1、SS4型电力机车主变压器的检测分析及故障诊断SS4型电力机车主变压器的检测分析及故障诊断学 院 名 称：专 业 名 称：年 级 班 别：姓 名：指 导 教 师：摘要主变压器(又称为牵引变压器),是交-直流传动电力机车中的重要电器设备,用来将接触网上取得的单相工频交流25KV高压电降为机车各电路所需的电压.主变压器的工作原理与普通单相降压电力变压器基本相同,但由于其工作条件特殊,特别是为了满足机车调压,整流电路的特殊要求,故在主变压器的设计及结构型式上均有自身的特点.目前，采用溶解气体分析法（简称DGA）检测变压器油中溶解气体，对主变压器运行状态进行诊断是维护变压器安全的重要手段。以前的资料介绍
2、过SS1、SS3型机车主变压器内部故障的诊断实例。但是，对于应用较多、结构相对复杂的SS4型电力机车主变压器故障的诊断实例未见过报道。本文就是基于这样的原因，首先阐述了SS4型电力动车主变压器的特点及组成，然后叙述了SS4型电力机车变压器运行检修概况及色谱分析检测情况，然后再阐述变压器油箱内电器设备故障的诊断及处理检查，最后得出SS4型电力机车主变压器油箱内电器故障诊断的特殊性及讨论.关键词：主变压器 溶解气体 色谱分析 1.SS4型电力机车主变压器的特点以及组成1.1 SS4型电力机车主变压器特点:(1)绕组多 为满足机车调压及辅助设备用电的需要,主变压器除同侧高压绕组外,二次侧低压绕组有:
3、牵引绕组,辅助绕组,励磁绕组及采暖绕组等多个绕组,有的绕组还有多个抽头.为保证各绕组之间耦合程度适当,有些绕组还需交叉布置,这就给绕组的绕制和装配带来一定的难度.(2)电压波动范围大 我国干线电气化铁道接触网的额定电压为()KV,即允许电网电压在 19-29KV范围内波动,这就要求主变压器的铁心和绕组绝缘结构设计应留有足够的裕量,磁路的磁通密度不能过高,以满足高网压下正常工作的要求.(3)负载变化大 随着机车运行条件的变化,主变压器的负载变化范围很大,这就要求主变压器应能承受较大的负载变化,并具有一定的过载能力,以保证机车可靠运行.(4)耐振动 机车运行中产生的冲击和振动将不可避免地传给主变压
4、器,这就要求主变压器各部件应具有足够的机械强度,所有连接紧固件应有防松装置.(5)对阻抗电压要求高 因主变压器二次侧绕组有较高的短路故障机率,故绕组抽头间的阻抗电压不能太小,以满足机车对调压整流电路和短路保护的要求.(6)重量轻,体积小,用铜多 为满足机车总体布置及减轻自重的需要,主变压器与同容量的电力变压器相比,应具有较轻的重量和较小的体积.这就要求主变压器在设计上采用钢导线,高导磁率的冷轧电工钢片,强迫油循环冷却;工艺上采用真空干燥,真空注油等措施,来减轻重量和缩小体积.由于变压器绕组多,容量大,故用钢量特别多.通常,一般电力变压器的铜重与铁重之比为1:4左右;而主变压器一般为1:2,有的
5、甚至达到1:1.用钢量多不但使主变压器造价高,而且还使冷却困难,冷却器庞大,这不利于变压器的轻量化.1.2 SS4型电力机车主变压器的组成主变压器由器身,油箱,保护装置,冷却系统和出线装置等部件组成. (1) 器身由铁心,绕组(线圈),器身绝缘和引线装置等组成.(2) 油箱是油浸式主变压器的外壳,变压器的器身就放在充满变压器油的油箱内.对油箱的基本要求是:(1)在保证内部必要的绝缘距离条件下,尽可能减小体积,以节约用油;(2)应具有必要的真空强度,以便在检修时能利用油箱进行真空干燥;(3)油箱外部各种附件的布置应便于安装和维护. 变压器的器身放在充满变压器油的油箱中.由于主变压器与平波电抗器共
