shù)據(jù)進行對比，如表3。

根據(jù)表3檢測數(shù)據(jù)，畫出氣相色譜首檢與復檢檢測修程修制于2015年4月1日起進行了修訂，修訂前，為二年檢、2次二年檢；修訂后，為C1～C6修，其中，C1～C4為低級修，由鐵路局自行承擔；C5、C6為高級修，由檢修基地承擔。

表2　不同車型、不同修程修制機車運行中變壓器油各個檢測項目技術指標

表3　機車運行中變壓器油油樣首檢和復檢檢測數(shù)據(jù)對比

數(shù)據(jù)對比圖(圖1)和介損首檢與復檢檢測數(shù)據(jù)對比圖(圖2)。

由圖1、圖2可以看出機車變壓器油油樣分析首檢中氣相色譜不合格項(H2超標、C2H2超標、總烴超標)及介損不合格項，經(jīng)過濾油并再次復檢后，檢測數(shù)據(jù)都達到合格標準?？梢姍C車檢修過程中變壓器油油樣分析可降低機車運行中變壓器油出現(xiàn)故障的機率，提高運用可靠性。

4　變壓器油性能影響因素分析與預防措施

變壓器油具有絕緣、散熱、冷卻、滅弧等多方面的功能作用，為了更好地發(fā)揮這些功能作用，變壓器油必須具備良好的化學、電氣、低溫等方面基本特性。針對其基本特性，結(jié)合在實際工作中近400臺機車油品分析相關檢測數(shù)據(jù)，對新車出廠時油品參數(shù)與經(jīng)過運用一定時間和走行公里數(shù)后油品性能指標的變化對比分析如下。

4.1 化學性能

4.1.1酸值

酸值是變壓器油制造及使用中的一項重要指標，酸值的大小從一定程度上反映了油的精制深度和氧化程度。低的酸值可以減少電導和對金屬的腐蝕，并使絕緣系統(tǒng)的壽命延長。酸值超過規(guī)定值則需要對變壓器油進行相應的處理，因此酸值是判斷使用中的油品能否繼續(xù)使用的一個重要參數(shù)。統(tǒng)計10臺不同車型、不同修程修制機車日常變壓器油油樣分析報告中酸值首檢值，如表4。

圖1　氣相色譜首檢與復檢檢測數(shù)據(jù)對比圖

圖2　介損首檢與復檢檢測數(shù)據(jù)對比圖

表4　不同車型、不同修程修制機車運行中變壓器油酸值首檢值

由表4可以看出不同車型、不同修程修制機車運行中變壓器油酸值首檢值都符合國標規(guī)定值(小于等于0.1 mgKOH·g-1)的要求，同時都低于投入運行前油酸值的規(guī)定值(小于等于0.03 mgKOH·g-1)。而HXD3型和HXD3C型的變壓器油酸值首檢值，C5修機車相比二年檢機車數(shù)值偏大，說明隨著走行公里數(shù)的增加及檢修周期的延長，變壓器油酸值呈現(xiàn)上升的趨勢，這表明變壓器油發(fā)生了輕微的劣化，但都符合使用要求。

為了防止運行中變壓器油繼續(xù)劣化，可以向油中添加適量的抗氧化劑。加入抗氧化劑后，能有效地改善油的氧化穩(wěn)定性，降低油氧化形成的酸性產(chǎn)物、沉淀物的含量，并抑制低分子有機酸的生成。同時，變壓器充油不足需要補油時，最好補加同牌號的油，且補加油的酸值應不低于變壓器內(nèi)的油。

4.1.2閃點(閉口)

閃點(閉口)是變壓器油的一項安全指標，是指當油品加熱到有足夠的油氣產(chǎn)生，并在其上處加一個火焰，使油氣在一瞬間著火的最低溫度。為保證變壓器的安全運行，運行中油一般要求閃點(閉口)不低于135℃，因為變壓器油閃點高于此值才能保證安全。

除此之外，閃點(閉口)還是檢驗變壓器油在儲存和使用過程中有無污染，是否混油的參考依據(jù)。原則上不同廠家生產(chǎn)的變壓器油、不同牌號的變壓器油都不宜混合使用，必須混用時只有通過混油試驗(測定混合油凝點和油泥析出試驗)后，方可混合使用。這是由于不同廠家生產(chǎn)的變壓器油、不同牌號的變壓器油，其特性和適用范圍并不完全相同。倘若變壓器充油不足需要補油時，最好補加同牌號的油，補加油的閃點(閉口)值應不低于變壓器內(nèi)的油。

