電力機車牽引變壓器故障解析

任建華，李興釗

（太原軌道交通裝備有限責任公司 變壓器車間，山西太原030009）

機車牽引變壓器在結構、工作環境、運行方式與地面變壓器有所不同，且時有過壓、過流、超載等惡劣的運行環境，使得機車牽引變壓器提早出現了諸多潛伏性故障甚至擊穿燒損。從結構上看，變壓器故障主要發生在鐵芯、線圈部位，故障性質無非是過熱、放電或二者兼之。

1 鐵芯故障

機車牽引變壓器鐵芯為芯式結構，故障多為過熱特征，下面結合鐵芯漏磁通過熱分析說明。

文獻［1］中分析描述了石家莊機務段某臺SS8機車，色譜分析如表1。

表1 變壓器油色譜分析表

從數據中分析，無論是采用“三比值法”還是“特征氣體法”進行故障診斷 ，無疑都存在“高溫過熱故障”，根據常規經驗判斷變壓器已經出現故障，雖經吊芯反復檢查，未見異常，但是該臺變壓器一直運行，當時未發生故障，此所舉實例僅是數十臺SS8型電力機車變壓器特征氣體超過注意值比較典型的一臺。機車變壓器油中特征氣體大大超過注意值，而變壓器仍在繼續運行，應當承認這是一個值得研究，有待解決的問題。

2004年6月長沙機務段首臺SS8195號機車輕大修進入廠檢修，入廠鑒定試驗色譜分析如表2。

表2 變壓器油色譜分析表

及時與段方提取最近2003年9月28日小修色譜分析數據。見表3。

表3 變壓器油色譜分析表

綜上分析三比值022，相對產氣速率嚴重超標146%，存在高溫過熱現象。

色譜數據結合經驗分析，故障應該是磁路問題，對變壓器進行入廠空載鑒定試驗，空載損耗、空載電流完全正常，不存在鐵耗超限。解體吊芯檢查，鐵芯對地接地良好，無多點接地等，查找觀察發現隔磁板處安裝孔部位分布諸多游離碳吸附現象，如圖1的隔磁板過熱圖。

圖1 隔磁板過熱圖

隔磁板表明其存在有過熱特征，分析故障原因：變壓器隔磁板采用沉頭螺絲固定，設計上是不錯的，可有效保證變壓器油箱的使用空間，但隔磁板（有不銹鋼板與鋁板兩種，不銹鋼隔磁，鋁板吸磁）在變壓器強迫導向油循環中既當隔磁板又當導流板，如冷卻系統油流向圖（圖2）。

圖2中顯示由于變壓器油流的沖擊，安裝孔逐漸擴大，沉頭螺絲逐步固定不住隔磁板，使得隔磁板（鋁板）與安裝板之間產生間隙，通過上下兩條沉頭螺絲在油流狀態下形成閉合回路，漏磁通產生渦流發熱（游離碳方向為油流方向）和電蝕，最終共同促使隔磁板脫落接地。故障確定為漏磁通引起渦流過熱，焊接固定卡子處理（圖3）。

圖2 冷卻系統油流向圖

圖3 處理過熱隔磁板簡圖

找出故障，及時處理，并與段方技術科及時溝通，返段后跟蹤監測，3個月后取樣分析，標明故障消除。色譜分析如表4。

表4 變壓器油色譜分析表

針對鐵芯故障，在實際機車運行過程中，可以通過檢測變壓器空載電流，確定鐵芯是否存在短路，因為短路時空載損耗與電流會增加許多。同時做色譜分析，如果CO、CO2含量沒有或者很低，特征氣體有H2、CH4、C2H4、C2H6并且超標，油閃點降低，可聞到焦糊氣味，這表明鐵芯中存在短路、局部過熱現象。因此需吊芯檢查，吊芯后檢測各部絕緣電阻，找出故障部位。

2 線圈故障

機車牽引變壓器線圈結構型式有層式、連續式、雙餅式、螺旋式。其中SS4、SS4G、SS8、SS9電力機車主變壓器與平波電抗器一體化，其平波電抗器線圈為3根并繞連續式，繞制難度大，機械強度要求高，發生的故障率很高。故障主要是線圈正反段里外“S”換位、引出線與相鄰線段之間的絕緣破損而導致線圈燒損，以及器身壓緊螺絲在松動后，鐵芯芯柱六方形氣隙墊塊轉動，割破絕緣筒，損傷線圈，甚至造成段間短路，發生的概率非常高。另外變壓器在突發短路時，短路電流一般雖為額定電流的十多倍，而電磁作用力為正常運行的數百倍，會引起線圈永久彎曲變形。變壓器的機械強度決定了變壓器的運行使用壽命，因此變壓器機械松動對變壓器是至關重要。下面結合事例對變壓器的故障進行分析判斷。

