動(dòng)車組牽引變壓器繞組變形測(cè)試技術(shù)研究

楊斯泐， 郭晨曦， 李 強(qiáng)

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

牽引變壓器是動(dòng)車組整個(gè)高壓系統(tǒng)中的核心設(shè)備之一，是保障動(dòng)車組平穩(wěn)運(yùn)行和牽引供電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)安全的關(guān)鍵部件。動(dòng)車組牽引變壓器運(yùn)輸和安裝期間可能發(fā)生的意外碰撞，動(dòng)車組短時(shí)發(fā)生的短路故障產(chǎn)生的電動(dòng)力,可能造成變壓器的損壞,嚴(yán)重影響變壓器繞組的狀態(tài), 對(duì)變壓器內(nèi)部絕緣距離產(chǎn)生影響，繞組變形造成絕緣損傷會(huì)導(dǎo)致局部放電現(xiàn)象的發(fā)生。如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)變形,可能引發(fā)動(dòng)車組主回路故障。機(jī)械外力造成的繞組結(jié)構(gòu)變化是牽引變壓器絕緣破壞的重要原因。振動(dòng)、短路過(guò)程中的電動(dòng)力，繞組內(nèi)部結(jié)構(gòu)自然老化都會(huì)引起繞組的變形。定期檢查變壓器繞組變形的程度能夠有效防止變壓器絕緣失效等風(fēng)險(xiǎn)，防止安全事故的發(fā)生，并節(jié)省檢修維護(hù)的成本。

對(duì)動(dòng)車組牽引變壓器進(jìn)行繞組變形測(cè)試研究，分析比較衰減曲線的變化，能夠發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的許多問(wèn)題：①鐵芯位移；②繞組異常變位和形變；③鐵芯接地故障；④繞組折疊故障；⑤夾件松動(dòng)和斷裂；⑥繞阻異常開(kāi)路和匝間瞬時(shí)短路。

動(dòng)車組在運(yùn)行過(guò)程中，牽引變壓器繞組除了承受工作電流產(chǎn)生的電動(dòng)力之外，還必須長(zhǎng)期承受車體帶來(lái)的變壓器振動(dòng)影響。為掌握牽引變壓器運(yùn)行狀態(tài)，了解運(yùn)行環(huán)境可能對(duì)變壓器絕緣結(jié)構(gòu)造成的影響，從而進(jìn)行變壓器繞組變形的追蹤試驗(yàn)研究。

1 動(dòng)車組牽引變壓器的結(jié)構(gòu)及繞組變形分析

1.1 動(dòng)車組牽引變壓器的結(jié)構(gòu)

目前各類型的動(dòng)車組廣泛采用多個(gè)牽引變壓器布局，多為動(dòng)力分散形式，牽引變壓器進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化提供給牽引變流器。某型動(dòng)車組牽引變壓器由1個(gè)原邊繞組、4個(gè)次級(jí)牽引繞組和1個(gè)次級(jí)濾波器繞組組成。4個(gè)次級(jí)牽引繞組對(duì)應(yīng)4組牽引變流器單元，由原邊繞組把接觸網(wǎng)27.5 kV等級(jí)高電壓轉(zhuǎn)換為次級(jí)牽引繞組較低電壓等級(jí)，并有次級(jí)濾波裝置進(jìn)行濾波。濾波器回路由濾波電阻、濾波電容和保險(xiǎn)絲等組成，能夠有效吸收操作過(guò)電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓沖擊，從而保護(hù)牽引變流器的功率元件。

動(dòng)車組牽引變壓器結(jié)構(gòu)為芯式臥放形式。由鐵芯、線圈組成的器身及引線構(gòu)成其主體結(jié)構(gòu)。兩組芯柱旁軛和矩形鐵軛組成的芯式結(jié)構(gòu)構(gòu)成鐵心磁路。如圖1所示的鐵芯裝配圖，鐵軛硅鋼片沖孔后采用穿心螺桿緊固，苯乙烯塑料綁帶綁扎芯片，使鐵芯成為堅(jiān)固的整體結(jié)構(gòu)，并適應(yīng)臥式安裝的要求。

圖1 鐵芯裝配圖

動(dòng)車組變壓器繞組線圈結(jié)構(gòu)采用層式，絕緣等級(jí)為A級(jí)，牽引變壓器3組繞組從里到外的順序?yàn)椋籂恳@組、濾波繞組及高壓繞組，如圖2為繞組剖視圖。端環(huán)的準(zhǔn)確程度高，能夠有效的保障繞組定位的精確，從而減少軸向短路作用力的影響。

