劉 浩

（哈大鐵路客運(yùn)專線有限責(zé)任公司）

0 引言

高速鐵路的快速發(fā)展對(duì)牽引供電系統(tǒng)的可靠性、安全性提出了更高的要求。牽引變壓器作為牽引供電系統(tǒng)的核心部件，其運(yùn)行狀況直接影響供電系統(tǒng)是否能安全、高效地運(yùn)行，因此對(duì)牽引變壓器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)電氣化鐵路的安全可靠運(yùn)行具有重要意義。采用油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置能盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部存在的潛伏性故障并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)故障的發(fā)展情況，不僅能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，避免由牽引變壓器故障造成的鐵路運(yùn)營事故，同時(shí)提高了檢修人員的工作效率，而且降低了牽引變壓器的維護(hù)成本，提高了電氣化鐵路系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。在線監(jiān)測(cè)故障預(yù)警也和高鐵牽引系統(tǒng)“預(yù)防為主，重檢慎修”的維護(hù)概念相吻合。本文結(jié)合牽引變壓器的運(yùn)行特點(diǎn)分析其內(nèi)部故障，簡單介紹油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置的原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析油色譜在線檢測(cè)裝置在牽引供電系統(tǒng)中的重要性。

1 牽引變壓器運(yùn)行特點(diǎn)

牽引變壓器是一種特殊電壓等級(jí)的電力變壓器，其要不斷地承受過負(fù)荷和短路沖擊，需滿足牽引負(fù)荷變化劇烈、外部短路頻繁的需求。與普通電力變壓器相比，由于列車在行進(jìn)過程中要受到不同速度、重量等工況和彎道、坡道等操作的影響，牽引負(fù)荷具有沖擊性、隨機(jī)性和非線性的特點(diǎn)[1]，具體內(nèi)容如下。

（1）負(fù)荷沖擊性

由于電力機(jī)車牽引的重量、速度及軌道環(huán)境不同，線路要求的負(fù)載具有較大的幅值變化，如機(jī)車在上下坡時(shí)可能突然加載或斷電運(yùn)行，這使供電系統(tǒng)的負(fù)載突然增高或降低；雖然牽引供電系統(tǒng)的整體平均負(fù)載很小，但為了保證電氣化鐵路運(yùn)輸能力的充分發(fā)揮，要求其必須具有高的負(fù)載過載系數(shù)；我國鐵路客貨混運(yùn)的特點(diǎn)使得牽引供電系統(tǒng)不但負(fù)載幅值變化大，而且負(fù)載周期變化頻繁。

（2）負(fù)荷隨機(jī)性

由于列車在運(yùn)行過程中的加速、恒速、惰性、制動(dòng)等各種工況以及運(yùn)行中坡道、彎道、站場(chǎng)、道岔、自然氣候、司機(jī)操作過程等因素的影響，使?fàn)恳?fù)荷隨機(jī)波動(dòng)[2]。

（3）負(fù)荷非線性

牽引電機(jī)使用的直流電是通過交流電全波整流得到的，這是一個(gè)非線性過程，故牽引負(fù)荷為非線性負(fù)荷，牽引電流的波形含有明顯的諧波成分。這些諧波會(huì)在鐵心和繞組中產(chǎn)生大量的附加損耗，引起附加發(fā)熱，加速油紙絕緣的老化，縮短變壓器的運(yùn)行年限。

由于牽引負(fù)荷的以上特點(diǎn)，牽引變壓器的繞組溫升、絕緣破壞、線圈電磁力、機(jī)械摩擦力等都比一般的電力變壓器嚴(yán)重，這些特點(diǎn)增大了牽引變壓器絕緣故障的概率，降低了絕緣壽命。絕緣狀態(tài)的迅速老化嚴(yán)重時(shí)將造成鐵路運(yùn)輸?shù)闹袛?，給安全生產(chǎn)帶來巨大損失，所以對(duì)牽引變壓器內(nèi)部絕緣情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及早發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷并發(fā)出警告，降低事故發(fā)生率具有重大意義。

2 牽引變壓器的故障類型和故障產(chǎn)生的氣體

牽引變壓器的內(nèi)部故障主要分為過熱性故障、放電性故障及絕緣受潮故障三種。

過熱性故障是由于熱應(yīng)力造成的絕緣加速劣化引起的，是牽引變壓器最常見的內(nèi)部故障。變壓器在運(yùn)行過程中，鐵心、繞組和鋼結(jié)構(gòu)件中均要產(chǎn)生損耗，這些損耗將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃堪l(fā)散到周圍的介質(zhì)中，引起變壓器發(fā)熱和溫度升高，縮短變壓器的絕緣壽命[3]。

