一種新型電氣設備故障檢修校驗裝置的設計與應用

吳光龍

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一種新型電氣設備故障檢修校驗裝置的設計與應用

吳光龍

提出一種新型電氣設備故障檢修校驗裝置設計，并通過一起所用變壓器故障檢修實例對該設計裝置進行應用分析，說明該裝置設計在電氣設備故障檢修中的作用。

故障檢修；鐵路牽引變；便攜式；保護錄波

0 引言

鐵路是國家重要的交通基礎設施，也是資源型和環(huán)境友好型運輸方式之一，加快鐵路發(fā)展已成為社會各界的共識。鐵路不僅是國民經濟發(fā)展的大動脈，而且兼具安全、經濟、便民、實惠、全天候運輸，速度快、運能大、安全舒適、節(jié)能省地、減排高效等特點，這些特點決定了其為大眾化的交通工具，也決定了其在我國綜合交通體系中的重要地位。

電氣化鐵路牽引變電所設備的安全對鐵路牽引供電至關重要。目前電氣化鐵路牽引變電所易發(fā)故障包括電力電纜故障、自耦變壓器故障、接觸網故障以及絕緣子絕緣能力下降、電能諧波等引起的牽引變電設備故障等，這些故障大多存在一定潛伏時間，若不及時發(fā)現和處理，將引發(fā)嚴重事故并伴隨重大損失[3～9]。作為鐵路運營維護人員，研究和掌握設備運行情況，及時發(fā)現和消除故障隱患，提高設備運行質量，對提高牽引供電系統的安全性和可靠性，保證設備正常運行具有重要的實際意義。

本文提出一種綜合故障錄波、保護、自帶電源及后臺管理軟件等多種功能為一體的電氣設備故障檢修校驗裝置，并通過故障檢修應用實例分析，說明該裝置設計在電氣設備故障檢修中的作用，與現有常規(guī)方案相比具有更好的效益。

1 檢修裝置設計概述

目前，多數牽引變電所內供電系統雖然已經配備了完善的保護設備和相應設施，但是在發(fā)現設備自身故障和檢修、校驗方面仍然存在薄弱環(huán)節(jié)，自動化程度低，同時一些測試儀器通常存在功能單一、精度和工作質量差、使用繁瑣、性價比低等問題。針對該情況，提出一種基于便攜式設計的綜合保護錄波檢修校驗裝置。該裝置設計以高精度、高密度數據采集為檢修校驗分析基礎原理，融合了保護、錄波、故障自動判別以及故障自動切除等功能，同時自帶壓值可調的標準恒壓電源、支持自匹配的信號轉換器以及功能豐富的后臺軟件，能夠滿足大部分電氣設備的日常維護、故障檢修、故障分析及校驗等工作。

裝置由可調低壓穩(wěn)壓電源、低壓斷路器、（斷路器）控制單元、便攜式數據同步錄波單元、匹配互感器和后臺軟件等部分構成?？烧{低壓穩(wěn)壓電源可按需輸出穩(wěn)定電壓，回路中串入低壓斷路器和相應的控制單元，可實現自動保護跳閘，保護回路中設備的安全；便攜式數據同步錄波單元用于對多路模擬量和開關量進行高時間精度同步錄波，與后臺軟件通信可進行多通道相互關聯分析，實現故障自動判別、自動觸發(fā)故障錄波等功能。為保證電氣信號檢測精度與準確度，同時拓展裝置適用范圍，裝置具備以下技術特性：

（1）便攜式數據同步錄波單元可實現高頻、同步采集32路模擬量和16路開關量通道信號；

（2）便攜式數據同步錄波單元采用16位高速A/D芯片，每通道采樣頻率高達10 kHz，開關量分辨率可達0.1 ms；

（3）該裝置不僅可監(jiān)測普通電壓、電流等信號，還可實現對電網電能質量的計算監(jiān)測，包括頻率偏差、電壓偏差、三相電壓（電流）不平衡度、諧波等（表1）；