圖2 繞組布置剖視圖

為了空間的緊湊性，引線一般為頂部出線，銅排和圓銅棒為引線的主要材質(zhì)，含銀焊料的焊接保障引線的接觸性良好。高強(qiáng)度的層壓木板作為引線的支架預(yù)防松動(dòng)。T形頭為原邊引線常用結(jié)構(gòu)。接線端子結(jié)構(gòu)用于二次側(cè)引線，布置于變壓器側(cè)面。

1.2 牽引變壓器繞組變形的形式

由于出口短路時(shí)在過(guò)電流產(chǎn)生的電動(dòng)力作用，牽引變壓器會(huì)在運(yùn)行狀態(tài)下產(chǎn)生繞組變形。繞組的機(jī)械強(qiáng)度有限，多次峰值短路電流的沖擊，會(huì)逐步形成繞組的永久性形變。同時(shí)動(dòng)車組長(zhǎng)期運(yùn)行于高速振動(dòng)狀態(tài)下，不同速度等級(jí)和不同線路條件所產(chǎn)生的振動(dòng)，同樣會(huì)對(duì)繞組產(chǎn)生不良影響。

短路產(chǎn)生的電動(dòng)力按照復(fù)雜規(guī)律劇烈變化，從而造成變壓器線圈變形。變壓器線圈多以銅或鋁線段并由絕緣墊塊隔離所構(gòu)成的。由于銅或鋁的材質(zhì)都較軟，無(wú)法承受巨大電動(dòng)力沖擊，在絕緣墊塊受到?jīng)_擊失效時(shí)，變壓器線圈整體產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度降低甚至失效。

如圖3所示，軸向力和徑向力是作用在變電器上電動(dòng)力的兩種形式。牽引變壓器的繞組結(jié)構(gòu)是徑向力作用于牽引繞組和濾波繞組之間，使內(nèi)部牽引繞組線圈壓縮，外部濾波繞組線圈拉伸，具體作用方向與線圈相互位置及其電流的方向有關(guān)。軸向力產(chǎn)生的壓縮力可使銅或鋁線段、線匝和絕緣隔墊等以垂直方式彎曲變形，并影響到鐵芯，使內(nèi)側(cè)牽引繞組脫離芯柱。

圖3 電動(dòng)力產(chǎn)生的繞組變形形式

電動(dòng)力會(huì)使動(dòng)車組牽引變壓器發(fā)生局部變形和整體變形。在頻繁電動(dòng)力作用下局部變形會(huì)逐步發(fā)展為整體變形。

圖4 壓縮力造成的繞組變形

壓縮力會(huì)導(dǎo)致局部變形。牽引繞組等內(nèi)部繞組受到壓縮力作用首先產(chǎn)生局部鼓包或塌陷變形(如圖4)，逐步發(fā)展為繞組的整體變形。

由于繞組發(fā)生鼓包、扭曲、移位等不可恢復(fù)的變形現(xiàn)象而導(dǎo)致絕緣損壞，表征出多種形式的初始故障，如局部放電現(xiàn)象，耐受值降低等。絕緣強(qiáng)度會(huì)隨著使用時(shí)間和承受短路沖擊的次數(shù)而下降，從發(fā)生餅間擊穿、匝間短路、主絕緣放電現(xiàn)象，直到牽引變壓器完全擊穿事故。

2 變壓器繞組變形的檢測(cè)方法及原理

2.1 變壓器繞組變形的主要測(cè)試方法

變壓器繞組變形導(dǎo)致變壓器測(cè)試過(guò)程中各種參數(shù)的變化，從而有多種測(cè)試?yán)@組變形的方法。主要包括：阻抗變化測(cè)量法；頻率響應(yīng)分析法；低壓脈沖法；傳遞函數(shù)法，雜散損耗頻率響應(yīng)法等。

繞組變形后，變壓器磁阻和阻抗參數(shù)均隨之發(fā)生變化。阻抗測(cè)量法就是測(cè)量變壓器繞組變形后的磁阻、阻抗和繞組變形的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

頻率響應(yīng)法和低壓脈沖法是從頻域和時(shí)域兩個(gè)方面研究變壓器繞組變形，本質(zhì)上是一種測(cè)試原理，相互關(guān)聯(lián)。目前實(shí)踐中更多采用頻率響應(yīng)分析法，因?yàn)轭l響法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)施更為靈活，抗干擾能力強(qiáng)，試驗(yàn)接線簡(jiǎn)單，頻譜圖質(zhì)量穩(wěn)定。

