電力機車主變壓器的保護(hù)配置與絕緣特性分析

孔瑾

摘 要 介紹了主變壓器的繞組結(jié)構(gòu)、接線原理，進(jìn)而分析了主變壓器的保護(hù)配置方式和空載合閘時的工作特性、絕緣特性，為下一步分析電力機車各種故障的特性及產(chǎn)生原因奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 主變壓器 保護(hù)配置 勵磁涌流 絕緣特性

中圖分類號： U264.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

近年來，我國的鐵道電氣化技術(shù)快速發(fā)展崛起，電力機車已成為越來越重要的交通運輸工具。而作為電力機車的動力來源，機車裝載的主變壓器的工作狀態(tài)對電氣化鐵路的正常運行有著非常重要的影響，是電力機車的核心設(shè)備，直接關(guān)系著機車的牽引供電系統(tǒng)是否處于安全可靠運行狀態(tài)。電力機車主變壓器是電力機車牽引系統(tǒng)中使用的一種特殊變壓器，在運行特性與原理上與普通的電力變壓器存在較大差異。在電力機車高速運動中主變壓器會受到強烈震蕩，其內(nèi)部器件更容易產(chǎn)生機械故障，對變壓器的絕緣水平也提出了更高要求。

1電力機車主變壓器與一般電力變壓器的區(qū)別

由于電力機車具有移動性、負(fù)荷大、震蕩多的特點，電力機車主變壓器在實際運行中與一般變壓器相比有較大的區(qū)別。機車運行中受到外部的沖擊和震蕩使得車載變壓器的正常運行受到影響；由于機車車體內(nèi)非常有限的安裝電氣設(shè)備的空間，對機車主變的外型尺寸、重量和機車軸重規(guī)格有著更加嚴(yán)格的限制；機車作為牽引網(wǎng)供電負(fù)荷隨時移動，給機車主變壓器供電的接觸網(wǎng)也會有大幅度的變化。

2電力機車主變壓器的基本結(jié)構(gòu)與原理

2.1主變壓器的結(jié)構(gòu)

本文以HXD3C型電力機車采用的JQFP-10160/25型主變壓器為例，主變壓器將接觸網(wǎng)的25kV電壓轉(zhuǎn)換為機車需要的各種等級的低電壓，從而滿足電力機車各種電機電器的工作需求。電力機車采用下懸式安裝的一體化多繞組變壓器，冷卻方式為強迫導(dǎo)向油循環(huán)風(fēng)冷，采用全密封結(jié)構(gòu)。

2.2主變壓器的接線原理

電力機車的主變壓器繞組的構(gòu)成方式是將尺寸合適的扁銅線或圓銅線繞在鐵芯上，組成鐵芯和繞組，分為高壓繞組和低壓繞組，高壓繞組在外側(cè)與受電弓相連，低壓繞組在內(nèi)側(cè)與車內(nèi)各種電氣裝置相連。

3主變壓器的保護(hù)配置

電力機車主變壓器是油浸式變壓器，一般可分為正常工作狀態(tài)、不正常工作狀態(tài)和故障狀態(tài)。

主變壓器的不正常狀態(tài)包括過負(fù)荷運行、油箱漏油、油位降低和油溫過高等。這些不正常狀態(tài)使得變壓器線圈和繞組過熱，加速絕緣老化。

當(dāng)主變壓器的運行已經(jīng)受到嚴(yán)重破壞而不能繼續(xù)運行時，變壓器已經(jīng)出現(xiàn)故障狀態(tài)，危害最大的是短路故障。若繼續(xù)運行，會影響電力機車運行的可靠性并波及其他用電設(shè)備。

針對電力機車主變壓器的不正常狀態(tài)和故障狀態(tài)，變壓器一般會設(shè)置多種繼電保護(hù)裝置。當(dāng)變壓器發(fā)生故障時，保護(hù)應(yīng)可靠快速動作；變壓器處于不正常狀態(tài)時，應(yīng)發(fā)出報警信號。

3.1主變壓器主保護(hù)配置

電力機車主變壓器的主保護(hù)主要反應(yīng)變壓器內(nèi)部的短路故障，動作于斷路器跳閘而將變壓器退出運行。主保護(hù)主要由縱聯(lián)差動保護(hù)和瓦斯保護(hù)組成。

3.1.1縱聯(lián)差動保護(hù)

電力機車主變壓器的縱聯(lián)差動保護(hù)是根據(jù)變壓器進(jìn)出線兩端電流差值而進(jìn)行的保護(hù)，主要反應(yīng)變壓器油箱內(nèi)部故障。

保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生短路時，如圖3（b）所示，流入繼電器的電流I=I'1+I'2≠0，繼電器動作，變壓器兩側(cè)斷路器跳閘，將故障的變壓器退出運行。