隨機抽取10臺不同修程修制機車日常變壓器油油樣分析報告，其閃點(閉口)首檢值記錄如表5。

表5數(shù)據(jù)顯示：不同修程修制機車運行中變壓器油閃點(閉口)首檢值都滿足國標規(guī)定值(至少大于等于135℃)的要求，同時都高于投入運行前油閃點(閉口)的規(guī)定值(大于等于135℃)。HXD3型二年檢和C5修機車變壓器油閃點(閉口)檢測值都在150℃左右，這說明隨著機車走行公里數(shù)的增加及檢修周期的延長，變壓器油閃點(閉口)檢測值沒發(fā)生明顯的變化；但數(shù)值都遠遠超過135℃，從一定程度上保證了機車系統(tǒng)的安全運行。然而，HXD3型2次二年檢機車變壓器油閃點(閉口)檢測值都高于150℃，是由于HXD3型2次二年檢檢修規(guī)程中規(guī)定機車變壓器油閃點(閉口)大于等于140℃，這表明機車經(jīng)過一輪二年檢檢修，變壓器油或許經(jīng)過一次處理，因而其規(guī)定值會相對升高。

表5　不同修程修制機車運行中變壓器油閃點(閉口)首檢值

4.2電氣性能

4.2.1析氣性

變壓器油是由石油精煉而成的一種精加工產(chǎn)品，其主要成分為碳氫化合物，即烴類，它包括烷烴、環(huán)烷烴、烯烴、炔烴和芳香烴，如CH4、C2H4、C2H2等。變壓器油在受到電場的作用下，部分烴分子會發(fā)生裂解而產(chǎn)生氣體，這部分氣體以微小的氣泡從油中釋放出來，釋放的越多，油品的析氣量就越大。隨著小氣泡不斷地增多、連接最終形成大氣泡。由于氣體與油之間的電導率有很大差異，在高電場的作用下，油中會產(chǎn)生氣隙放電現(xiàn)象，有可能導致絕緣破壞。表6是12臺不同車型、不同修程修制機車運行中變壓器油氣相色譜首次檢測數(shù)值。

表6　不同車型、不同修程修制機車運行中變壓器油氣相色譜首檢值

表6數(shù)據(jù)表明，不同車型、不同修程修制機車運行中變壓器油氣相色譜檢測都會出現(xiàn)或多或少的不合格現(xiàn)象(如H2超標、C2H2超標、總烴超標或者同時這幾個指標多個超標)。HXD3C型C5修機車和二年檢機車相比，氣相色譜檢測不合格現(xiàn)象無明顯變化。而HXD3型變壓器油氣相色譜檢測，雖然檢修規(guī)程中規(guī)定值C5修機車比二年檢機車有所放寬，但C5修機車不合格率卻高于二年檢機車，說明隨著走行公里數(shù)的增加及檢修周期的延長，發(fā)生烴分子裂解的現(xiàn)象較多，產(chǎn)生的氣體較多，導致變壓器油的析氣量增大，其絕緣性能被破壞的可能性增加，氣相色譜檢測不合格率升高。

4.2.2擊穿電壓

作為檢驗變壓器油性能好壞主要手段之一的擊穿電壓是衡量變壓器油在變壓器內(nèi)部受電壓的能力而不被破壞的尺度?，F(xiàn)將日常10臺不同車型、不同修程修制機車運行中變壓器油擊穿電壓首檢值列于表7。

表7　不同車型、不同修程修制機車運行中變壓器油擊穿電壓首檢值

由表7可推斷出不同車型、不同修程修制機車運行中變壓器油擊穿電壓首檢值都超過國標規(guī)定值(大于等于30 kV)下限且接近國標下限值的2倍，也都高于投入運行前油擊穿電壓的規(guī)定值(大于等于35 kV)。不同車型、不同修程修制機車運行中變壓器油擊穿電壓首檢值在60 kV左右波動，且變化不大，說明擊穿電壓這一指標受機車車型、走行公里數(shù)和檢修周期影響不大。而影響機車變壓器油擊穿電壓的主要因素如下：

(1) 電場的均勻程度和油的流動速度。

因平時每2次檢測之間，一般都進行攪拌然后至少靜置6 min以保證電場均勻和油的穩(wěn)定，從而減少此因素的影響，確保檢測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、可靠。

(2) 環(huán)境濕度。

趙艷麗[1]在試驗溫度20℃下，考察了環(huán)境濕度對25號變壓器油擊穿電壓的影響，結(jié)果表明當環(huán)境濕度在50%～60%時，對變壓器油擊穿電壓影響不大，當環(huán)境濕度達到70%時，空氣中的水侵入油中，擊穿電壓明顯降低。為此，進行變壓器油擊穿電壓檢測的實驗室常規(guī)要求環(huán)境濕度低于60%，這是為了保證檢測數(shù)據(jù)的 真實與可靠。