雜散損耗頻率響應(yīng)法主要對(duì)繞組的渦流損耗變化進(jìn)行分析。繞組變形引起的匝間短路、導(dǎo)線并聯(lián)短路等故障，會(huì)導(dǎo)致渦流損耗明顯增加，是此方法的基礎(chǔ)。

2.2 頻響分析法測(cè)試原理

主要采用頻響分析法對(duì)繞組變形進(jìn)行測(cè)試。頻響分析法的測(cè)試原理如圖5所示，將不同頻率的正弦掃頻電壓信號(hào)Vs依次輸入，對(duì)不同掃描頻率下繞組激勵(lì)入口端的對(duì)地電壓信號(hào)Vi(f)和響應(yīng)出口端對(duì)地電壓信號(hào)Vo(f)信號(hào)進(jìn)行記錄，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在不同頻率下的響應(yīng)端電壓Vo和激勵(lì)端電壓Vi的信號(hào)幅值之比，從而得到變壓器繞組的傳遞函數(shù)H(f):

H(f)=20log[Vo(f)/Vi(f)]

式中：H(f)為頻率f時(shí)傳遞函數(shù)的模│H(jω)│；Vo(f)和Vi(f)為頻率為f時(shí)響應(yīng)端和激勵(lì)端電壓的峰值或有效值│Vo(jω)│和│Vi(jω)│。

將頻率響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行頻譜分析，得出頻譜曲線從而判斷變壓器繞組變形情況。[1]

圖5 頻響分析法測(cè)試原理圖

頻響分析法把牽引變壓器的每個(gè)繞組等效為由線性電阻、電容、電感(互感)等分布參數(shù)構(gòu)成的無(wú)源線性雙端口網(wǎng)絡(luò)等值電路，傳遞函數(shù)H(jω)描述為繞組變形的內(nèi)部特征參數(shù)，如圖6所示。繞組內(nèi)部的電容、電感參數(shù)會(huì)隨著繞組狀態(tài)發(fā)生變化，若產(chǎn)生繞組變形現(xiàn)象，會(huì)使等效網(wǎng)絡(luò)中傳遞函數(shù)H(jω)的零點(diǎn)和極點(diǎn)發(fā)生變化，從而網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性能夠反映繞組變形的程度，具體描述為激勵(lì)端和響應(yīng)端之比反映幅頻響應(yīng)曲線。

圖6 頻率響應(yīng)分析法的繞組等值電路

等值網(wǎng)絡(luò)電路圖6中：L、K及C分別代表繞組單位長(zhǎng)度的分布電感、分布電容及對(duì)地分布電容；V1、V2分別為等效網(wǎng)絡(luò)的激勵(lì)端電壓和響應(yīng)端電壓，VS為正弦波激勵(lì)信號(hào)源電壓，RS為信號(hào)源輸出阻抗，R為匹配電阻。

3 基于頻響分析的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試研究

3.1.1試驗(yàn)準(zhǔn)備

繞組變形測(cè)試應(yīng)做以下準(zhǔn)備工作：

(1)變壓器停止工作處于靜置狀態(tài)，解開(kāi)動(dòng)車組牽引變壓器本體所有端子連接線。

(2)拆除所有與被試變壓器套管連接線，并使這些連接線盡可能的遠(yuǎn)離變壓器套管，以減少雜散電容的影響。

(3)設(shè)備和變壓器可靠接地，接地能夠保護(hù)儀器設(shè)備，并使高頻電流的流向正常，能夠獲得測(cè)量結(jié)果的一致性和可重復(fù)性。

3.1.2各型動(dòng)車組牽引變壓器試驗(yàn)接線

繞組變形測(cè)試設(shè)備的掃頻信號(hào)應(yīng)從變壓器繞組的末端輸入，首端輸出。不同繞組組別應(yīng)分別進(jìn)行測(cè)試，對(duì)于動(dòng)車組牽引變壓器的不同接線組別，繞組變形測(cè)試的接線方式也不同。

如表1為各類型典型動(dòng)車組，繞組組別分類(單臺(tái)變壓器)。

表1 動(dòng)車組繞組組別分類

打開(kāi)高壓箱底板和牽引變壓器牽引繞組出線蓋板后根據(jù)圖7，圖11變壓器示意圖接線，接線應(yīng)保證測(cè)量阻抗的接線鉗與變壓器出線端子夾緊密接觸。如線夾上有導(dǎo)電膏或銹跡，必須使用砂布或干燥的棉布擦拭干凈。

