机车牵引变压器故障分析和诊断_任建华

现场检修 铁道机车车辆工人 第1期2011年1月

文章编号:1007-6042(2011) 01-0013-05

机车牵引变压器故障分析和诊断

任建华

(太原轨道交通装备有限责任公司机车分厂 山西太原 030009)

摘 要:本文从机车牵引变压器铁心和线圈的结构出发, 详细分析了机车牵引变压器的故障和诊断的方法。关键词:机车; 牵引变压器; 故障; 诊断中图分类号:U264. 3+6

文献标识码:B

机车牵引变压器在结构、工作环境、运行方式等方面都与地面变压器有所不同, 且时有过压、过流、超载等情况, 使得机车牵引变压器提早出现了诸多潜伏性故障甚至击穿烧损。从结构上看, 变压器的故障主要发生在铁心、线圈部位, 故障的性质为过热、放电或兼之, 因此对变压器各种故障进行诊断, 确定运行变压器故障状态, 从而选择是返厂大修还是段方吊芯解决, 十分关键。1 铁心故障

(1) 多点接地。铁心两点或两点以上接地, 接地点间形成闭合回路, 产生很大涡流, 过热, 油被分解;

(2) 接地不良。由于接地片松动、铁心叠片松散、引出线对铁轭放电、铁心与油箱壁拉板松动或接触面有油漆等原因, 使得铁心接地不良, 局部过热, 特征气体出现;

(3) 片间短路。铁心绝缘层受损或老化, 硅钢片短路造成铁心烧损; (4) 局部短路。由于穿心螺杆绝缘损坏、夹件夹紧位置不当碰到铁心、电焊头等金属异物落在铁心上, 通过环流, 局部发热, 产生有害气体; (5) 夹紧装置松动。由于上下铁轭夹件、铁心固定装置松动, 在变压器运行时, 铁心和线圈产生很大的振动, 音响大而且嘈杂。

针对以上铁心故障, 通过检测变压器空载损耗、空载电流, 确定铁心是否存在短路, 因为短路时空载损耗与电流会增加许多。同时做色谱分析, 如果CO 、CO 2含量没有或者很低, 特征气体有H 2、CH 4、C 2H 4、C 2H 6且超标, 油闪点降低, 闻到焦糊气味, 这表明铁心中存在短路、局部过热现象, 需吊芯

现场检修 铁道机车车辆工人 第1期2011年1月

检查, 吊芯后检测各部绝缘电阻, 找出故障部位。

2003年11月13日, 接昆明机务段信息反馈, 经太原轨道交通装备有限

#

责任公司大修的2002年1月出厂返段运行的SS 3295机车422变压器油色谱分析数据严重超标, 如表1所示。

表1 SS 3295机车422#变压器油色谱分析报告

名称含量

H 2104. 7

CH 4897. 2

C 2H 41353. 9

C 2H 66625. 6

C 2H 2379. 56

CO 148. 6

/(@10-6) CO 2652. 3

总烃9256. 2

总烃合计为9256. 2@10-6, 超注意值几十倍, 利用三比值法, 三比值为022, 为高于700e 高温度范围的过热性故障, 进一步分析如下:(a) 气体CO 、CO 2含量正常, 与出厂时变化量不大, 且CO /CO2或CO 2/CO 比值为非故障类, 表明绝缘材料未受过热或放电损伤。

(b) 利用放大缩小法, 计算C 2H 2/C2H 4=0. 063, 得出三比值为022, 结合烃类气体关系分析第3类, C 2H 4>C 2H 6>C H 4>C 2H 2, 确认为磁回路过热性故障非导电回路过热性故障, 变压器铁心多点接地。

(c) 利用经验公式, 计算故障源温度T =322@(C 2H 4/C2H 6) +525=585e 。

通过以上分析, 判定该变压器故障在铁心而非绕组结构, 决定赴昆明机务段处理。吊芯结果如下:各绕组线圈状态正常。铁心夹紧, 表面无异常现象。松开接地螺丝, 检测上夹件(包括方铁) 对铁心绝缘电阻无穷大(出厂时100M 8), 下夹件(包括方铁) 对铁心绝缘电阻为0(出厂时100M 8), 在高压侧输入交流220V 电压, 利用交流电流表测得接地电流为0. 1A, 综合分析铁心下铁轭接地, 存在有多点接地。处理方法为起吊变压器器身, 松开两侧方铁螺丝, 两下夹件呈松弛状态, 用榔头稳定击打、振动下夹件, 夹在铁心与高压侧夹件之间的木件止锁片掉了下来, 多点接地故障解除。色谱分析每月跟踪, 连续半年, 符合要求并无变化。

2 线圈故障

机车牵引变压器线圈结构型式有层式、连续式、双饼式、螺旋式, 其中层式、双饼式线圈结构简单, 故障率低, 发生部位在引出线处。单根绕制的连续式线圈故障主要发生在电位梯度高的上下段部分、正反段过渡的/S 0弯处以及线圈引出线处烧断。SS 4、SS 4G 、SS 8、SS 9电力机车主变压器与平波电

)