(3) 水分、溫度和雜質(zhì)。

溫度通過改變水的溶解度及狀態(tài)來影響油品的擊穿電壓，對未受潮油品的擊穿電壓影響很小[2]。充入變壓器的油，不應有懸浮水，更不允許有沉積水。

(4) 含氣量。

含氣量是變壓器油的主要控制指標，直接影響超高壓變壓器的絕緣性能。運行中變壓器油含氣量最好不超過4%，500 kV變壓器油含氣量控制在0.5%以內(nèi)[3]。

為了避免機車運行中變壓器油擊穿電壓受到外界污染，防止其劣化可采取如下性能維護措施：

(1) 變壓器充油不足需要補油時，最好補加同牌號的油，補加油的擊穿電壓指標值不低于變壓器內(nèi)的油。

(2) 安裝油保護裝置( 包括呼吸器與密封式儲油柜)，以防止水分、氧氣和其他雜質(zhì)侵入，使變壓器油不受潮，延長其使用壽命。

(3) 安裝油連續(xù)再生裝置即凈油器，既能有效防止外界水分侵入，又能清除油中存在的水分，游離碳和其他老化產(chǎn)物，從而有效防止其劣化。

4.2.3介質(zhì)損耗因數(shù)

介質(zhì)損耗因數(shù)受極性化合物、離子化雜質(zhì)、微生物、變壓器油精制深度等的影響，即使微量的污染就能使這項數(shù)值增加幾千倍。通過對10臺不同車型、不同修程修制機車運行中變壓器油介質(zhì)損耗因數(shù)首檢值進行分析，見表8。

表8　90℃ 不同車型、不同修程修制機車運行中變壓器油介質(zhì)損耗因數(shù)首檢值

由表8數(shù)據(jù)可知90℃時，相比HXD3C型二年檢和HXD3型C5修，HXD3型二年檢機車運行中變壓器油介質(zhì)損耗因數(shù)首檢值不合格率較高，說明其在運行中變壓器油受污染的概率較大。與投入運行前油介質(zhì)損耗因數(shù)相比，HXD3C型二年檢機車運行中變壓器油數(shù)值遠遠低于其下限值(小于等于0.01)，HXD3型C5修機車運行中變壓器油此數(shù)值忽高忽低且高于其下限值(小于等于0.01)的概率較大，說明HXD3C型二年檢機車變壓器油受污染的概率很低，性能維護及防劣化措施工作做得很好；而HXD3型C5修機車由于其走行公里數(shù)和檢修周期都較長，在運行過程中不可避免會受到相應的污染，導致油的劣化，使其數(shù)值高于投入運行前油的介質(zhì)損耗因數(shù)值。然而，首檢值不合格的機車變壓器油經(jīng)過濾油處理并再次復檢，其介損值都達到國標規(guī)定值并符合要求。

4.3低溫性能

變壓器油的另一主要作用為散熱冷卻，這就要求其在運行溫度下有較低的黏度。尤其在西北和東北的冬季，較低的低溫黏度才能保證變壓器油的正常運行。油品的低溫流動性與正構烴(蠟)含量密切相關，變壓器油必須含蠟少才能具有良好的低溫性能。本身含蠟少的環(huán)烷基油，無需繁瑣的脫蠟工藝就可以生產(chǎn)低溫性能良好的變壓器油，從低溫性能角度考慮，選擇環(huán)烷基變壓器油更合適。

5　結(jié)　論

運行中變壓器油的好壞，直接關系到主變壓器的正常運行。主變壓器是鐵路和諧型大功率電力機車的重要設備，主變壓器能否正常運行關系到機車運行系統(tǒng)的安全，因此，抓好變壓器油油樣分析與研究，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，同時搞好變壓器油的性能維護工作，這些是提高機車系統(tǒng)安全運行的重要保障。

[1]趙艷麗，王雪梅.變壓器油擊穿電壓影響因素探討[J].石油商技，2011，29(4)：45-47.

[2]王健一，凌愍，劉雪麗.變壓器油性能指標解讀[J].石油商技，2009，27(5)：26-29.

[3]王乾，楊立新.變壓器油電氣性能的影響因素分析[J].電力建設，2008，29(8)：61-65.

Analysis of Reliability of Transformer Oil in Harmony Type Electric Locomotive

FENG Qiang1，2

(1China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China;2Tianjing Electric Locomotive Co., Ltd., Tianjin 300452, China)

Transformer oil with the extensive function of insulation, heat dissipation, cooling, arc extinction, and so on is a kind of mineral insulating oil, that has the basic characteristics of the chemical, electrical, low temperature, etc, and the quality of working transformer oil is directly related to the safe running of the main transformer of electric locomotive. In this paper, combined with related research the requirements of transformer oil analysis were expounded. The main influencing factors and maintenance measures in transformer oil performances were also put forward.

transformer oil; electric locomotive; analysis; performance; maintenance

1008-7842 (2016) 01-0064-06

男，教授級高級工程師(

2015-07-13)

U264.3+6

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.16