牽引變壓器監(jiān)測(cè)技術(shù)與故障診斷研究

王宇

摘 要：牽引變電所是電氣化鐵路供電系統(tǒng)的心臟，是發(fā)電廠到電力機(jī)車(chē)之間的重要環(huán)節(jié)之一，主要由牽引變壓器和相應(yīng)的配電裝置構(gòu)成。牽引變壓器的作用是將110 kV（220 kV）的三相交流電變換成27.5 kV（55 kV）的單相交流電。變壓器的運(yùn)行是否安全可靠，關(guān)系著牽引供電系統(tǒng)能否正常運(yùn)行工作。因此，牽引變壓器運(yùn)行維護(hù)必須合理，盡可能消除或減少故障，提高牽引變壓器運(yùn)行的可靠性。分析牽引變壓器的常見(jiàn)故障和產(chǎn)生原因，研究狀態(tài)監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，對(duì)于牽引變壓器運(yùn)行維護(hù)有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：牽引變壓器；故障診斷；檢測(cè)技術(shù)；存在的問(wèn)題

中圖分類(lèi)號(hào)：TM407 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）02-0010-02

1 牽引變壓器故障和監(jiān)測(cè)

牽引變壓器是牽引供電系統(tǒng)中的電壓轉(zhuǎn)換設(shè)備，它一旦發(fā)生事故，恢復(fù)所需時(shí)間較長(zhǎng)，產(chǎn)生的后果也比較嚴(yán)重。

目前，我國(guó)的變壓器設(shè)計(jì)水平、制造工藝和相關(guān)材料的應(yīng)用已經(jīng)取得很大進(jìn)步，這也使得現(xiàn)在的牽引變壓器工作可靠性越來(lái)越好，但是由于其應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性不斷增多、牽引負(fù)荷的突變性增強(qiáng)，依然會(huì)有一些預(yù)料不到的事故發(fā)生。

1.1 牽引變壓器故障發(fā)生的原因

造成變壓器故障的原因有很多，大致有這幾種：①在牽引變壓器制造過(guò)程中，廠家設(shè)計(jì)出現(xiàn)問(wèn)題、材料選擇不恰當(dāng)和制造質(zhì)量的缺陷等都會(huì)使變壓器發(fā)生故障。②在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，由其他設(shè)備故障引起的最常見(jiàn)的就是各種過(guò)電壓的威脅，主要是外部過(guò)電壓和內(nèi)部過(guò)電壓，其中外部過(guò)電壓主要是指雷擊或感應(yīng)電。過(guò)電壓的作用時(shí)間雖短，但它的數(shù)值卻是變壓器正常工作電壓的幾百甚至幾千倍，所以容易損壞變壓器絕緣，使變壓器不能正常工作。③在設(shè)備維修環(huán)節(jié)中，操作人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)參差不齊、工作狀態(tài)不同，在維護(hù)過(guò)程中操作不當(dāng)會(huì)造成變壓器個(gè)別部位短路，或者出現(xiàn)突發(fā)性過(guò)負(fù)荷，這種維修人員的誤操作也是造成變壓器故障的原因之一。④牽引變壓器產(chǎn)品本身的不可抗因素造成故障。比如，絕緣老化——任何一種絕緣材料都會(huì)有自然老化現(xiàn)象，最常出現(xiàn)的情況是變壓器長(zhǎng)時(shí)間過(guò)負(fù)荷或短路運(yùn)行，造成內(nèi)部出現(xiàn)局部放電、過(guò)熱等異常現(xiàn)象時(shí)，就會(huì)大大加速變壓器絕緣材料的老化，進(jìn)而引發(fā)絕緣故障。

1.2 牽引變壓器故障診斷

工作中的牽引變壓器發(fā)生故障時(shí)，一般會(huì)伴隨著多種不正常的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可以轉(zhuǎn)化為多種信號(hào)，比如，光信號(hào)、溫度信號(hào)等。故障診斷就是通過(guò)采集牽引變壓器的這些異常狀態(tài)信息，把這些狀態(tài)信息利用計(jì)算機(jī)等高科技設(shè)備和手段進(jìn)行對(duì)比分析，然后判斷出故障的具體特性。

診斷故障的目的不僅僅是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，最主要是為了檢測(cè)出故障產(chǎn)生的部位和輕微故障的發(fā)展程度，以便于檢修部門(mén)采取相應(yīng)措施來(lái)消除故障，從而防止變壓器因故障加重?fù)p壞而停運(yùn)，更重要的是，可以發(fā)現(xiàn)變壓器運(yùn)行中的一些問(wèn)題，為今后改進(jìn)維護(hù)方法和修訂舊的操作規(guī)程提供現(xiàn)實(shí)依據(jù)，同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品本身的質(zhì)量缺陷，為廠家改進(jìn)設(shè)計(jì)方法和提高制造工藝提供技術(shù)支持。綜上所述，加強(qiáng)對(duì)牽引變壓器絕緣狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和管理，對(duì)于發(fā)生意外事故時(shí)快速確定故障性質(zhì)和部位是很有指導(dǎo)意義的。