现场检修 铁道机车车辆工人 第1期2011年1月

抗器一体化, 其平波电抗器线圈为3根并绕连续式, 绕制难度大, 机械强度要求高, 发生的故障率很高。故障主要是线圈正反段里外/S 0换位、引出线与相邻线段之间的绝缘破损而导致线圈烧损, 以及器身压紧螺丝在松动后, 铁心芯柱六方形气隙垫块转动, 割破绝缘筒, 损伤线圈, 甚至造成匝间短路。螺旋式线圈的故障率较高, 其主要发生在螺旋线圈之间的/S 0换位处及变压器部分线匝发生轴向或辐向位移, 造成绝缘磨损而形成穿越性短路, 特别是在次边短路的情况下, 更容易发生, 如2005年5~6月兰州铁路局SS 3机车次边短路(T21等击穿), 造成多台变压器绕组位移, 引出线铜母变形、短路。下面结合实例对变压器的故障进行分析判断。

2. 1 绕组局部放电

SS 4G 212机车2003年5月上旬乘务员发现机车B 节主变压器油温偏高, 回段后检查B 节1位电机轴温高, 固定分路电阻14R 烧断。变压器油色谱分析, 各项指标严重超标, 数据如表2所示。

表2 SS 4G 212机车主变压器油色谱分析报告

名称含量

H 2190. 4

CH 4937. 8

C 2H 4135. 4

C 2H 6106. 2

C 2H 283. 2

CO 723. 4

/(@10-6) CO 21053

总烃1262. 6

分析以上数据得知:故障明显, 三比值为122, 放电与过热故障同时存在, 其中C H 4为总烃的主要成分, 因此故障主要为局部放电, CO /CO2>0. 1,

变压器纸绝缘有烧损现象。

赴段后对变压器外观检查发现, 压力释放阀动作, 变压器油色较重、不清亮, 利用平波电感测定方法与相同感抗均压原理, 输入交流220V, 测得各绕组电感数据如下:C1Y 1为20V, C2Y 2为66V, C3Y 3为54V, C4Y 4为76V 。

平波电抗器电感设计值C1Y1、C4Y 4偏大, C2Y 2、C3Y 3偏小, 结合实测数据分析得出:C2Y 2、C3Y 3、C4Y 4电感值正常, C1Y 1电感值大约为20@14/76=3. 684mH, 电感值很小, 基本起不到滤波作用, 因此使得14R 交流分量过大电阻发红、烧断(此现象曾在SS 4137机车试运中出现过) 。直流电机脉流系数过高, 铁心产生涡流, 温升超标。直流电阻试验C1Y 1为010175超标、其他绕组正常, 这表明C1Y 1绕组3根并绕导线有绝缘击穿、短路现象, 悬浮放电, 击穿变压器油介质, 产生C H 4。短路使得绕组有效匝数减小, 感抗变小, 失去滤波作用。变压器回厂后解体, 故障现象与分析一致。

2. 2 绕组局部过热

2002年12月12日接宝鸡机务段信息反馈, SS 4014#机车A 节主变压器油中特征气体含量较以前急剧增长, 具体数据如表3所示。

表3 SS 4014机车主变压器油色谱分析报告

名称含量

H 2116

CH 4386. 5

C 2H 42516. 8

C 2H 6431. 4

C 2H 2124. 4

CO 100

/(@10-6) CO 21998

总烃3459. 1

总烃合计:345911@10-6, 超过注意值几十倍, 相对产气速率为1912%。三比值为022, 初步分析认为原因主要是过热性故障。

赴段后检测变压器外部油路与风路循环系统正常。做直流电阻试验, 平波电抗器C2Y 2绕组超标, 且大大高于其他绕组, 初步判断有短路环产生短路电流, 使得绕组局部过热烧损并绕导线。吊芯检测发现C2Y 2绕组引出线并绕3根导线其中2根已完全烧断, 故障原因是A 柱的C2引出线与

X 柱同段绕组换位导线间短路, 形成闭合短路环, 产生环流, 造成绕组局部过热, 熔化引出线, 如图1所示。

以上分析的故障现象都比较明显, 对于现象不明显如绕组过热烧损或短路部位在绕组内部不易

发现的, 可采用升压法:吊芯, 对判断为故障的绕组图1 引出线烧断处施加10%~20%的额定电压, 匝间短路处会产生冒烟现象, 从而找出故障点。对于多根并绕的导线之间的短路点, 采用电阻法测定, 以并绕两根导线为例(见图2) , A C 、BD 两根导线在F 处短路, R a 为AF 的电阻, R c 为FC 的电阻, R b 为BF 的电阻, R d 为FD 的电阻。用高精度电桥测量R AB 、R A C 、R BC 则可得

:

R A =(R AB +R AC -R BC ) /2, W AF =R A @W /RAC 。式中, W AF 为A 点至短路点的匝数, W 为总匝数。确定出短路点的位置后, 用纸条对短路点进行包扎,

并用1. 0mm 厚的纸条隔开。2. 3 高压引出线烧损

怀化机务段SS 3B 5078#机车, 2008年9月17日运行至芷江西) 冷水铺间K 1591+747M 处, 机车突然跳主断且原边过流, 次边短路灯一直亮, 变压