3.1.2瓦斯保護(hù)

電力機車主變壓器瓦斯保護(hù)是反應(yīng)油浸式變壓器內(nèi)部故障的一種保護(hù)方式，能夠靈敏反應(yīng)變壓器油箱內(nèi)部的運行情況。

瓦斯保護(hù)根據(jù)氣體濃度不同分為輕瓦斯和重瓦斯兩種情況。當(dāng)氣體繼電器中的氣體積聚容量為250～300cm3時，輕瓦斯動作于發(fā)出報警信號；當(dāng)變壓器油從油箱內(nèi)流向油枕的速度為0.6～1.5m/s時，重瓦斯動作于斷路器跳閘并發(fā)出報警信號。

3.2主變壓器后備保護(hù)配置

當(dāng)電力機車主變壓器主保護(hù)拒動時，由后備保護(hù)帶一定的延時動作，使得主變壓器退出運行。

3.2.1接地保護(hù)

接地短路的后備保護(hù)用于反映外部接地短路引起的主變壓器過流及作為變壓器內(nèi)部接地短路的后備。

3.2.2油溫高保護(hù)

主變壓器的油溫高保護(hù)又稱過熱保護(hù)，當(dāng)主變壓器的油溫超過100℃時，保護(hù)動作于延時發(fā)出告警信號，并封鎖主變壓器，停止功率的輸出。

3.2.3壓力釋放保護(hù)

電力機車主變壓器中當(dāng)油箱內(nèi)部壓力超過允許值時，壓力釋放閥動作發(fā)出告警信號。

3.3主變壓器勵磁涌流的特性

變壓器空載合閘或外部故障切除時出現(xiàn)的電流可達(dá)到額定電流的4～8倍，電流幅值可達(dá)500～600A，使得繞組變形，對絕緣造成很大的影響，常導(dǎo)致變壓器的縱聯(lián)差動保護(hù)誤動作。當(dāng)暫態(tài)部分增大時，變壓器的鐵芯飽和，而鐵芯的構(gòu)成材料具有非線性，鐵芯飽和時，勵磁電感減小，電流激增，產(chǎn)生大的勵磁涌流。

電力機車主變壓器空載合閘時產(chǎn)生的勵磁涌流主要有以下三個方面的特性：

（1）變壓器合閘初相角

（2）勵磁涌流的大小與鐵芯剩磁的大小和方向成正比。剩磁越小，勵磁涌流的大小也越小；當(dāng)剩磁的方向與輸入電壓產(chǎn)生的磁通方向相反時，勵磁涌流也越來越小；

（3）勵磁電流大小還與電壓幅值有關(guān)，兩者成正比關(guān)系，電壓越大，勵磁電流也越大。

4主變壓器的絕緣特性分析

安裝在電力機車上的主變壓器在長期運行過程中，絕緣經(jīng)年老化，繞組逐漸損耗產(chǎn)生熱量，主要因素是繞組最熱點的溫度。由于繞組發(fā)熱，繞組上的絕緣紙裂解出一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）溶解在變壓器油中。隨著溫度的升高，加重絕緣紙的老化，當(dāng)發(fā)生外部短路或受到電磁機械力等作用時，絕緣紙將破損，最終導(dǎo)致絕緣擊穿。由于絕緣發(fā)生了老化，使得變壓器的電氣強度降低，而機械強度明顯下降。因此，研究老化的重要依據(jù)之一就是機械性能變化的程度。

進(jìn)行絕緣耐壓試驗，在運行中的電力機車主變壓器中抽取樣本，分析油中氣體的含量進(jìn)而判斷電力機車主變壓器的絕緣老化程度，絕緣試驗的具體過程為：

測出溶于變壓器油中氣體的含量，然后計算匯總機車主變壓器中繞組使用絕緣紙的總量，計算出每克絕緣紙中一氧化碳和二氧化碳（CO+CO2）的產(chǎn)生量，可以得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)CO+CO2產(chǎn)生量值低于0.45ml/g時，可認(rèn)為主變壓器的絕緣正常；

（2）當(dāng)CO+CO2產(chǎn)生量位于0.45～1.85ml/g時，可認(rèn)為主變壓器的絕緣存在異常；

（3）當(dāng)CO+CO2產(chǎn)生量高于1.85ml/g時，則認(rèn)為主變壓器的絕緣處于危險狀態(tài)。

5結(jié)論

本文對電力機車主變壓器進(jìn)行了簡要介紹，說明了主變壓器在電力機車中的重要作用；分析了電力機車主變壓器的繼電保護(hù)配置與空載合閘時的工作特性；最后利用絕緣擊穿實驗對變壓器內(nèi)部的絕緣能力進(jìn)行了分析，為下一步分析電力機車主變壓器各種故障的特征及產(chǎn)生原因奠定了基礎(chǔ)。

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