放電性故障是在高電場(chǎng)作用下造成的絕緣劣化所引起的變壓器內(nèi)部主要故障，可分為電弧放電、火花放電、局部放電。電弧放電是一種高能放電，通常發(fā)生于線圈匝和層間，其特點(diǎn)是產(chǎn)生急劇且量大。火花放電是一種低能量放電，常發(fā)生在高電位的金屬部件或高壓套管端部存在懸浮電位或者變壓器油中含有雜質(zhì)的情況。當(dāng)變壓器油紙絕緣中含有氣隙時(shí)，由于氣體的介電常數(shù)小而擊穿場(chǎng)強(qiáng)比油和紙的都低，在運(yùn)行中常因此而發(fā)生局部放電。局部放電會(huì)造成變壓器絕緣逐步受到侵蝕和損傷。

絕緣受潮故障是變壓器內(nèi)部的油紙絕緣結(jié)構(gòu)吸潮使絕緣材料降解老化、介質(zhì)損耗增加、絕緣電阻降低，最終會(huì)縮短變壓器的運(yùn)行壽命。絕緣中微水含量的不平衡分布會(huì)使絕緣中產(chǎn)生氣泡，引發(fā)局部放電，油紙絕緣中微水的擴(kuò)散還會(huì)加劇油流帶電現(xiàn)象。

牽引變壓器內(nèi)部發(fā)生不同的故障類型會(huì)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生不同的特征氣體，因此可根據(jù)故障氣體的成分、含量來判斷故障的類型和嚴(yán)重程度。牽引變壓器油中溶解氣體種類與故障類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系基本與電力變壓器相同，如下表[4]所示。

表 不同故障類型產(chǎn)生的氣體

3 油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置系統(tǒng)介紹

牽引變壓器在運(yùn)行過程中經(jīng)常會(huì)遇到過負(fù)荷和頻繁短路沖擊等情況，這導(dǎo)致其內(nèi)部絕緣故障的發(fā)生率很高。油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置采用氣相色譜法測(cè)定變壓器油中溶解氣體的組分含量，是判斷變壓器是否存在潛伏性的過熱、放電等絕緣故障，以保障供電系統(tǒng)安全運(yùn)行的有效手段。

油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置一般由油氣分離單元、氣體檢測(cè)單元、數(shù)據(jù)采集和信號(hào)控制單元以及上位機(jī)控制單元組成。以TROM-600變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置為例，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。該系統(tǒng)通過油循環(huán)的方式從變壓器中獲取新鮮油樣，可實(shí)時(shí)反映變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，且不消耗油樣，測(cè)試后的變壓器油可經(jīng)過排油管路回到變壓器中。油氣分離單元采用真空脫氣的方式，脫氣時(shí)間快，脫氣效率高于95%。通過真空脫氣分離出來的故障氣體在載氣的推動(dòng)下經(jīng)過色譜柱，色譜柱對(duì)混合氣體中不同組分的氣體進(jìn)行分離，這樣當(dāng)不同組分的氣體通過色譜柱分離的順序依次經(jīng)過傳感器之后，傳感器就可以檢測(cè)到各組分氣體的含量了。數(shù)據(jù)采集和信號(hào)控制單元的功能是控制系統(tǒng)工作流程、采集有效信號(hào)、信號(hào)處理和簡單的故障診斷[5]。上位機(jī)控制單元按照RS485/232通訊方式從數(shù)據(jù)采集單元獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)變壓器狀態(tài)進(jìn)行分析并報(bào)警，為變壓器檢修提供依據(jù)。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，全過程控制系統(tǒng)溫度并檢測(cè)系統(tǒng)壓力等變量，對(duì)氣體進(jìn)行定量測(cè)量，在嚴(yán)寒和低壓等極端環(huán)境下仍能穩(wěn)定工作。

圖 TROM-600油色譜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)束語

變壓器油色譜在線檢測(cè)裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引變壓器內(nèi)部故障狀態(tài)提早預(yù)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患故障，防止故障向嚴(yán)重程度發(fā)展，進(jìn)而減小高鐵牽引供電系統(tǒng)故障引起的風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)牽引變壓器運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷，可有計(jì)劃地對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修，減輕檢修人員的工作壓力，提高設(shè)備完好率和利用率，降低維護(hù)成本，提高牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。目前油色譜在線監(jiān)測(cè)裝置已經(jīng)成為變壓器日常檢修維護(hù)最重要的手段之一，未來也會(huì)在高鐵牽引供電系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

[1]張志剛. 朔黃鐵路牽引變壓器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2012.

[2]張軍. 牽引變壓器絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2005.

[3]路長柏. 電力變壓器理論與計(jì)算[M]. 沈陽: 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社, 2007.

[4]GB/T 7252—2001. 變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則[S].

[5]盛進(jìn)路. 牽引變壓器絕緣老化特性及其檢測(cè)技術(shù)的研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2005.