CRH380B(L)型動車組主變壓器散熱裝置維修決策優化研究*

廖小東， 葉 丹， 謝名源， 周 斌

(1 上海鐵路局 南京動車段， 南京 210000；2 上海鐵路局 車輛處， 上海 200071；3 上海鐵路局 高鐵運維技術中心， 上海 201812)

隨著高速鐵路客運專線的不斷建成和順利通車，最高運行速度可達380 km/h的CRH380B(L)型動車組正越來越普遍的運用到全國各個鐵路局。CRH380B(L)型動車組每8輛編組配備了2臺主變壓器，其主要功能是將輸入的25 kV高壓供電降壓后，輸出到牽引變流器、輔助變流器、勵磁電源、控制電源和旅客列車供電系統等其他用電設備，是列車牽引供電的唯一來源，因此，主變壓器功能良好與否嚴重影響動車組的正常運行。

過熱是主變壓器一種常見的故障模式，當主變壓器散熱裝置散熱效果不良時，主變壓器內部溫度升高，高溫不但加速變壓器油的老化和變質，同時使得絕緣材料的纖維形態和分子結構嚴重受到破壞，導致絕緣材料聚合度降低，抗拉強度下降，加快絕緣材料的老化和分解，降低其電氣強度和機械強度，影響絕緣壽命[1]。一旦高溫導致主變壓器絕緣材料發生擊穿，將使得動車組牽引功率下降，甚至主斷路器自動斷開，造成臨修或途停，嚴重影響動車組的正常運行秩序。因此對主變壓器散熱裝置維修決策進行優化，對保證動車組主變壓器散熱良好減少過熱故障具有重要的意義[2]。

1 動車組主變壓器散熱裝置的結構和散熱原理分析

動車組主變壓器散熱裝置由空氣過濾器、熱交換器、油泵、通風道、冷卻風扇、主要框架和冷卻劑等組成，其外形如圖1所示。

1-防護網；2-空氣過濾器；3-冷卻器；4-風機外殼；5-風機裝置；6-減振栓；7-蝶閥。圖1 主變壓器散熱裝置結構圖

散熱裝置布置在主變壓器旁邊，通過法蘭與主變壓器連通，主變壓器冷卻液通過法蘭進入散熱裝置，油泵為油的循環提供充足的動力，將變壓器頂層高溫油送入冷卻管內，使其產生的熱量傳送給冷卻管內壁和翅片，再由管壁和翅片將熱量傳到空氣中[3]。同時，使用冷卻風機通過空氣過濾器沿垂直于車輛的走行方向從外部抽入冷卻空氣，將冷空氣吹入冷卻器管束內，帶走從冷卻器管束放出的熱量，熱空氣在穿過冷卻器后朝著道床向下吹出，使熱油加速冷卻，冷卻后的油從冷卻器下端進入變壓器下部油箱內，達到降低主變壓器冷卻劑溫度的效果，實現主變壓器器身的冷卻。一旦冷卻系統通風不暢，主變壓器的油路熱量不能及時排出將會導致主變壓器溫度過熱[4]。通過這種強迫導向油循環風冷方式將高溫的主變壓器冷卻液進行強制風冷，冷卻液循環通路如圖2所示(箭頭方向為冷卻液流向)：

1-散熱裝置；2-補償器；3-法蘭葉；4-油循環泵；5-PT100；6-密封套管；7-膨脹油箱；8-主變壓器；9-流量計。圖2 主變壓器散熱裝置結構原理圖

此外在主變壓器散熱系統中采取了多種適當的保護措施，保證散熱裝置的正常運行。包括在冷卻回路中為防止過熱過載執行溫度監測的PT100(溫度采集模塊)和檢查冷卻劑流量是否正常而執行流量監測的流量計，以及為檢測一次電路接地故障執行的一次隔離監測的補償器(通過比較外向電流和返回電流進行差動保護)。

2 主變壓器散熱裝置當前維修決策的方案

為了確保主變壓器散熱裝置性能良好，中國鐵路總公司在二級修維修卡片當中要求結合I2修使用大功率吸塵器對散熱器進行吸塵，結合M1修使用高壓水槍對散熱器進行沖洗。動車組各級預防修周期表如表1所示：

在實際執行中國鐵路總公司關于主變壓器散熱裝置的維修決策過程中發現，柳絮季節內散熱器極易臟堵，按照中國鐵路總公司要求執行時仍然發生多起牽引變壓器油溫高故障。如圖3所示某鐵路局CRH380B(L)型動車組歷年主變散熱裝置臟堵故障統計。