（4）各種電氣信號均可通過匹配合適的互感器轉換為3.53 V以下電壓信號，并采用該裝置進行故障檢修；

（5）該裝置能夠自動判別異常狀況，實現故障波形自動記錄，觸發(fā)啟動方式多樣，包括突變、越限、開關量動作及手動啟動等；

（6）便攜式數據同步錄波單元可接入校時信號，多個采集設備共同構成故障錄波系統，適合大規(guī)模電氣設備及相關系統的測試、檢修。

該裝置全部采用便攜式設計，體積小、質量輕，且能長時間帶電帶載運行，適合各種檢測場合。同時后臺軟件具備強大的數據分析功能，例如峰值/有效值分析、諧波分析、阻抗分析、相角分析，還具備圖形界面處理功能，通過縮放、對比等直觀顯示數據結果，有利于提高分析速率，提高工作效率。

表1 功能詳表

2 應用分析

2.1 故障概況

在對某變電所交直流設備進行檢查及缺陷處理時，發(fā)現交流屏存在告警信息，在對1#進線電壓進行測量時發(fā)現B相無電壓，值班人員向電調申請拉開所用變隔離開關，對1#自用變熔斷器進行檢查，發(fā)現1RD熔斷器熔斷。

造成高壓熔斷器熔斷的直接原因是過電壓、過電流等，其根本原因可能是鐵磁諧振產生的過電壓或系統三相對地電容產生充放電等，也可能是其他設備故障造成過電壓、過電流[10]。盡管設備告警故障未造成嚴重后果，但該現象可能成為牽引變壓器的安全隱患，而牽引變壓器是牽引供電系統與電力系統銜接的重要電氣設備，其能否正常運行直接關系到電氣化鐵路能否安全、可靠和高效地運行，如果按照常規(guī)辦法處理即對熔斷器進行更換后向電調申請合上所用變開關，不進行故障分析，將可能錯過消除設備隱患的最佳時機。

2.2 故障查找與處理方案

目前，常用的變壓器故障檢測方法是測試變壓器直流阻抗，可檢查繞組接頭的焊接質量和繞組有無匝間短路，電壓分接開關的各個位置接觸是否良好以及分接開關實際位置與指示位置是否相符，引出線有無斷裂，多股導線并繞的繞組是否有斷股等。但市場現有的直流阻抗測試裝置性能不一，對于存在隱患但阻抗變化不明顯的變壓器，容易造成隱患漏診。本案例中，首先利用普通阻抗測試裝置對變壓器繞組直流電阻進行測試。直流電阻測試數據如表2所示。

表2 故障檢測前直流電阻測試數據

電氣設備試驗規(guī)程規(guī)定：對于1.6 MV·A及以下的變壓器，相間差一般不大于三相平均值的4%；線間差一般不大于三線平均值的2%。

高壓側三線實測電阻值的平均值為

AB線與BC線間電阻差為

AC線與BC線間電阻差為

該所用變壓器接線方式為三角形順聯接線，如圖1所示。

圖1 變壓器接線

將線電阻換算為相電阻：

對于高壓側繞組的AB線與BC線、AC線與BC線線間直流電阻差值分別為5.3W和5.5W，差值均不大于三線平均值的2%，相間阻抗差值不大于三相平均值的4%，三相基本平衡?？紤]到該變壓器可能存在性能下降趨勢和普通直流阻抗測試裝置本身誤差等因素，不能直接排除變壓器不存在隱患故障點。為探究變壓器是否存在故障隱患，采用本文所述新型故障檢修裝置對其進行檢測，檢測裝置接線及原理如圖2所示。

圖2 故障檢修裝置結構及檢測原理

裝置故障檢測工作原理：低壓電源為電壓值可調的理想穩(wěn)壓低壓電源，直接施加在變壓器高壓側，用于檢測變壓器各相電壓承受能力，記錄工作波形。斷路器與低壓電源串聯，接受控制單元控制，可在故障時迅速切斷回路，確保變壓器等設備安全。保護控制單元與便攜式數據同步錄波單元及后臺軟件通信，用于實現斷路器保護動作自動判斷和控制。便攜式數據同步錄波單元通過高頻、同步采集變壓器各側各模擬量，記錄實驗數據，與后臺軟件通信，實現故障自動判別和數據自動記錄。匹配互感器用于將被測信號轉換成便攜式數據同步錄波單元可直接采集的小電壓信號。軟件后臺對便攜式數據同步錄波單元各模擬量數據進行收集和實時處理，判別異常數據和故障信息，并觸發(fā)故障錄波，同時與控制單元通信，實現自動保護功能，保障變壓器設備安全。

