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構進行簡單介，并對各種保護信號及可能的故障原因進行分析，并提出相應的處理方案。這些保護信號，有的反應的是故障現象，有的反應的是故障隱患。通過對各種保護機理的把握，可以盡早的發現故障隱患和故障現象，并針對性的采取適當的措施，避免故障的擴大，以降低損失。

關鍵詞：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上的25kV高壓電降壓轉換，以便于電傳動系統中的其他部件使用，最后通過牽引電機實現電力牽引。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。為保證牽引變壓器的穩定運行，電力機車設置了多種保護方式，在變壓器上以及電氣回路上設置了多項保護元件，利用機車控制系統進行安全保護。

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壓，如果網壓過高，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，用于檢測網側電壓。電壓互感器的二次側通過儀表接入機車控制系統，當機車控制系統檢測到網壓高于一定的安全值時，會自動報警并切斷與供電網的連接。

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。變壓器的高壓側和低壓側，均配置了電流互感器，機車控制系統實時監測各回路電流，以實現對變壓器以及主電路上主要部件的運用情況進行監控。

1.3.差動保護。變壓器差動保護作為變壓器的主保護，能反應變壓器內部短路、高壓側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，當兩端CT電流矢量差達到設定的動作值時，啟動動作元件。差動保護是保護兩端電流互感器之間的設備故障，正常情況流進的電流和流出的電流在保護內大小相等，方向相反，相位相同。當發生故障時，在保護段內，兩端差動電流大于零。

1.4.瓦斯保護。瓦斯保護的構成：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。布赫繼電器的結構見圖10一2。BG 25 S型雙浮球布赫繼電器對牽引變壓器內部的絕緣油變化非常敏感。它能有效反應牽引變壓器尤為下降、漏油異常，也能反應絕緣擊穿、局部發熱或放電等故障引起的絕緣油異常情況并產生保護動作。

瓦斯氣體報警原理：當牽引變壓器內出現局部過過熱或放電時，引起絕緣油或絕緣固體逐漸分解產生氣體，氣體逐漸積累，上升到布赫繼電器內，導致布赫繼電器內部液位下降，浮球位置下降，當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，發出警告信號。

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

流量報警原理：機車在運行中，如果牽引變壓器內部由于高能量放電產生快速甚至強烈的分解氣體，由此產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。當流速超過整定值時，擋板翻轉觸動浮球，微動開關動作向機車控制系統發送開關信號，使得機車主斷路器在最短的時間內斷開，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，如果發成長時間過載，或冷卻系統工作不正常，都會導致變壓器溫升過高。在牽引變壓器的冷卻回路中安裝油流繼電器可以實時監測變壓器的冷卻系統是否正常工作；在變壓器油的最熱點安裝溫度傳感器或溫度計實時監控變壓器的溫度狀態。這些信號接入機車控制系統，系統可以及時根據標定值做出信號判斷并采取適當的措施保證系統安全。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；當油溫超過95℃時，系統自動分斷主斷路器。

1.6.壓力保護。無論是變壓器內部故障還是管路故障導致的變壓器內部壓力增加，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置了壓力釋放閥，以釋放變壓器內瞬間或緩慢變化導致的壓力過高。壓力釋放閥上配置有微動開關，當因變壓器壓力過高而發生釋放動作時，微動開關動作，向機車控制系統發送信號，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失效，造成故障。當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失效，需要對開關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，油箱內壓力增高到一定程度時，可以導致壓力釋放閥動作，釋放壓力。

變壓器內部絕緣擊穿：如果變壓器內部發生繞組之間高電壓擊穿或繞組對地等絕緣擊穿時，會產生瞬間的高溫高壓，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、變壓器油噴出等現象，對變壓器油取樣進行色譜分析一般會氣體含量超標，三比值法判斷結果會顯示高能量放電等結果。

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

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準值的需要盡快對變壓器進行解體檢查。

2.3.差動保護。根據基爾霍夫第一定律， ；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。當變壓器內部故障時，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：當變壓器發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偏差

3.總結

本文介紹了牽引變壓器的多項保護系統，并針對各種保護信號，提出了原因分析。根據在線運行的系列機車牽引變壓器反饋的報警信息及后續對產品的故障處理情況看，大部分的故障發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了牽引變壓器的本身故障。因此對于線上發生的故障報警信息，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。