表1 CRH380B(L)型動車組計劃預防修周期表

圖3 某局CRH380B(L)型動車組歷年主變散熱裝置臟堵故障統計

由圖3可知，2011年至2014年期間，隨著該鐵路局配屬的CRH380B(L)型動車組數量增加，主變壓器散熱裝置臟堵導致的故障也在不斷地攀升，說明只根據中國鐵路總公司在二級修維修卡片中的主變散熱裝置維修決策不能滿足動車組在運行過程中主變的散熱要求。自2015年開始該鐵路局在滿足中國鐵路總公司二級修維修卡片中要求的基礎上，對主變散熱裝置維修措施進行了強化：

(1) 在規定的時期內對主變壓器散熱裝置進行加裝濾棉，防止柳絮等異物進入主變壓器散熱裝置系統，影響散熱性能。

(2) 對主變壓器散熱裝置加裝的濾棉進行定期更換維護，防止濾棉臟堵，影響風道通暢。

(3) 除加裝濾棉外，根據不同的季節特點對散熱裝置使用吸塵器吸污或使用高壓水進行沖洗，確保表面清潔，保證進風良好。

主變散熱裝置維修決策強化措施相關維護周期如表2所示。

通過以上主變散熱裝置維修決策強化措施，采取加裝濾棉和加密清潔周期的方式起到了良好的效果，圖3中2015年至2016年由主變壓器散熱裝置臟堵導致的故障大幅度降低，故障數據均控制在個位數以內。

表2 動車段主變散熱裝置維修決策強化措施

通過強化維修措施取得了良好的效果，有效減少了由主變壓器散熱裝置臟堵導致的故障數，但由主變壓器散熱裝置臟堵導致的故障仍然不可避免的發生從而造成巨大的安全風險，更重要的是以固定周期4天換棉給各動車所帶來了巨大的維修工作量。

3 主變壓器散熱裝置維修決策方案優化試驗

3.1 主變壓器散熱裝置維修決策方案優化試驗方法

隨著動車組數字化、智能化、集成化及列車控制網絡的發展，動車組關鍵部件狀態監控、車載自診斷功能和遠程數據傳輸功能的不斷完善，為動車組狀態預防修的實施提供了可靠的數據基礎[5]。與制定CRH380B(L)型動車組主變維修決策相關的遠程數據均可通過車載信息無線傳輸系統(WTDS)實時發送至地面服務器并進行下載，其中包括動車組運行時間、車組號、車廂號、速度、環境溫度和主變散熱裝置出口油溫，如表3所示為CRH380BL-3501在2017年5月20日部分主變維修決策遠程參數。

表3 CRH380BL-3501部分主變維修決策遠程參數 ℃

自2016年5月5日起選取該鐵路局CRH380B-3727/3728兩列動車組為試驗對象，試驗時間為2016年5月5日至2016年9月30日，自2016年7月9日開始新增2組CRH380BL型動車組，分別為CRH380BL-3525和CRH380BL-3542，試驗日期2016年7月9日至2016年9月30日，在試驗期間對動車組變壓器冷卻裝置維修作業開展狀態修方式的試驗。

試驗車組在試驗期間，動車組牽引變壓器散熱裝置濾棉的更換和散熱裝置的沖洗遵循如下方案：根據以往生產經驗，濾棉是否需要進行更換根據散熱風機高速狀態下主變冷卻油的熱平衡溫度判斷(即主變壓器散熱裝置出口油溫)，試驗期間按70 ℃作為標準，即當主變壓器散熱裝置出口油溫達到或超過70 ℃時安排更換濾棉；散熱裝置沖洗的時間間隔根據最近一次濾棉更換的時間間隔判斷，試驗期間按4天為標準，即當濾棉更換時間間隔短于或等于4天時組織沖洗。

CRH380B型動車組為8輛編組，安裝了2個主變壓器，分別在02和07車；CRH380BL型動車組為16輛編組，安裝了4個主變壓器，分別在02、07、10和15車。試驗期間每日通過車載信息無線傳輸系統(WTDS)下載4組車主變散熱裝置出口油溫，并提取其最大值。當其中一個車廂的出口油溫達到70℃時，為了保證整列動車組的主變壓器散熱裝置散熱性能相近，每次更換整組車的濾棉，當達到沖洗條件時同樣沖洗整組車散熱裝置。

