电力机车主变压器常见故障原因分析及预防措施(叶鹏)(2)

电力机车主变压器常见故障原因分析及预防措施
叶鹏李学锋
（济南铁路局济南机务段技术科山东济南250023）
摘要：通过对电力机车主变压器故障分类并进行分析研究，归纳总结引起变压器故障的几种原因，并提出预防措施。

关键词：主变压器故障原因预防
1 问题提出
电力机车主变压器是机车电传动结构中的心脏部分，它的性能好坏直接影响到机车运行的安全。

以HXD3型电力机车为例，它采用FPWR1型主变压器（见图1），采取真空注氮，全密封结构。

从该型车自2010年配属济南机务段运行状况来看，尽管主变压器故障率不高，但是一旦出现故障就会造成重大的损失。

轻则可能会造成设备故障,带来严重经济损失;重则会引发火情，严重危及正常的运输安全。

因此,研究分析机车变压器的故障原因,并采取相应的防范措施就具有非常重要的意义。

图1 FPWR1型主变压器
2 现状分析
常见的电力机车变压器故障起始原因多由其内部原因引起，如内部的装配、设备质量问题产生隐性绝缘层薄弱，绝缘油老化；线圈绕组的绝缘击穿、断线、变形；铁芯叠片之间绝缘不好，接地不好，铁芯两点或多点接地及铁芯螺栓绝缘击穿等。

由于HXD3型机车主变压器采用全密封结构，以上成因又多出现在其内部，因此给现场技术人员“修、管、用”带来极大的不便。

3 主变压器故障类型
3.1按故障发生过程分类
通过对近年来全路发生的电力机车变压器故障情况进行梳理，大致可按故障发生过程分为突发性、潜伏性故障两种类型。

3.1.1突发性故障
主要包括异常电压（操作过电压、分相过电压及谐波过电压）引起的绝缘击穿；外部CI炸裂引起短路；事故引起的绕组变形、层间短路；自然灾害等。

3.1.2 由潜伏性故障发展而形成的故障
主要包括变压器内部铁芯绝缘不良，铁芯叠片之间绝缘不良，铁芯穿芯螺栓的绝缘不良，由外界反复短路引起的绕组变形，过负荷引起的绝缘层老化，由于受潮游离放电引起绝缘材料、绝缘油老化。

3.2 按变压器故障性质分类
通过对现场主变压器使用跟踪情况及对故障变压器返厂解体分析发现，按照变压器故障性质又可分为过热性故障、放电性故障、绝缘油故障等类型。

上述三种故障类型缩短变压器寿命的根源均是绝缘层的老化。

它使变压器逐渐丧失原有的机械性能和绝缘性能，容易产生局部放电，降低绝缘的工频及冲击击穿强度，
缩短变压器的使用寿命。

下面我们对上述三种变压器故障类型做进一步详细分析。

4 变压器故障原因分析
4.1放电性故障
电力机车主变压器在25kV工频电压下的长期运行寿命长短与其绝缘介质中有无局部放电存在密切联系。

放电越弱，则正常运行寿命越长。

局部放电对绝缘介质的破坏大致有如下几个方面：
(1)电粒子冲击绝缘介质，破坏其分子结构，如纤维碎裂，因而绝缘介质受到损伤。

并且由于带电粒子的撞击作用，使绝缘介质出现局部温度升高，从而易引起绝缘层过热，严重时就会出现碳化（见图2）。

图2 变压器连线绝缘层碳化
(2)当局部放电产生的臭氧（O3）及氮的化合物（NO、NO2）遇到水分时则产生硝酸和亚硝酸，它们对绝缘材料起到强烈腐蚀作用，并与裸铜起化学反应后产生铜绿和硝酸铜粉末，使铜导体腐蚀，而对绝缘介质的侵蚀更为强烈。

(3)在局部放电时，绝缘油因电解而分解生成油泥沉积在固体绝缘材质上，
使绝缘介质的损耗激增，散热能力降低，使该处形成局部过热点，导致更剧烈的放电，促使绝缘层损坏。

(4)长期的局部放电会进一步发展为沿厚度方向的贯通性击穿及沿表面的树枝状放电，后者通常更为容易发生，它属于一种高能量的局部放电，最终将形成树枝状的碳化通道。

局部放电的持续发展，最终会使绝缘层正常寿命缩短，从而使故障发生的可能性大大增加。

4.2过热性故障
过热性故障占变压器故障的比例较大，对绝缘的危害性严重。

当变压器内部发生各种热性故障时，由于局部温度较高，可导致热点附近的绝缘介质发生热分解而析出气体，变压器内油浸绝缘纸开始热解时产生的主要气体是CO2，随温度的升高，产生的CO含量也增多并且都溶于油中。

在更高温度下，绝缘纸会产生气泡并逸出从而加重绝缘老化，聚合度下降，当受到外部短路、电磁机械力等应力作用时，绝缘纸将破损，最终会迅速发展为电弧性热点而造成设备损坏。