6、用油箱,下油箱形状呈凸字形,大腔用于安装主变压器的器身,小腔用于安装平波电抗器.两腔之间设置一块铝板,用以隔磁.下油箱由钢板焊接而成.在油箱壁上焊有吊攀,用以起吊整台变压器,油箱壁上焊有安装板,安装板上有安装孔,用螺栓通过橡胶垫把变压器固定在车体上.箱壁四周焊有一些加强筋板.箱壁上装有压力释放阀,以便迅速排出箱内过高的压力.另外,在箱壁上还开有冷却系统的进出口管道,油冷却器就安装或固定在箱壁上.油箱上装有油管,用于接通油路.在油箱壁的下部装有50活门和一个油样活门,50活门用于注油,滤油和放油;油样活门用于取油样,以对变压器油进行化验.油箱壁上装有压力释放阀.箱底的钢板上设置多个定位钉,以对变
7、压器,平波电抗器定位.箱底上设有放油塞,用于放净箱底残存的变压器油.箱壁多处开有长方形孔,上部的方孔是安装出线装置用的,下部的方孔是作为手孔用的,用于平波电抗器的底部安装. (3) 变压器油是从石油中提炼出来的优质矿物油.在油浸式变压器中,变压器油既是一种绝缘介质,又是一种冷却介质.因此,对变压器油的要求是:介质绝缘强度高,粘度低,网点高,凝固点低,酸值低,灰粉等杂质及水分少.变压器油中只要含少量水分和杂质就会使绝缘强度大为降低(含 0.004%水分时,绝缘强度降低约50%).此外,变压器油在较高温度下长期与空气中的氧接触时会逐渐老化,在油中生成不传热的悬浮物,堵塞油道,并使酸值增加,绝缘强度
8、降低,这对变压器的安全运行是十分不利的. (4) 主变压器运行中产生的所有损耗将转变为热能,使各部件的温度升高,当主变压器温升超过规定的限值,将使绝缘损坏,直接影响主变压器的使用寿命(2030年).因此,主变压器必须具有相应的散热能力. (5) 主变压器各绕组的引线从油箱内引至油箱外时,必须采用出线装置,以便使带电的导线与接地的油箱绝缘.2. SS4型电力机车主变压器运行检修概况及色谱分析检测情况2.1 SS4型电力机车主变压器运行检修概况这里介绍的SS4型电力机车是铁道部株洲电力机车工厂1993年7月生产的SS4号机车。该机车配属乌兰察机务段，一直担当乌兰察至包头间的货运牵引任务。截止至目前
9、，该机车总走行11001192km，架间走行32182km。其间此机曾两次中修（周期修制），主变压器等充油电器未见异常。2.2 色谱分析检测情况自从2009年11月16日首次对SS4号机车A端（也称A节）主变压器（容量：4760kVA；油质量：2125kg；油保护方式：开放式）进行变压器油气相色谱分析，发现油中特征气体严重超过国家标准提出的注意值&*(。此后变压器就一直处于跟踪分析状态，直至2010年4月我们共进行了2 次油中溶解气体色谱分析，其检测数据如表1所示。表1 SS4端主变压器油色谱分析数据检测日期检测组分备注H2COCO2CH4C2H2C2H6C2H2C1+C22009.11.16
10、2122332324532首次超标2009.11.292143365632245345324245724572010.01.245324672010.02.111223445444245242466242442224556245虑油2h2010.03.2643245442245246234虑油4h2010.04.172244446244562445停运检查3 变压器油箱内电器设备故障的诊断及处理检查3.1 故障发展趋势分析由表-1可以看到，检测后的前13天（到11月29日），这台变压器油中特征气体增长很快，其相对产气速率为2067.8%/月。可见相对产气速率远远大于国家标准提出的10%/月，说