3.2 主變壓器散熱裝置維修決策方案優化試驗結果分析

在試驗期間，嚴格按照每日主變壓器散熱裝置最大出口油溫是否超70 ℃要求執行換棉計劃，對試驗車組的主變壓器散熱裝置濾棉間隔進行統計，如表4所示。

CRH380B-3727和CRH380B-3728為重聯車組，所以執行相同的換棉計劃。由表4可知，各試驗動車組主變濾棉更換間隔受自身性能等因素的影響，存在一定的差距。CRH380B-3727、3728動車組主變散熱裝置在2016年5月5日至2016年9月30日期間共換棉10次，平均換棉間隔為14.2天；5月5日至6月15日柳絮季節試驗車組牽引變壓器濾棉更換周期約為11.5天。2016年7月9日至2016年9月30日，CRH380BL-3525動車組主變散熱裝置共換棉4次，平均換棉間隔為19.5天，CRH380BL-3542動車組主變散熱裝置共換棉5次，平均換棉間隔為15.6天。

表4 4組試驗動車組主變散熱裝置濾棉更換間隔表

表5 試驗換棉與理論換棉工作量對比

由表5可知，從2016年5月5日至6月15日屬于柳絮季節，換棉的周期相對較短，自7月9日至9月30日屬夏季高溫期，由于柳絮的減少，雖然外溫較高但換棉周期較柳絮季節仍然較大，表明柳絮對主變壓器散熱裝置濾棉的通風性能存在較大的影響。表4綜合體現不管是柳絮季節或是高溫季節試驗換棉周期均是固定換棉周期4天的數倍以上，最小為8天2倍，最大為37天近9倍。同時換棉工作量均減少70%以上，在保證主變散熱裝置散熱性能良好的基礎上，以當天主變壓器散熱裝置出口油溫最大值為參考實現散熱裝置的狀態修，能夠大大的減少維修工作量，為鐵路局節省大量的人力和物力[6]。

4 主變壓器散熱裝置維修決策優化方案的制定

4.1 主變散熱裝置維修閾值的精確確定

在試驗期間，每日對試驗動車組運行過程中的交路、速度、環境溫度、牽引變壓器出口油溫進行下載，對4組車溫升情況進行分析。提取每日出口最大油溫，將第2日的最高油溫減去前一日的最高溫度，剔除溫度下降的數值進行溫升趨勢性分析，各試驗動車車組最大油溫溫升分布如圖4所示。

由圖4(a)、(b)、(c)、(d)、(e)可以看出，4組動車組每日溫升較大區間均主要集中在2016年4月15日至6月15日柳絮季節期間，其次溫升相對較高區間主要分布在8月下旬，與該季節外界環境溫度高相關。通過統計主變出口油溫溫升區間占比，溫升在15 K以內的占比達97.83%，15～20 K占比1.6%，20K以上占比0.57%。分析單日溫升大于15 K的主變該日油溫均達到68 ℃ 以上，主變濾棉趨于臟堵。

當散熱裝置故障或散熱性能不良導致牽引變壓器油溫異常時，主變壓器會產生相應的故障代碼，同時伴隨輸出功率降低等故障，相關邏輯如下：

(1) 當風扇都正常的情況下，主變壓器油溫達到105 ℃

(2) 當變壓器溫度大于溫度限定值110 ℃時，產生故障代碼634D：變壓器冷卻液溫度超過限定值T3，由于變壓器過熱4QC關閉。

(3) 當變壓器溫度大于溫度限定值115 ℃時，產生故障代碼634C：變壓器冷卻液溫度超過限定值T4，真空斷路器關閉故障。

主變壓器內部的絕緣大部分是A級，A級絕緣的極限溫度為105 ℃ ,高于105 ℃絕緣材料會很快老化。濾棉加裝期間，根據當油溫大于105 ℃時報故障代碼634E，及試驗跟蹤數據單日溫升在15 K以內的占比達到97.83%情況，考慮動車組隔日檢修情況，選取105 ℃ 減30 ℃(15 ℃乘以2)等于75 ℃作為濾棉更換的報警閥值，為了保留一定的安全余量，選擇70 ℃作為濾棉更換閾值，即只要當日主變壓器散熱裝置出口油溫最大值≥70 ℃ 時提示結合動車組最近一次檢修計劃進行更換濾棉。

圖4 試驗車組每日最大溫升分析

4.2 主變散熱裝置維修決策優化方案的制定

針對牽引變壓器溫度限定保護控制邏輯，根據對CRH380B(L)型動車組牽引變壓器散熱裝置結構和功能原理的分析，結合幾起牽引變壓器油溫高故障的數據分析，制定了CRH380B(L)型動車組牽引變壓器散熱裝置維修優化方案如表6所示。

表6 主變散熱裝置維修措施優化方案及預警方法

為了加強安全風險控制，增加當日立即組織更換濾棉決策。濾棉加裝期間，上線動車組任一主變壓器實時出口油溫達到90 ℃時，提示當日立即組織換棉。若動車組當日沒有檢修計劃或在異地存放，只需將對應主變壓器所在的車廂濾棉進行撕除，回動車所后對整個動車組濾棉進行更換。