檢測時，分別對被測相間高壓側施加電壓值可調的穩(wěn)壓源，并串聯保護斷路器，通過匹配互感器（PT、CT等）將被測相別的高壓側電壓、高壓側電流、低壓側電壓轉換成小電壓信號并接入便攜式數據同步錄波單元；搭建保護控制單元與斷路器、便攜式數據同步錄波單元、軟件后臺的通信鏈路；通過后臺軟件對故障觸發(fā)條件和相關定值進行設定，并啟動故障錄波程序；然后由低到高逐漸增加穩(wěn)壓電源電壓值，電壓增至最高后，逐漸減小電源阻抗，直至電壓輸出最大，阻抗輸出最小，并持續(xù)一段時間，若未發(fā)生保護動作，則手動啟動錄波，記錄此時各監(jiān)測數據；若在檢測過程中發(fā)生保護動作或故障錄波，則停止增加電源輸出，對故障錄波數據進行分析。

2.3 故障數據分析

按上述方案依次對變壓器高壓側AB、BC、AC線間進行加電源檢測及錄波，檢測過程中，AB、AC兩線間高壓側可承受大電流通過，BC線間高壓側承受電流較大時發(fā)生保護跳閘動作并觸發(fā)故障錄波。AB、AC線間波形報告及BC線間故障錄波圖形報告如圖3所示（為便于分析，圖形處理已剔除涌流成分）。

AB線間波形如圖3（a），數據顯示高壓側電壓為379.454 V（取5個時刻平均值），電流為 1.352 A（取5個時刻平均值），阻抗280.66W，低壓側電壓14.397 V，電流持續(xù)10 min無異常，波形持續(xù)正常，阻抗范圍符合相應等級變壓器參數。AC相波形如圖3（b），數據顯示高壓側電壓為379.536 V（取5個時刻平均值），電流為 1.350 A（取5個時刻平均值），阻抗281.13W，低壓側電壓14.398 V，電流持續(xù)10 min無異常，波形持續(xù)正常，阻抗范圍符合相應等級變壓器參數。BC線間故障波形如圖3（c），顯示在發(fā)生故障前，高壓側電壓為379.545 V，電流為1.409 A，阻抗269.37W，低壓側電壓14.40 V，故障時刻后82 ms發(fā)生保護跳閘動作，變壓器B相高壓側與電源斷開，高壓側電壓為0，電流為0，低壓側電壓為0。

根據波形報告及數據推斷，BC線間在承受電流過程中，因本身已出現阻抗降低，過電流偏大，且過電流過程中加劇了故障，阻抗進一步降低，同時過電流偏大觸發(fā)故障錄波并啟動保護動作，從故障錄波數據阻抗分析可知，BC線間故障時刻阻抗比檢測前測量值偏低。

從運行環(huán)境分析，該故障變壓器運行于蘭新客專及敦格鐵路，由于特殊的地理位置和氣候條件，集高海拔、髙寒、晝夜溫差大、常年風沙等特點于一體，敦格鐵路沙塵天氣更為顯著，其供電設備運行環(huán)境較為特殊，設計采用供電設備室內布置及室外布置2種方式，一些設備在設計時，未充分考慮運行環(huán)境的影響，導致供電系統電能質量較差。結合數據分析結果判斷，該故障變壓器可能由于在運行過程中諧波過電壓或該產品的線圈導線在絕緣加工過程中存在缺陷造成高壓繞組匝間絕緣損傷導致匝間短路，或由于變壓器高壓繞組匝數多、線徑細，匝間絕緣擊穿導致匝間短路，也可能是受嚴酷的運行環(huán)境、較大晝夜溫差和空氣濕度等綜合因素影響，導致變壓器B相繞組絕緣性能降低。

為進一步驗證數據分析結果，對故障變壓器進行返廠跟蹤。變壓器返廠后進行吊芯檢查，發(fā)現變壓器器身變形，污染嚴重，高壓側A、C相無明顯變形，B相移位變形較為明顯，變壓器油碳化較嚴重。這一現象與上述檢測結果和數據故障錄波報告、分析結果一致，驗證了數據分析結果的正確性。