（见图3）
图3 变压器内部接线端子电弧性创伤
4.3绝缘油故障
在油浸式变压器中，变压器油是最基本的绝缘材料之一。

变压器油具有绝缘、冷却、防潮、灭弧等作用，油品的质量直接影响变压器的使用效果。

变压器油的主要成份有环烷烃、烷烃、芳香烃及混入的杂质，各种杂质特别是水分和气体，对油的耐电强度影响很大。

变压器油的主要性能指标有绝缘击穿电压、黏度、介质损耗角及电阻率等，其中，绝缘击穿电压是检验油耐受极限电应力非常重要的一项指标。

正常情况下变压器油的氧化过程进行的很慢，但当变压器线圈发生局部过热、放电、击穿，以及铁芯过热、接地等各种故障时，故障点的热能会使烃类化合物的键断裂而产生低分子烃类或氢气。

变压器内部存在的放电、过热等故障还会导致故障区附近的固体绝缘材料产生裂解，使纤维素断键，形成碳的化合物，如CO、CO2。

综上所述，变压器油中会溶解有氢气（H2）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）等微量气体，这些气体为特性气体，其中把甲烷、乙烷、乙烯和乙炔含量的总和称为总烃。

这些气体的含量与施加于这些材料上的热应力、电应力和机械应力的强弱成正比关系。

随着变压器的老化，变压器油中溶解的气体会呈缓慢增加趋势。

如果存在潜伏性过热或放电现象时，变压器油中气体会出现很多异常现象，如产气速率高、气泡扩大增多，使放电增强，从而加速绝缘损坏。

因此，通过分析油中溶解气体的成分、特征气体含量、变化趋势等，可判断变压器是否存在内部潜伏性故障及故障的性质。

（见表1）
表1 不同故障类型所产生的气体
5 变压器故障预防措施
通过对上述变压器故障分类并进行原因分析，济南机务段针对HXD3、HXD3C型系列机车主变压器特点形成了一套较为完善的故障预判及防范措施，在实际工作中取得了不错的效果。

自配属HXD3、HXD3C系列机车以来未发生一起因主变压器故障造成的机车故障，防范发生变压器故障6件。

相关措施具体如下：
5.1 严格落实HXD3、HXD3C型电力机车变压器油检测工作要求，结合修程周期的不同对变压器油样进行检测。

一是针对新配属及二年检回段机车进行一次油样化验；二是结合季2修程对油样再次化验对比；三是针对返修或更换主变压器的机车，上线前必须进行一次油样检测。

5.2化验室严格依据《运用中变压器油质量》（GB/T7595）规定进行油样检测。

采用理化分析及气相色谱分析两种分析方式，针对油样外观、水溶性酸（PH 值）、酸值、闪点（闭口）、水分、击穿电压、介质损耗因数，及特性气体含量进行分析，用理论数值说话，确保变压器工作状态可靠。

5.3 结合HXD3、HXD3C系列机车小辅修定期对主变压器原边1U端子扭矩
及避雷器绝缘值进行测量，针对不符合绝缘要求的避雷器及时更换，以减少雷击过电压对变压器的损害。

5.4 准确掌握变压器负荷变化，保持变压器的性能良好。

由检修人员定期添乘长交路机车观察变压器负荷范围和绝缘油油温情况，避免因油温过高造成绝缘老化。

5.5 认真做好夏季主变压器复合冷却器清洗工作。

针对北方夏季高温湿热及线路周边空气PM2.5含量较高易引起主变压器油温升高、绝缘油老化的问题，每年4至10月份在修程之间增加一次复合冷却器清洗工作，利用碱性清洗剂对变压器复合冷却器表面及铝翅夹缝的污垢、杂物、灰尘进行清理,测量记录确保通风状态达到8m/s以上。

同时状态检查各附属油管路有无渗漏或一些可能限制油流动的机械损伤。

此外,出入库机车根据环温的不同对变压器的油色、油位进行检查确认,发现问题后及时采取应对措施，消除隐患。

5.6针对油样化验超标的变压器，一是采取二次化验对比确认的方式，防止误判；二是专业技术人员与厂方服务人员形成攻关小组共同探讨故障原因，积极促成变压器的返厂及修复；三是长期与兄弟单位互通资源信息，加强业务知识的再深化；四是不定期派业务骨干力量深入厂方，及时了解返修变压器的故障成因，并对变压器的组装工艺进行现场学习。

6 结束语
变压器作为电力机车的一个重要设备，其运行稳定性关系到铁路的运输安全。

因此,实践中只有对各种故障的发生原因进行分析、对比、总结，采取有针对性的防范措施，才可以排除安全隐患，保障变压器的稳定工作。

今后，我们仍将继续探索和总结，不断提高对变压器的认识，同时也欢迎兄弟单位同行提出宝贵意见，
共同提高。

叶鹏（1983-）山东济南人，工程师李学锋（1976-）山东济南人，工程师。