4.3 主變散熱裝置維修決策優化方案的驗證

根據表6中4條主變維修決策要求，開發出集維修決策實時自動報出、故障查詢及人工處理回填功能一體的系統，將實時出口油溫數據接入系統中并進行自動計算，各動車運用所只需登入網頁版系統即可查詢當日主變散熱裝置維修計劃，系統界面如圖5所示。為了對已制定的主變散熱裝置維修決策優化方案進行驗證，現將優化方案在某鐵路局的兩個動車運用所共69組列車上進行試運用，隨機選取其中的20組動車組，記錄在2017年4月15日至2017年5月15日執行的結果，各組車換棉時間、間隔及工作量統計如表7所示。

由表7可知，由于各動車組相互之間的差異以及運行交路的不同等因素影響，換棉間隔天數具有一定的差別，換棉最小間隔為5天，最大間隔為21天。其中換棉工作量節省45%以上的動車組達到100%，節省60%以上的達到65%，節省70%以上的達到15%，大幅度減少了各動車所的主變壓器散熱裝置維修工作量。

圖5 主變散熱裝置維修決策系統

車組號第1次換棉日期間隔天數/d第2次換棉間隔天數/d第3次換棉間隔天數/d第4次換棉實際次數/次理論次數/次減少工作量/%CRH380B-58492017-04-1962017-04-2872017-05-0982017-05-0847.546.67CRH380BL-35032017-04-1892017-04-2782017-05-0562017-05-1147.546.67CRH380BL-35082017-04-18102017-04-28102017-05-0862017-05-1447.546.67CRH380BL-35122017-04-17122017-04-2962017-05-0592017-05-1447.546.67CRH380BL-35142017-04-1962017-04-2582017-05-0382017-05-1147.546.67CRH380B-35952017-04-21112017-05-0272017-05-0962017-05-1547.546.67CRH380B-57542017-04-2092017-04-2982017-05-0762017-05-1347.546.67CRH380BL-35012017-04-20162017-05-06102017-05-1637.560.00CRH380BL-35022017-04-1992017-04-28102017-05-0837.560.00CRH380BL-35112017-04-17102017-04-27122017-05-0937.560.00CRH380BL-35152017-04-18112017-04-29102017-05-0937.560.00CRH380B-35942017-04-21112017-05-0272017-05-0937.560.00CRH380B-36332017-04-24132017-05-0782017-05-1537.560.00CRH380B-36452017-04-2372017-04-30112017-05-1137.560.00CRH380B-56422017-04-1862017-04-24122017-05-0637.560.00CRH380B-56482017-04-21152017-05-0672017-05-1337.560.00CRH380B-57352017-04-23132017-05-0682017-05-1437.560.00CRH380B-56412017-04-20132017-05-0327.573.33CRH380B-57342017-04-23212017-05-1427.573.33CRH380B-58482017-04-21152017-05-0627.573.33

5 結束語

當前主變壓器散熱裝置維修決策仍然存在較高安全風險和維修工作量大的特點，對動車組主變壓器散熱裝置出口油溫每日最大值進行分析，選取實際上線運行動車組進行主變壓器散熱裝置維修決策優化試驗研究。最終制定以主變壓器散熱裝置出口油溫達70 ℃為更換濾棉和90 ℃為當日立即組織更換濾棉等4條維修決策的主變散熱裝置維修決策優化方案。

通過對優化方案的驗證，對4天固有維修周期對比，安全風險控制靈活性較高，且維修工作量大幅度減少。在優化方案驗證的過程中，隨機選取的20組動車組換棉工作量均節省45%以上，大量節省維修部門的人力物力和財力。通過實時參數實現動車組部件狀態修，對于提高牽引變壓器維修部門的工作效率和我國列車故障預警技術具有重要的意義。

[1] 李宏淵.電力機車牽引變壓器故障診斷的技術研究[D].成都:西南交通大學,2009:5-6.

[2] 劉詩佳,楊宏博,王華勝,等.動車組主變壓器故障模式影響分析[J].鐵道機車車輛,2014,34(1):73-78.

[3] Mushtaq Ismael Hasan. Improving the Cooling Performance of Electrical Distribution Transformer Using Transformer Oil-based Mepcm Suspension[J]. Engineering Science and Technology, 2017, 20(2):502-505.

[4] 游劍輝.強油風冷變壓器冷卻系統積污對散熱能力的影響及其維護[J].青海電力,2013,32(1):13-15.

[5] 周斌,謝名源,吳克明.動車組維修體制現狀分析及展望[J].機車電傳動,2017(1):3-4.

[6] 劉長青.動車組檢修模式的探討[J].鐵道車輛,2013,51(11):34-37.