2.4 方案效益分析

按照一般告警事故處理常規(guī)做法，發(fā)現B相熔斷器熔斷后對其進行更換，并測量變壓器的直流阻抗位于正常范圍內（一些站點在處理此類故障時并不對其進行檢測），然后向電調申請合上所用變開關。

按照設備實際情況進行推斷，該常規(guī)處理方案可能造成以下幾種后果：

（1）合閘后裝置運行一段時間后，熔斷器再次熔斷，產生告警，設備未發(fā)生嚴重損壞。而熔斷器的工作原理是當電流超過規(guī)定值時，以本身產生的熱量使熔斷器熔斷，保護電路中的其他設備。新的熔斷器熔斷需要電流超過限值并且持續(xù)一段時間才能發(fā)生。而且不排除熔斷器熔斷后，維護人員更換略大規(guī)格的熔斷器的可能，綜合因素作用，該情況發(fā)生概率不高。

（2）合閘運行一段時間后，該故障變壓器絕緣性能繼續(xù)降低，B相承受較大電流，加劇變壓器劣化趨勢，導致變壓器先于熔斷器發(fā)生損毀。該變壓器為銀川臥龍公司生產，管內100 kV·A的變壓器有9臺，50 kV·A的變壓器有24臺，變壓器故障可能會同時引發(fā)一系列設備故障。若按照一般告警事故處理常規(guī)做法進行處理，則上述（1）情況發(fā)生后，可能仍然不會發(fā)現變壓器故障，更換熔斷器后繼續(xù)運行，直至發(fā)生變壓器損毀，造成嚴重事故和損失。綜合來看，該情況發(fā)生概率較大。

本文提出的裝置采用便攜式設計，非常適合故障檢修、常規(guī)巡檢等。裝置結合了故障錄波、保護、阻抗分析等功能，在操作實施上簡單易行，在安全性能上表現良好，功能上實現了半自動化，且能夠精確檢測故障隱患，自動保存故障數據，解決了直流阻抗測試裝置在應用中的缺陷，幫助精確定位隱患和故障點，保護設備并減少損失。

3 裝置優(yōu)勢分析

該裝置在應用時具有如下優(yōu)勢：

（1）同步錄波裝置采用便攜式設計，使用方便；

（2）可同時對16個模擬量和8個開關量進行故障測試。設計完全能夠滿足電氣化鐵路牽引變電所各種設備的多個監(jiān)測點的故障檢測和同步錄波，同時配有校時輸入端子，能夠方便用戶進行系統較多監(jiān)測量的檢測故障錄波；

（3）自帶保護跳閘功能，能夠自動檢測故障，并控制跳閘，及時保護設備安全，減少損失；

（4）能夠對一些設備例如變壓器等提供可變電源輸入，對不同電壓、電流過載狀態(tài)下的設備數據進行檢測，降低漏檢概率，解決現有普通設備檢測缺陷；

（5）裝置設計可應用于多種場合、多重電氣設備的故障隱患檢修，適應性強，便于攜帶檢測；

（6）后臺功能設計可拓展，帶有諧波分析、相角分析等綜合數據分析功能，為故障分析提供了豐富的工具。

4 結語

本文提出一種綜合了保護、故障錄波、校驗、電能質量分析、阻抗檢測分析等多種功能于一體的故障檢修裝置，尤其適用于一次設備故障潛伏期測試檢修校驗、早期故障及上位演變?yōu)楸Ｗo跳閘事故的故障查修。針對一起鐵路牽引變電所的變壓器故障導致的告警事件進行應用案例分析，在故障處理和隱患故障查找上表現良好，驗證了該裝置設計功能。與一般故障檢修常規(guī)處理方式進行了對比和效益分析，該方案簡單易行，裝置便于攜帶，安全性高，漏檢率低，綜合功能豐富，可用于多種設備的故障檢修維護和系統的常規(guī)檢修。

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Trouble shooting; railway traction transformer; portable type; protection recording

U226.7

A

1007-936X(2018)02-0024-06

2017-08-09

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.02.006

吳光龍.中國鐵路蘭州局集團有限公司嘉峪關供電段，高級工程師，研究方向為電力牽引供電運營管理。