HXD1B型電力機(jī)車(chē)高壓電壓互感器故障分析及建議

王向東,王漢東

(武漢鐵路局 江岸機(jī)務(wù)段,湖北武漢430301)

2010-08江岸機(jī)務(wù)段配屬的HXD1B型電力機(jī)車(chē)連續(xù)發(fā)生3起高壓電壓互感器故障,2起中斷牽引行車(chē),1起引發(fā)弓網(wǎng)事故,嚴(yán)重干擾運(yùn)輸生產(chǎn)秩序。

1 故障概況及原因分析

1.1 結(jié)構(gòu)原理

HXD1B型電力機(jī)車(chē)的高壓電壓互感器型號(hào)為JDZXW2--25A2,采用干式全封閉的結(jié)構(gòu),如圖1。表層絕緣為硅橡膠,互感器內(nèi)部絕緣材料為環(huán)氧樹(shù)脂(E級(jí))?；ジ衅饔?個(gè)原邊繞組和2個(gè)次邊繞組構(gòu)成,繞組采用高強(qiáng)度漆包線繞制[1]。

圖1 JDZXW2-25A2型高壓電壓互感器結(jié)構(gòu)圖

1.2 故障現(xiàn)象

發(fā)生高壓電壓互感器故障的3臺(tái)機(jī)車(chē)分別為0002、0096、0141。0141機(jī)車(chē) 2010-01-01上線運(yùn)用,故障時(shí)總走行里程104 809 km。0096機(jī)車(chē)2009-09-13上線運(yùn)用,故障時(shí)總走行里程170 870 km;0002機(jī)車(chē)2009-08-26上線運(yùn)用,故障時(shí)總走行里程161 521 km。圖2—圖4反映了高壓電壓互感器的故障。0096、0141機(jī)車(chē)的高壓電壓互感器外形完整,硅橡膠局部老化,有內(nèi)部封裝絕緣材料液化流出。對(duì)機(jī)車(chē)CCU、TCU數(shù)據(jù)下載分析顯示,機(jī)車(chē)故障原因?yàn)闄C(jī)車(chē)檢測(cè)到的網(wǎng)壓過(guò)高,報(bào)網(wǎng)壓超限(故障代碼 802),機(jī)車(chē)中斷牽引。0002機(jī)車(chē)的高壓電壓互感器因原邊繞組破損,對(duì)地放電炸裂,造成接觸網(wǎng)斷網(wǎng),構(gòu)成弓網(wǎng)事故。TCU、CCU數(shù)據(jù)分析顯示,機(jī)車(chē)也曾發(fā)生網(wǎng)壓高、報(bào)網(wǎng)壓超限故障(故障代碼802),在之后的復(fù)位、升弓操作中引發(fā)互感器炸開(kāi)。