圖7 CRH380AL牽引變壓器接線圖

CRH380AL動(dòng)車組，原邊繞組U-V：輸入端接高壓套管U，試驗(yàn)接線位置如圖8所示；輸出端接地端V，如圖9所示。

牽引繞組S4-S3：輸入端接S4，輸出端接S3；

牽引繞組S2-S1：輸入端接S2，輸出端接S1；

圖8 U端接線位置圖

CRH380B動(dòng)車組，原邊繞組U-E：輸入端接高壓套管U；輸出端接接地端V；牽引繞組1.1-1.2輸入端接1.1，輸出端接1.2。

圖9 V端接線位置圖

圖10 S端接線位置圖

圖11 CRH380B牽引變壓器接線圖

4 試驗(yàn)結(jié)果研究

4.1 主要分析方法

對(duì)變壓器繞組變形進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，主要采用縱向或橫向比較方法來(lái)分析其幅頻響應(yīng)特性。結(jié)合牽引變壓器繞組結(jié)構(gòu)形式、短路故障造成的沖擊、絕緣沖擊耐壓等試驗(yàn)因素及油中溶解氣體分析等因素。參考相關(guān)系數(shù)的大小可作為輔助手段，能夠表述變壓器繞組變形后幅頻響應(yīng)特性變化趨勢(shì)。

(1)縱向比較法，分析動(dòng)車組牽引變壓器繞組變形情況，需要結(jié)合動(dòng)車組修程進(jìn)行。動(dòng)車組運(yùn)行一個(gè)固定修程后，對(duì)相同動(dòng)車組、相同變壓器、相同繞組、相同端子接線狀態(tài)的不同運(yùn)營(yíng)周期的幅頻響應(yīng)特性變化進(jìn)行縱向比較。

該方法需在相同測(cè)試條件下進(jìn)行，能夠排除檢測(cè)時(shí)不同環(huán)境條件的影響，采用相同的檢測(cè)接線方式，以第一次頻率響應(yīng)曲線作為基礎(chǔ)，進(jìn)行分析比較，此種方式檢測(cè)靈敏度和判斷準(zhǔn)確性較高，但周期長(zhǎng)，測(cè)試一致性要求高。

(2)橫向比較法，分析動(dòng)車組牽引變壓器繞組變形情況，需對(duì)同一編組動(dòng)車組不同動(dòng)力單元變壓器在同一電壓等級(jí)下進(jìn)行幅頻響應(yīng)特性進(jìn)行比較，因?yàn)椴煌瑒?dòng)力單元變壓器均采用同一型號(hào)產(chǎn)品和同一廠家，具備天然的一致性。該方法能夠通過(guò)一次測(cè)試得出測(cè)試結(jié)果，便于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用，但應(yīng)排除相同動(dòng)車組不同動(dòng)力單元牽引變壓器的發(fā)生相似程度的變形或者同一牽引變壓器不同類型繞組的幅頻響應(yīng)特性本身存在差異的可能性。

4.2 繞組變形波形分析

牽引變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)特性曲線分析判斷主要為物理特性和定性分析為主，無(wú)法明確使用標(biāo)準(zhǔn)化定量分析方式。主要采用以下幾種形式的分析：

(1)低壓側(cè)繞組為牽引繞組和濾波繞組：牽引繞組作為低壓繞組，由于動(dòng)車組運(yùn)行的特殊性發(fā)生短路故障的幾率較高。因此，對(duì)于牽引變壓器而言，低壓繞組的頻譜是判斷繞組變形的重要特征圖譜。對(duì)動(dòng)車組不同動(dòng)力單元牽引變壓器和同一牽引變壓器不同組別牽引繞組的橫向比較，對(duì)相同牽引變壓器牽引繞組的縱向比較，低壓側(cè)繞組的特征頻譜能夠有效反映繞組變形的情況。

不同繞組之間由于牽引變壓器結(jié)構(gòu)因素，使變形會(huì)相互影響，這是因?yàn)榫€圈的壓縮或膨脹會(huì)明顯的改變另一側(cè)線圈的電氣分布參數(shù)，甚至連帶變形。所以，需綜合各側(cè)線圈的頻譜變化，作出全面的分析和判斷。

(2)應(yīng)遵循以橫向比較為主，縱向比較為輔：在同一測(cè)試條件下橫向比較能夠反映當(dāng)前狀態(tài)下的繞組變形情況，縱向比較適用于跟蹤變壓器整個(gè)壽命周期的繞組變化情況。

如圖12為動(dòng)車組M1車典型測(cè)試波形，分析M1、M3、M5、M7、M9、M11和M13車變壓器測(cè)試數(shù)據(jù)，按照DL/T 911-2004《電力變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)分析法》相關(guān)系數(shù)進(jìn)行橫向比對(duì)，見(jiàn)表2。

