牽引變壓器的保護及故障分析

劉明輝

摘 要：本文介紹牽引變壓器的主要運用保護方式，對各種保護元件的原理及結(jié)構(gòu)進行簡單介，并對各種保護信號及可能的故障原因進行分析，并提出相應(yīng)的處理方案。這些保護信號，有的反應(yīng)的是故障現(xiàn)象，有的反應(yīng)的是故障隱患。通過對各種保護機理的把握，可以盡早的發(fā)現(xiàn)故障隱患和故障現(xiàn)象，并針對性的采取適當(dāng)?shù)拇胧苊夤收系臄U大，以降低損失。

關(guān)鍵詞：牽引變壓器 保護 故障分析

中圖分類號：U264.7

機車牽引變壓器是電力機車上的一個重要部件。無論是直流傳動還是交流傳動電力機車，都需要將來自接觸網(wǎng)上的25kV高壓電降壓轉(zhuǎn)換，以便于電傳動系統(tǒng)中的其他部件使用，最后通過牽引電機實現(xiàn)電力牽引。牽引變壓器安全可靠運行是保證電力機車正常運行的基礎(chǔ)。為保證牽引變壓器的穩(wěn)定運行，電力機車設(shè)置了多種保護方式，在變壓器上以及電氣回路上設(shè)置了多項保護元件，利用機車控制系統(tǒng)進行安全保護。

1.牽引變壓器的保護方式

牽引變壓器的主要保護方式有過勵磁、過流、瓦斯保護、差動保護、接地保護、壓力保護、高溫保護等。

1.1.過壓保護。牽引變壓器直接輸入網(wǎng)壓，如果網(wǎng)壓過高，超過變壓器的最高允許電壓，將會對變壓器造成損壞。在機車上配置了電壓互感器，用于檢測網(wǎng)側(cè)電壓。電壓互感器的二次側(cè)通過儀表接入機車控制系統(tǒng)，當(dāng)機車控制系統(tǒng)檢測到網(wǎng)壓高于一定的安全值時，會自動報警并切斷與供電網(wǎng)的連接。

1.2.過流保護。牽引變壓器一般都是高阻抗的變壓器，有較強的抗負載短路能力。但是電流過大，會對變壓器造成絕緣損壞，并且引起過流的原因也可能是變壓器本身的故障。變壓器的高壓側(cè)和低壓側(cè)，均配置了電流互感器，機車控制系統(tǒng)實時監(jiān)測各回路電流，以實現(xiàn)對變壓器以及主電路上主要部件的運用情況進行監(jiān)控。

1.3.差動保護。變壓器差動保護作為變壓器的主保護，能反應(yīng)變壓器內(nèi)部短路、高壓側(cè)接地短路及匝間短路故障。差動保護是輸入被保護元件兩端CT電流矢量差，當(dāng)兩端CT電流矢量差達到設(shè)定的動作值時，啟動動作元件。差動保護是保護兩端電流互感器之間的設(shè)備故障，正常情況流進的電流和流出的電流在保護內(nèi)大小相等，方向相反，相位相同。當(dāng)發(fā)生故障時，在保護段內(nèi)，兩端差動電流大于零。

1.4.瓦斯保護。瓦斯保護的構(gòu)成：在HXD1、HXD1B、HXD3B等型號電力機車的牽引變壓器上安裝了布赫繼電器（即瓦斯繼電器），它安裝在變壓器油箱與儲油柜的連接管道上。布赫繼電器的結(jié)構(gòu)見圖10一2。BG 25 S型雙浮球布赫繼電器對牽引變壓器內(nèi)部的絕緣油變化非常敏感。它能有效反應(yīng)牽引變壓器尤為下降、漏油異常，也能反應(yīng)絕緣擊穿、局部發(fā)熱或放電等故障引起的絕緣油異常情況并產(chǎn)生保護動作。

瓦斯氣體報警原理：當(dāng)牽引變壓器內(nèi)出現(xiàn)局部過過熱或放電時，引起絕緣油或絕緣固體逐漸分解產(chǎn)生氣體，氣體逐漸積累，上升到布赫繼電器內(nèi)，導(dǎo)致布赫繼電器內(nèi)部液位下降，浮球位置下降，當(dāng)氣體體積達到一定的量時（氣體量達到200cm3～300cm3），浮球位置變化觸動微動開關(guān)，發(fā)出警告信號。

低液位報警原理：在正常工作狀態(tài)下，布赫繼電器內(nèi)充滿了變壓器絕緣油。在浮力的作用下，浮球處在最高位置。當(dāng)變壓器油量不足，儲油柜內(nèi)已經(jīng)沒有變壓器油，液位低至布赫繼電器浮球液位以下時，布赫繼電器內(nèi)的浮球位置下降，浮球位置變化觸動微動開關(guān)，發(fā)出警告信號。

流量報警原理：機車在運行中，如果牽引變壓器內(nèi)部由于高能量放電產(chǎn)生快速甚至強烈的分解氣體，由此產(chǎn)生的壓力波引起變壓器油流向儲油柜的強力涌流，沖擊擋板。當(dāng)流速超過整定值時，擋板翻轉(zhuǎn)觸動浮球，微動開關(guān)動作向機車控制系統(tǒng)發(fā)送開關(guān)信號，使得機車主斷路器在最短的時間內(nèi)斷開，從而避免故障進一步擴大。