1.3 原因分析

從故障互感器外觀及電氣檢測(cè)數(shù)據(jù),可以認(rèn)為互感器故障的原因是由于內(nèi)部絕緣材料老化失效所致。一是3臺(tái)機(jī)車(chē)發(fā)生故障的時(shí)間段均為機(jī)車(chē)牽引區(qū)段高溫季節(jié),氣象預(yù)報(bào)溫度35℃—38℃,TCU記載的大氣溫度最高為43℃,在這樣的條件下,對(duì)HXD1B機(jī)車(chē)車(chē)頂放溫度計(jì)測(cè)量是近70℃(測(cè)溫點(diǎn)接觸車(chē)頂金屬)。雖然互感器功耗極小,但由于其散熱不良,在機(jī)車(chē)頂上它產(chǎn)生的熱量很難傳遞到外部,它的金屬底座則很容易將機(jī)車(chē)頂蓋的高溫傳導(dǎo)到互感器內(nèi)部,熱量的積累促使絕緣材料在高溫下老化 。從溢出的棕褐色凝固物可以推測(cè)有漆包線外層漆的成分,從溢出物的數(shù)量之多可以推測(cè)互感器的絕緣封裝不應(yīng)是環(huán)氧樹(shù)脂,而應(yīng)是環(huán)氧樹(shù)脂封裝膠。如果是封裝膠用在這個(gè)產(chǎn)品,屬用材不當(dāng)。因?yàn)檫@種封裝膠具有熱變形特性,在85℃以上會(huì)變形,從而失去封裝材料對(duì)鐵芯和繞組的固定,機(jī)車(chē)在運(yùn)行中輪軌間的作用力反映在機(jī)車(chē)頂蓋是一定頻率的振動(dòng)[2],此時(shí)這種振動(dòng)對(duì)互感器的繞組破壞是嚴(yán)重的,在機(jī)械作用力下,引起原邊繞組匝間短路,從而使原邊線圈的交流阻抗減小,原邊電流增大,內(nèi)部發(fā)熱加劇,最終軟化的環(huán)氧樹(shù)脂封裝膠、漆包線的絕緣漆在高溫下液化、膨脹;外層硅橡膠在高溫下老化變形,局部強(qiáng)度降低,液化、膨脹的環(huán)氧樹(shù)脂封裝膠頂破硅橡膠而溢出。二是雖然機(jī)車(chē)報(bào)告的故障是網(wǎng)壓超限,但從Expert 2 viewer軟件記錄的事件環(huán)境分析,所謂的網(wǎng)壓高,只不過(guò)是由于互感器原邊線圈匝間短路后變比改變?cè)斐傻恼`報(bào)。既然發(fā)生故障是由于匝間短路導(dǎo)致,而同一批次的115臺(tái)機(jī)車(chē)在此之前都沒(méi)發(fā)生此類(lèi)故障,因此可以排除因制造工藝缺陷所致的早期故障。從環(huán)氧樹(shù)脂封裝膠液化流出現(xiàn)象可以認(rèn)為這種故障和溫度相關(guān),這與機(jī)車(chē)的運(yùn)行是一致的 ,用Expert2viewer軟件可以查證0141機(jī)車(chē)發(fā)生故障時(shí)間為2010-08-02 16:44,TCU記錄的大氣溫度為43℃;0096機(jī)車(chē)發(fā)生故障的時(shí)間為2010-08-03 T14:41,TCU記錄的大氣溫度為41℃;0002機(jī)車(chē)發(fā)生故障的時(shí)間為2010-08-20日凌晨4:11,TCU記錄的大氣溫度36.8℃。為什么其他機(jī)車(chē)在這期間沒(méi)有發(fā)生同類(lèi)故障,筆者認(rèn)為,這與絕緣材料的溫度老化規(guī)律有關(guān)。對(duì)于E級(jí)的絕緣材料,溫度每超過(guò)額定值8℃,則其壽命降低一半[3]。機(jī)車(chē)在牽引區(qū)段運(yùn)行,高溫天氣不是天天有,就是高溫天氣也只是某個(gè)時(shí)間段氣溫高,絕緣材料的老化有個(gè)過(guò)程,即便老化很快,但2個(gè)因素同時(shí)存在也還是有隨機(jī)性的。

圖2 HXD1B 0002機(jī)車(chē)高壓電壓互感器故障

圖3 HXD1B 0096機(jī)車(chē)高壓電壓互感器故障

圖4 HXD1B 0141機(jī)車(chē)高壓電壓互感器故障

2 措施及建議

通過(guò)上述故障原因分析,提出以下防范措施:

(1)機(jī)車(chē)運(yùn)行中如發(fā)生網(wǎng)壓超限,乘務(wù)員應(yīng)通過(guò)機(jī)車(chē)上的無(wú)線電話(huà)詢(xún)問(wèn)車(chē)站值班員,同一供電臂下其他機(jī)車(chē)是否有網(wǎng)壓高現(xiàn)象。如果報(bào)網(wǎng)壓超限后又遇接觸網(wǎng)停電,則乘務(wù)員一定要及時(shí)將機(jī)車(chē)受電弓降下查明原因。

(2)配件制造廠應(yīng)盡快對(duì)故障的互感器解剖分析,查明原因,從設(shè)計(jì)和制造源頭提高質(zhì)量。

(3)機(jī)車(chē)運(yùn)用回段后,檢測(cè)并測(cè)量高壓電壓互感器線圈的直流電阻值、工頻阻抗值和高壓直流泄漏電流值,對(duì)不良的互感器及時(shí)更換。高溫季節(jié)對(duì)機(jī)車(chē)的CCU、TCU數(shù)據(jù)下載分析,CCU記錄的故障“網(wǎng)壓大于29 kV,代碼1200”進(jìn)行確認(rèn)。