2008年6月13日長沙機務段SS8172號機車段方進行列車供電改造后，在試驗臺進行供電試驗，a7x7回路試驗合格，a8x8回路在投入50%負載，電流100～200A，試驗在不到1min時，從變壓器室干燥器下部冒出大量油煙，油溫瞬間升為65℃。后拆除列車供電接線，恢復機車，進行空載試驗時變壓器內部出現很高的異聲，段方停止工作，及時反饋我廠，赴機務段后檢查確認如下：變壓器a7x7繞組直流電阻0.001 45Ω、a8x8繞組直流電阻0.000 31Ω，兩繞組阻值相差15倍，表明a8x8繞組引出線有短連燒損現象，打開輔助繞組出線板孔，觀察到a8x8繞組上段引出線部位線段燒穿短連，并有大量游離碳，致使在段上無法修復。變壓器繞組在很短的時間擊穿燒損，是由于外部突發短路，強大電流沖擊力使得線圈崩開，大短路所造成。

而且機車在運行過程中，由于整流柜晶閘管、整流管擊穿，反向導通，次短沖擊力造成變壓器位移、變形、甚至燒損，如SS35128號機車硅機組Ⅰ端T12臂第一支路兩晶閘管、DII臂第一支路兩整流管擊穿變壓器次邊短路，連線銅排變形。SS3619號機車T22第3支路兩個擊穿，軟連線燒斷，造成變壓器燒損等。對2005年10月18日大連機務段SS3078號機車T22晶閘管擊穿，出線銅排變形造成a2x2與a6x6短連接地，侯北機務段SS3機車變壓器線圈及連線銅排位移這兩起事故，利用油水分離性冷卻，采用正位定形工藝法，恢復了原有機械性能，獲得了很好的效果，至今運行正常。又如沈陽SS9G052號機車由于制動電阻燒損，短路造成變壓器層式勵磁繞組變形串位，采用分散嵌線法解決了線匝的彎曲變形。

3 活接地

SS8085號機車在出廠調試時，檢測到a4x4繞組回路絕緣電阻很低，接近于0。

變壓器故障初步判斷，拆去箱體變壓器接地連線，檢查高壓繞組AX、牽引繞組a4x4分別對地應絕緣良好。而高壓繞組AX與牽引繞組a4x4之間絕緣電阻為0，表明繞組之間短接，高壓繞組X在機車上為接地端，因此牽引繞組a4x4測試絕緣電阻為0，為故障狀態。如圖4為SS8變壓器高壓側引線連接圖。

圖4 SS8085號機車變壓器高壓側連線圖

故障分析，從圖4中可知高壓繞組X與牽引繞組x4引出線之間通過絕緣墊塊（40環氧玻璃布板）、膠木螺桿（18酚醛布棒）緊固連接，分析高壓繞組AX與牽引繞組a4x4之間短接的情況如下：

繞組之間內部短接，此種情況不存在，因為內部有絕緣筒相隔，器身出線下鐵軛處有分墊塊相隔。

拆去a4x4繞組出線板，檢測高壓繞組AX與牽引繞組a4x4之間絕緣電阻仍為0，表明與出線板絕緣狀態無關。

吊芯后檢測引出線銅排之間無異物，變壓器油箱底無異物。

短路部位有可能發生在膠木螺桿處，器身吊芯后檢測高壓繞組AX與牽引繞組a4x4之間多次，絕緣電阻恢復為良好，表明不存在膠木螺桿材質差、受潮狀態。外觀檢測膠木螺桿、絕緣墊塊狀態正常，無燒糊現象。變壓器油外觀清亮，酸值0.029、介損0.464，表明不存在油質很差引起短接的情況。

試驗情況：變壓器解體前檢測高壓繞組AX與牽引繞組a4x4之間絕緣為0，而第一次外施耐壓4.42kV（合閘得電電壓為506V），合格，第二次合閘得電（電壓為506V）就立刻擊穿，原因是第一次時箱體接地螺絲處接地線松脫，試驗時沒有接地造成的。檢測X端接線柱高130，箱體接地端高45。

器身試驗：高壓繞組AX與牽引繞組a4x4之間絕緣電阻恢復為2 500MΩ以上，外施耐壓試驗2 000V、1min無異常。

綜合分析高壓繞組AX與牽引繞組a4x4之間在器身吊芯前多次的絕緣電阻檢測為0，表明繞組之間肯定存在短路橋。機車調試時變壓器原邊沒有進行高壓試驗，說明變壓器出段前已存在短路橋，變壓器在出廠試驗中，絕緣電阻、外施耐壓試驗合格，說明變壓器在裝配中及在強電試驗（感應與空載）前還沒有形成短路橋，分析以上出線板、絕緣墊塊、膠木螺桿、變壓器油、器身絕緣狀態也驗證了這一點。進一步分析短路橋是在感應耐壓與空載前后形成的，感應試驗時是在a1x2（x1與x2相連）輸入電壓，如果X端沒有可靠接地，其電位很高就容易形成與X4出線處通過絕緣墊塊游離變壓器油形成短路橋，在吊芯過程中振斷短路橋后，它們之間絕緣電阻又恢復正常。