1.5.溫度保護。牽引變壓器冷卻系統(tǒng)的正常工作，是保證牽引變壓器工作在安全溫度下的保證。變壓器在運行中，如果發(fā)成長時間過載，或冷卻系統(tǒng)工作不正常，都會導(dǎo)致變壓器溫升過高。在牽引變壓器的冷卻回路中安裝油流繼電器可以實時監(jiān)測變壓器的冷卻系統(tǒng)是否正常工作；在變壓器油的最熱點安裝溫度傳感器或溫度計實時監(jiān)控變壓器的溫度狀態(tài)。這些信號接入機車控制系統(tǒng)，系統(tǒng)可以及時根據(jù)標(biāo)定值做出信號判斷并采取適當(dāng)?shù)拇胧┍ＷC系統(tǒng)安全。例如：HXD1型機車牽引變壓器油溫超過85℃時，牽引逆變器開始線性降低功率；當(dāng)油溫達到90℃時，功率降低到額定功率的70%；在油溫超過90℃后，牽引逆變器被鎖止；當(dāng)油溫超過95℃時，系統(tǒng)自動分斷主斷路器。

1.6.壓力保護。無論是變壓器內(nèi)部故障還是管路故障導(dǎo)致的變壓器內(nèi)部壓力增加，多變壓器的運行都是極端危險的。所以幾乎所有的變壓器都設(shè)置了壓力釋放閥，以釋放變壓器內(nèi)瞬間或緩慢變化導(dǎo)致的壓力過高。壓力釋放閥上配置有微動開關(guān)，當(dāng)因變壓器壓力過高而發(fā)生釋放動作時，微動開關(guān)動作，向機車控制系統(tǒng)發(fā)送信號，以快速斷開機車主斷路器，避免事故的擴大。

2.牽引變壓器故障診斷

2.1.壓力釋放閥故障。產(chǎn)生壓力釋放閥故障的原因主要有：

壓力釋放閥失效：壓力釋放閥本身的微動開關(guān)失效，造成故障。當(dāng)壓力釋放閥報故障時，需要查看壓力釋放閥是否有釋放動作及噴出變壓器油，沒有變壓器油噴出，則可基本判定為開關(guān)失效，需要對開關(guān)進一步檢查排除故障。

變壓器油回路故障：這種故障一般會在故障信號發(fā)生時伴有變壓器油噴出。變壓器與儲油柜之間的連接如果不暢通，則在變壓器運行時，隨著油溫度的上升，油箱內(nèi)壓力增高到一定程度時，可以導(dǎo)致壓力釋放閥動作，釋放壓力。

變壓器內(nèi)部絕緣擊穿：如果變壓器內(nèi)部發(fā)生繞組之間高電壓擊穿或繞組對地等絕緣擊穿時，會產(chǎn)生瞬間的高溫高壓，并釋放大量氣體。由于變壓器與儲油柜連接的管路無法瞬間釋放壓力，則會導(dǎo)致壓力釋放閥動作釋放壓力。此種情況一般會伴隨較大的放電聲音、過流、變壓器油噴出等現(xiàn)象，對變壓器油取樣進行色譜分析一般會氣體含量超標(biāo)，三比值法判斷結(jié)果會顯示高能量放電等結(jié)果。

2.2.布赫繼電器故障（瓦斯保護）。根據(jù)布赫繼電器的結(jié)構(gòu)及原理，報警原因主要有：冷卻系統(tǒng)組裝后空氣未排凈、變壓器內(nèi)部絕緣故障擊穿、油泵故障燒損導(dǎo)致變壓器油裂解。

瓦斯保護對變壓器的故障情況比較靈敏，因此，在布赫繼電器報警后，都要立即確認是否有其他異常情況發(fā)生，如是否有過流、壓力釋放閥動作、變壓器差動保護等異常，如果沒有其他伴隨現(xiàn)象，則可確認是否為布赫繼電器本身故障。無論何種情況，都需要對變壓器進行取油樣檢測，通過色譜分析，利用三比值法判斷變壓器油是否異常。對于含氣速率超出標(biāo)準(zhǔn)值的需要盡快對變壓器進行解體檢查。

2.3.差動保護。根據(jù)基爾霍夫第一定律， ；變壓器在正常運行或外部故障時，若忽略勵磁電流損耗級其他損耗，則流入變壓器的電流等于流出變壓器的電流。因此，縱差保護中的兩個電流相等。當(dāng)變壓器內(nèi)部故障時，若平衡除去流入流出的負荷電流不計，則只有流進變壓器的電流而沒有流出變壓器的電流。例如：當(dāng)變壓器發(fā)生高壓繞組接地故障、在T型頭和高壓A端子故障等情況時，兩端電流互感器的電流值會出現(xiàn)偏差

3.總結(jié)

本文介紹了牽引變壓器的多項保護系統(tǒng)，并針對各種保護信號，提出了原因分析。根據(jù)在線運行的系列機車牽引變壓器反饋的報警信息及后續(xù)對產(chǎn)品的故障處理情況看，大部分的故障發(fā)生在各保護元件以及外部配件上，有部分的報警信息則真實的反應(yīng)了牽引變壓器的本身故障。因此對于線上發(fā)生的故障報警信息，需要綜合各保護信號的情況綜合判斷。對于縱差保護、瓦斯保護、壓力保護等，必須立即現(xiàn)場檢查，確認報警原因。在未確認是各傳感元件本身故障而誤報的情況下，不得對變壓器進行送電運行，以避免故障的進一步擴大。