SS4型电力机车主变压器地检测分析报告及故障诊断

SS4型电力机车主变压器的检测分析及故障诊断

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目 录

摘要 ........................................................................ 3 1. SS4型电力机车主变压器的特点以及组成 ..................................... 3

1.1 SS4型电力机车主变压器特点: .......................................... 3 1.2 SS4型电力机车主变压器的组成 ......................................... 4 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 ...................... 5

2.1 SS4型电力机车主变压器运行检修概况 ................................... 5 2.2 色谱分析检测情况 ..................................................... 5 3 变压器油箱内电器设备故障的诊断及处理检查 ................................... 6

3.1 故障发展趋势分析 ..................................................... 6 3.2 故障性质的诊断、处理及检查 ........................................... 6 4 结束语..................................................................... 7 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 ................... 7 4.2 强化油中溶解气体分析（DGA）跟踪检测工作 .................................. 7 参考文献：................................................................... 8

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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: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

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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

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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(20～30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，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：

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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 2009.11.16 2009.11.29 2010.01.21 2010.02.11 2010.03.26 2010.04.10 H2 210 CO 10 CO2 30 检测组分 CH4 C2H2 123 3532 C2H6 2332 C2H2 C1+C2 32 4532 备注 首次超标 21 433 656 322 4534 5324 2457 2457 345 5546 2134 532 1356 4214 632 467 12234 454 44245 2424 6624 244222 4556 245 虑油2h 43 2454 42245 145 562 6234 4246 234 虑油4h 停运检413414 52546 6724 62245 67224 4446 24456 2445 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700°C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”，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

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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

(0.094 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。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

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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)