相關(guān)系數(shù)為便于比較繞組頻率響應(yīng)特性的變化情況，它能以量化結(jié)果的形式直觀的給出所比較頻響特性曲線間的相似程度，即相關(guān)系數(shù)的值越大(最大值為1.00)，曲線的相似程度也就越好，變形程度越輕，相關(guān)系數(shù)是分析繞組變形情況的重要輔助手段。

結(jié)果所測(cè)變壓器U-V、S4-S3、S3-S1各繞組均顯示為正常繞組，無(wú)明顯繞組變形現(xiàn)象。[2]

圖12 CRH380AL，M1車牽引繞組測(cè)試結(jié)果

繞組變形程度相關(guān)系數(shù)R嚴(yán)重變形RLF<0.6明顯變形1.0>RLF≥0.6或RMF<0.6輕度變形2.0>RLF≥1.0或0.6≤RMF<1.0正常繞組RLF≥2.0和RMF≥1.0和RHF≥0.6

注：RLF為曲線在低頻段(1～100 kHz)內(nèi)的相關(guān)系數(shù)； RMF為曲線在中頻段(100～600 kHz)內(nèi)的相關(guān)系數(shù)； RHF為曲線在高頻段(600～1 000 kHz)內(nèi)的相關(guān)系數(shù)。

(3)波形不同頻段的分析原則：

從等值電路上可知，頻率響應(yīng)的頻率范圍各有所代表，因此主要分析低頻段，中、高頻段作為輔助。

①頻響特性曲線低頻段(1～100 kHz)主要代表分布電感的頻響特性。如果通過(guò)橫向比較低頻段的諧振峰波形發(fā)生明顯差異，說(shuō)明繞組結(jié)構(gòu)存在明顯的變形現(xiàn)象，影響繞組的對(duì)地電容及餅間電容所形成的感抗，如果繞組的電感發(fā)生變化。如果發(fā)現(xiàn)低頻段頻率響應(yīng)曲線不一致的情況，一般表明線圈整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問(wèn)題，從而影響牽引變壓器的正常工作，甚至?xí)斐闪熊噥G失牽引，還應(yīng)輔助其他手段重點(diǎn)檢查。

②頻響特性曲線中頻段(50～600 kHz)是分布電感和分布電容相互作用的頻響特性反映。如果中頻段出現(xiàn)諧振峰波形存在明顯差異，應(yīng)為繞組存在扭曲和鼓包等局部變形現(xiàn)象。如果牽引變壓器存在短路故障，中頻段諧振峰頻率的分布與短路沖擊前的有較大改變，波形的左右移動(dòng)或諧振峰數(shù)目變化，可認(rèn)為是繞組的局部變形的影響。

③頻響特性曲線高頻段(>500 kHz)為分布電容的頻響特性反映。在高頻段，繞組的感抗增大，基本被餅間分布電路所旁路，故對(duì)諧振峰變化的影響程度相對(duì)較低，基本以電容的影響為主。線圈引線的結(jié)構(gòu)或分接開(kāi)關(guān)引線問(wèn)題是造成中高頻段頻率響應(yīng)波形波動(dòng)的主要原因。[3-4]

5 結(jié) 論

通過(guò)測(cè)試變壓器繞組的頻率響應(yīng)特性來(lái)反映變壓器內(nèi)部繞組是否發(fā)生變形的技術(shù)，是判斷變壓器故障的重要手段之一。它比阻抗法和低壓脈沖法具有抗干擾能力強(qiáng)、重復(fù)性高、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。作為一種無(wú)損檢測(cè)手段能夠有效的反映出變壓器的內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)及狀態(tài)。通過(guò)分析其測(cè)試原理，研究其現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法的有效性。

通過(guò)橫向比較法和縱向比較法，結(jié)合相關(guān)系數(shù)作為輔助，長(zhǎng)期跟蹤牽引變壓器，作為變壓器預(yù)防性試驗(yàn)的有效手段，能夠預(yù)防動(dòng)車組在運(yùn)行過(guò)程中，牽引變壓器繞組承受工作電流產(chǎn)生的電動(dòng)力及車體帶來(lái)的變壓器振動(dòng)而造成的絕緣變化。通過(guò)測(cè)試掌握牽引變壓器運(yùn)行狀態(tài)，了解運(yùn)行環(huán)境可能對(duì)變壓器絕緣結(jié)構(gòu)造成的影響，保證牽引變壓器壽命周期的正常運(yùn)行。