針對(duì)設(shè)計(jì)制造提出以下改進(jìn)方案:

(1)關(guān)于網(wǎng)壓的測(cè)量及信號(hào)應(yīng)用。機(jī)車(chē)升弓后電壓互感器檢測(cè)到的網(wǎng)壓信號(hào)可以作為指示用,同時(shí)可用于機(jī)車(chē)閉合主斷的條件,以防高電壓損壞車(chē)內(nèi)設(shè)備,這是目前機(jī)車(chē)上實(shí)現(xiàn)的功能。當(dāng)主斷路器閉合后,主變壓器的次邊繞組、也有電壓信號(hào)采集,應(yīng)把高壓電壓互感器的信號(hào)與主變壓器次邊電壓信號(hào)比對(duì),當(dāng)二者相差過(guò)大時(shí),應(yīng)執(zhí)行分?jǐn)嗦菲鳌⒎怄i主逆變器,之后降弓,這樣能減少故障損失。

(2)關(guān)于高壓電壓互感器的改進(jìn)。高壓電壓互感器裝在機(jī)車(chē)頂部,環(huán)境條件極其惡劣,特別在夏季,當(dāng)機(jī)車(chē)站停待避時(shí),由于熱氣流上升,機(jī)車(chē)內(nèi)部發(fā)熱部件的熱量、太陽(yáng)直射車(chē)頂金屬吸收的熱量匯聚一起,車(chē)頂?shù)臏囟冗h(yuǎn)高于大氣環(huán)境溫度。在設(shè)計(jì)互感器時(shí),雖然要求機(jī)車(chē)的運(yùn)用環(huán)境溫度最高為40℃,但計(jì)算發(fā)熱器件的熱穩(wěn)定性時(shí),應(yīng)以部件安裝位置的最高環(huán)境溫度作為計(jì)算值,以確保電器的熱穩(wěn)定性[2]。HXD1B型機(jī)車(chē)所用電壓互感器采用硅橡膠與環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合絕緣,溫度等級(jí)為E級(jí)(120℃),這對(duì)于非發(fā)熱部件的支持絕緣子是可以的,但對(duì)于自發(fā)熱的高壓電壓互感器,若考慮其安裝位置的環(huán)境溫度為80℃,則留給器件自身的發(fā)熱溫升就很有限了。另外,高壓電壓互感器在電氣接線上處于機(jī)車(chē)原邊高壓電路,屬于弓網(wǎng)系統(tǒng)中的一個(gè)子部件,因此互感器的絕緣配合要特別注意雷擊過(guò)電壓和操作過(guò)電壓對(duì)互感器的內(nèi)、外絕緣的考驗(yàn)。作為一個(gè)裸露的發(fā)熱工作部件,電器的熱穩(wěn)定性、絕緣材料的大氣老化、電老化、熱老化、機(jī)械老化都應(yīng)在絕緣材料的配合上充分考慮。

3 結(jié)束語(yǔ)

自2010-08-21江岸機(jī)務(wù)段與南車(chē)集團(tuán)株洲電機(jī)公司一起認(rèn)真執(zhí)行上述防范措施,通過(guò)專(zhuān)門(mén)的電工儀表檢測(cè)換下22臺(tái)機(jī)車(chē)的高壓電壓互感器,通過(guò)Expert 2 viewer軟件分析,對(duì)有“網(wǎng)壓高”記錄的2臺(tái)機(jī)車(chē)的高壓電壓互感器進(jìn)行更換,截?fù)?月底,沒(méi)有發(fā)生1件因高壓電壓互感器故障使機(jī)車(chē)牽引中斷的事情,效果令人滿(mǎn)意。

[1]HXD1B型電力機(jī)車(chē)維修手冊(cè)(上冊(cè))電子版[Z].南車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司2009.

[2]劉韻云.機(jī)車(chē)電器原理[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1980.

[3]周鶴良.電氣工程師手冊(cè)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2007.