11、明变压器油箱内电器的故障发展趋势是比较严重的。3.2 故障性质的诊断、处理及检查充油电器内部的故障一般分为电性和热性两大类。我们按照国家标准推荐的“三比值法”，对11月29日测定的有关组分(H2、CH4、C2H2、C2H6、C2H2)及含量进行了比值计算。经查对，比值编码为“0 2 2”，所对应的故障性质为高于700C高温范围的热故障。由于本机车的检修周期（即第11次辅修年检）未到，因此，作出了继续运行的处理意见。根据机车主变压器色谱分析周期的安排，我们于2010年1月21日（表-1）进行了第三次变压器油中溶解气体检测及故障诊断。值得注意的是在此次“三比值”法中，比值的编码已为“1 0 0”，
12、此编码在国家标准中不存在；我们选用“改良电协研”法进行诊断，诊断结论为“电弧放电兼过热”。然而，仍然是检修周期等原因，这台机车变压器再次继续运行。2010年2月，对变压器油采取了真空滤油处理（滤油过程中色谱检测数据见表-1）后，该变压器继续投入运行，并于3月26日进行了色谱跟踪分析。我们再次进行了故障性质的诊断，诊断的结论仍然是“电弧放电兼过热”。同时，按照对固体绝缘材料是否被破坏进行了诊断。由于CO/CO2的比值超出正常范围(0.09CO/CO20.33）,且油中CO含量与H2含量存在相关性（由表1看到CO与H2相伴增长），显然，“电弧放电兼过热”破坏了固体绝缘材料。2010年4月10日，在
13、此机车进行第11次辅修年检时，对A端主变压器进行了吊芯解体检查，检查发现，平波电抗器绕组烧损。4 结束语4.1 SS4型电力机车主变压器油箱内电器故障诊断的特殊性及讨论SS4型电力机车主变压器与平波电抗器共一油箱（类似的有SS6、SS8），由统一的散热器和通风机通过潜油泵强迫油循环散热。显然，当主变压器、平波电抗器及潜油泵任一电器发生故障，变压器油中都会产生故障特征气体（见表1），因此，给确定故障的原因和部位带来困难。所以，在本实例中，一开始就强调是主变压器油箱内电器出现故障，而这一故障的准确部位也只有在解体检查时才能证实。作者与他人曾系统研究过电力机车主变压器油中特征气体的关系304，检测及
14、统计数据表明：在114台SS4型电力机车主变压器油中，特征气体超过注意值的比率达10.5%，且多属过热性特征气体。我们认为，这是一个值得有关方面（研制、生产、使用等单位）注意的问题。4.2 强化油中溶解气体分析（DGA）跟踪检测工作要加强对DGA工作的认识，发挥其在电力机车状态维修中的作用。DGA 方法是电力设备预防性试验规程32项试验中的第一项。本文所介绍的实例处理过程说明加强对DGA工作认识的必要。本实例的诊断经验表明，如在2009 年11月16 日的检测、诊断结论后对此台机车主变压器采取停运检查，是能够减轻故障对设备造成的损失的；在后来采取的真空滤油的措施说明缺乏对特征气体产生机理的认识
15、。一般情况下，变压器及充油电器的故障初期往往为过热，最终却是电性故障的表现形式。如长时间处于高温过热的电器（变压器油中产生过热气体C2H4），其绝缘材料不断劣化（变压器油中CO/CO2比值发生变化），最后是绝缘击穿（变压器油中C2H2与H2气体的急剧增长）。显而易见，SS4号机车变压器油箱内平波电抗器故障性质的变化过程正是如此。实践证明，DGA方法是目前应用于变压器等充油电器运行状态检测的先进技术，对故障的及时和准确诊断是这一技术的特点，应发挥DGA技术在电力机车状态检修中的作用。参考文献：1 何宏群, 关于SS1 型电力机车主变压器油的气相色谱分析及故障诊断, 机车电传动,1990(6),2 何宏群,张新昌,温湘庭, SS3型电力机车主变压器高温过热故障的诊断, 机车电传动,1994(6),3 CB/T7252-2001 变压器油中溶解气体分析和判断导则4 高文胜,钱政,严璋, 电力变压器固体绝缘故障的诊断方法, 高电压技术,1999(9),5 何宏群,陈应川,季建郑等, 关于电力机车变压器油中特征气体关系的研究, 变压器,1998(11)6 何宏群, 用油中气体特征诊断变压器故障, 变压器,1995(7)