4 機械松動引起的故障

電氣強度、耐熱性能、機械強度為變壓器三大性能指標。對運行多年的變壓器來講，機械強度決定了其使用壽命，因此變壓器檢修和運行維護時及時恢復變壓器的機械性能非常重要。如SS4系列、SS8、SS9主變壓器與平波電抗器器身鎖緊螺母松動脫落后可造成在夾件上位移與出線片短連接地、螺桿脫落與繞組接地，平波芯柱松動損傷絕緣筒與導線，以及SS9G機車鎖緊螺母松脫，壓鐵振動箱蓋焊縫，造成大面積滲油等。

機車主變壓器與平波電抗器器身鎖緊螺母松動，造成SS4、SS4G、SS8、SS9等車型螺母脫落后，在夾件上位移與出線片（半圓形）短聯接地。主變壓器器身φ30拉螺桿螺母振動脫落，螺桿掉下，連接平波電抗器C4Y4繞組導致主接地。主變平波一體式變壓器進入大修時，平波電抗器出現鐵芯柱松動，鐵芯餅和氣隙墊塊錯位，導致氣隙墊塊（六邊角）旋轉，嚴重磨損撐板，直至絕緣筒破損，損傷對應高度的繞組導線，這種故障現象非常頻繁。如沈陽機務段SS9052號機車變壓器螺母脫落接地等。鎖緊螺母根據通過改變螺距，其1／3處鎖片進扣，2／3處鎖片搭扣，來增大與螺扣摩擦達到鎖緊目的。

2008年10月29日武南機務段SS9142號機車，段方發現主變壓器大量漏油。赴段后檢查主變壓器的平波電抗器兩側均發現漏油現象（3處），其漏油處非密封或油箱焊接部位，為變壓器箱蓋加強梁槽鋼內部滲油后沿焊縫漏在密封槽內，C1Y1、C2Y2、C3Y3出線側比較嚴重，變壓器油滲滿密封槽后，下流在油箱下部。平波電抗器吊芯后檢查發現，中間M24拉螺桿松動、鎖緊螺帽松脫，壓鐵有擺動現象，靠近濾波與變壓器側M32螺桿松動，壓鐵上翹。漏油原因如下：由于螺桿的松動，平波電抗器機械強度已經滿足不了機車使用要求，其振動力非常大，壓不住器身，壓鐵上翹，螺桿振動，使得箱蓋直接承受很大沖擊力，長時間的作用，加強梁槽鋼與箱蓋焊縫部位產生毛細眼或孔，最終出現滲油現象。

5 結束語

機車牽引變壓器的故障診斷和分析需結合機車運行狀態，綜合分析故障現象。變壓器短路、放電、擊穿燒損等故障的出現，除變壓器自身質量原因外，還與機車高壓、過流、次短、過載等工況息息相關。機車在設計、檢修制造、組裝試驗過程等存在的問題會造成質量缺陷，同時機車運行在惡劣條件下，都會造成機車牽引變壓器故障。

牽引變壓器的檢修不僅要恢復原有產品的機械強度、電氣性能、耐熱強度等各種性能，還要對變壓器潛伏性故障或隱性故障進行分析、判斷、處理和修復。判斷入廠變壓器有無毛病、有無故障，故障的部位、性質、程度等，是變壓器檢修中重要的環節。

變壓器油中溶解特征氣體含量分析，又叫溶解氣體分析法（Dissolved Gas Analysis簡稱DGA），是利用氣相色譜分析法檢測充油電氣設備絕緣油中溶解氣體，根據油中特征氣體的組分和含量對電氣設備的絕緣系統進行監督，對設備內部故障的性質、類型進行判斷。該法在國內外電力行業得到了日益重視和廣泛使用，在我國DL／T 596-1996《電力設備預防試驗規程》中，溶解氣體分析已排在32個試驗項目的首位，其高靈敏檢測的優越性受到了電力系統的重視和青睞。GB／T 7252-2001《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》中的三比值法給出了特征氣體乙炔、氫氣、總烴含量注意值以及CO、CO2含量和比值。

本文結合典型故障案例，給出了變壓器不同部位、不同類型故障的診斷與分析。在統計分析了多臺典型變壓器故障數據后，摸索總結出了機車牽引變壓器色譜分析應急處理表，見表5。

表5 變壓器油色譜分析故障對照表

［1］鄧幼平，何宏群，徐偉計.DGA技術在電力機車充油電氣設備故障診斷中的問題探討［J］.鐵道機車車輛，2003，（3）：40-42.