2 牽引變壓器故障檢測(cè)的現(xiàn)實(shí)狀況

近年來(lái)，電氣化鐵路發(fā)展進(jìn)入高潮期，隨著客運(yùn)高速化和貨運(yùn)重載化趨勢(shì)的增強(qiáng)，對(duì)主變壓器容量的要求越來(lái)越高，對(duì)其可靠性的要求也越來(lái)越高，對(duì)各個(gè)鐵路局的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)的要求也在不斷提高。因此，改革現(xiàn)有的維修制度是非常重要的議題。各個(gè)鐵路局供電段在現(xiàn)行的定期修制度和停電狀態(tài)下試驗(yàn)所產(chǎn)生的問(wèn)題也越來(lái)越多，主要有：①維修人員往往會(huì)按部就班地對(duì)照定期修制度，對(duì)多數(shù)完好設(shè)備進(jìn)行定期檢修，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)過(guò)度維修、盲目維修和維修過(guò)剩的現(xiàn)象。這樣做，維修資源浪費(fèi)且不說(shuō)，最關(guān)鍵的是這種維修方式還有可能引發(fā)一些新的故障，使原本正常工作的設(shè)備陷入故障隱患的泥潭。②由于變壓器的一些連接部件本身容易發(fā)生故障或一些性能缺陷（比如絕緣缺陷），定期修不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，這樣進(jìn)行檢修最終會(huì)出現(xiàn)重大故障。所以，維修部門(mén)要關(guān)注高壓電氣設(shè)備的狀態(tài)維修（簡(jiǎn)稱(chēng)狀態(tài)修）的研究和應(yīng)用推廣。

2.1 狀態(tài)維修（狀態(tài)修）的基本認(rèn)識(shí)

牽引變壓器等高壓電氣設(shè)備的狀態(tài)修主要是以高壓設(shè)備當(dāng)前的工作狀態(tài)和技術(shù)參數(shù)作為依據(jù)，結(jié)合成熟的狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段來(lái)對(duì)設(shè)備的好壞進(jìn)行判斷。這樣做最大的好處是可以把握住最佳維修時(shí)期，提高維修的效率。最終目標(biāo)是確保變壓器安全、穩(wěn)定運(yùn)行，避免設(shè)備運(yùn)行損壞。狀態(tài)修的首要任務(wù)是監(jiān)測(cè)變壓器是否有故障，監(jiān)測(cè)軟件就是完成這個(gè)功能的。它包含的專(zhuān)家系統(tǒng)能夠?qū)⑺鶞y(cè)得的振動(dòng)水平和一系列預(yù)設(shè)的報(bào)警值進(jìn)行比較。用戶(hù)需要仔細(xì)分析它所提供的“異常報(bào)告”，從而確定什么位置可能有故障。對(duì)牽引變壓器而言，就是要根據(jù)其運(yùn)行工況、電流、電壓、負(fù)荷功率和溫度等信號(hào)量來(lái)判斷系統(tǒng)的健康狀況，根據(jù)健康狀況決定是否需要檢修、怎樣檢修及如何提高設(shè)備的可靠性和利用率。

2.2 變壓器氣相色譜分析

當(dāng)前鐵路牽引供電系統(tǒng)中變壓器均采用油浸式變壓器（自冷和風(fēng)冷兩種），內(nèi)部的絕緣油和有機(jī)合成材料在電磁轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，會(huì)慢慢劣質(zhì)化和分解，產(chǎn)生少量的各種低分子烴類(lèi)和碳氧化物氣體等。產(chǎn)生的這類(lèi)氣體大部分能溶解在油中，但當(dāng)存在隱蔽性過(guò)熱或異常放電時(shí)，這些氣體的產(chǎn)生速度就會(huì)明顯增加。當(dāng)產(chǎn)氣量大于溶解量時(shí)，便有一部分氣體進(jìn)入油氣繼電器。色譜分析法就是通過(guò)監(jiān)測(cè)和分析氣體的具體構(gòu)成和濃度，來(lái)判斷變壓器內(nèi)部是否存在過(guò)熱性故障等。利用這種方法能及時(shí)找出變壓器在哪里有了故障和故障的輕重，這對(duì)于實(shí)際維修工作具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，因此得到廣泛應(yīng)用。

2.3 變壓器局部放電監(jiān)測(cè)

國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量的研究工作，其中對(duì)變壓器郵箱內(nèi)局部放電的監(jiān)測(cè)取得了很大的進(jìn)展，其方法主要有：用超聲波傳聲器檢測(cè)音響脈沖的音響法和伴隨放電檢測(cè)電流脈沖的電流法。一般為了防止外部噪聲的干擾，最好是將音響法和電流法并用。其基點(diǎn)是以音響脈沖和電流脈沖同步來(lái)判斷局部放電，以它時(shí)間上的偏移量來(lái)確定放電的位置。另外，還有其他方法分別是利用局部放電過(guò)程中產(chǎn)生的超聲波信號(hào)、光信號(hào)、化學(xué)物質(zhì)和電信號(hào)等來(lái)進(jìn)行的光學(xué)測(cè)量、化學(xué)測(cè)量和電學(xué)測(cè)量等，這些方法也有一定的市場(chǎng)應(yīng)用。