图2 电阻法测定短路点

)

器室主断路器处冒烟, 对此, 乘务员立即采取停车措施, 请求救援。赴段后检查确认如下:

(1) 同步变压器3TB 炸裂成碎片, 掉落多处, 表明原边有过流过压;

(2) 阻容保护柜4ZBC 电容正反向检测无穷大, 电容烧损;

(3) 变压器室a2母排在铜排储油柜上安装支架处对角铁有放电痕迹, b4x4之间有放电痕迹, 表明有过电压击穿现象;

(4) 主变压器油色正常, 压力释放阀无动作, 硅胶少部分颜色变黑。

主变压器吊芯检查:气味较重, 器身引出线表面吸附有游离碳, 绕组与连接铜排无位移和变形现象, 检查A 柱高压线圈引出线在线段根部烧断并有烧洞, 绝缘筒边缘碳化, 高低压线圈之间有电弧贯通现象, 综合检查需返厂大修。表4所示为该机车2007年1月出厂后变压器运行的油色谱分析。

表4 SS 3B 5078机车出厂后变压器运行油色谱分析表

时间2007. 5. 162007. 10. 25

H 212691084

CH 4884316

C 2H 6C 2H 4C 2H 22053629

2446833

1714528

CO 13389

CO 224612995

总烃70932308

三比值100101

故障性质电弧放电电弧放电

段方滤油后继续运行, 滤后油样合格, 无数据

2008. 4. 142008. 9. 18

15893026

315722

15193490

8982105

9682053

49135

11401362

38028371

100100

电弧放电电弧放电

2008. 9. 18油理化性能试验, 变压器油有游离碳, 闪点为123, 已影响机车行车安全

(5) 原因分析:从油色谱分析可以看出机车主变压器出厂后运行不久, 有严重的电弧放电现象, 表明变压器一直带故障运行, 而且闪点很低, 易着火, 直至高压A 柱引出线完全击穿烧断, 且高压串入低压后, 高电压使得同步变压器3TB 、4ZBC 电容(曾经更换过) 击穿烧损以及a2母排对地、b4x4铜排之间产生过电压放电现象等, 导致故障扩大。

3 结束语

由于在设计、结构、工艺、配件、检修、组装、试验等方面难免存在问题, 加之机车恶劣的运行条件而使得机车变压器出现不少问题, 因此在机车运用和检修部门加强培训, 培养一批既懂变压器结构和工艺, 又懂故障分析判断方法和技巧的技术人员是非常重要的。t

收稿日期:2010-08-30

现场检修 铁道机车车辆工人 第1期2011年1月

文章编号:1007-6042(2011) 01-0013-05

机车牵引变压器故障分析和诊断

任建华

(太原轨道交通装备有限责任公司机车分厂 山西太原 030009)

摘 要:本文从机车牵引变压器铁心和线圈的结构出发, 详细分析了机车牵引变压器的故障和诊断的方法。关键词:机车; 牵引变压器; 故障; 诊断中图分类号:U264. 3+6

文献标识码:B

机车牵引变压器在结构、工作环境、运行方式等方面都与地面变压器有所不同, 且时有过压、过流、超载等情况, 使得机车牵引变压器提早出现了诸多潜伏性故障甚至击穿烧损。从结构上看, 变压器的故障主要发生在铁心、线圈部位, 故障的性质为过热、放电或兼之, 因此对变压器各种故障进行诊断, 确定运行变压器故障状态, 从而选择是返厂大修还是段方吊芯解决, 十分关键。1 铁心故障

(1) 多点接地。铁心两点或两点以上接地, 接地点间形成闭合回路, 产生很大涡流, 过热, 油被分解;

(2) 接地不良。由于接地片松动、铁心叠片松散、引出线对铁轭放电、铁心与油箱壁拉板松动或接触面有油漆等原因, 使得铁心接地不良, 局部过热, 特征气体出现;

(3) 片间短路。铁心绝缘层受损或老化, 硅钢片短路造成铁心烧损; (4) 局部短路。由于穿心螺杆绝缘损坏、夹件夹紧位置不当碰到铁心、电焊头等金属异物落在铁心上, 通过环流, 局部发热, 产生有害气体; (5) 夹紧装置松动。由于上下铁轭夹件、铁心固定装置松动, 在变压器运行时, 铁心和线圈产生很大的振动, 音响大而且嘈杂。

针对以上铁心故障, 通过检测变压器空载损耗、空载电流, 确定铁心是否存在短路, 因为短路时空载损耗与电流会增加许多。同时做色谱分析, 如果CO 、CO 2含量没有或者很低, 特征气体有H 2、CH 4、C 2H 4、C 2H 6且超标, 油闪点降低, 闻到焦糊气味, 这表明铁心中存在短路、局部过热现象, 需吊芯

现场检修 铁道机车车辆工人 第1期2011年1月

检查, 吊芯后检测各部绝缘电阻, 找出故障部位。

2003年11月13日, 接昆明机务段信息反馈, 经太原轨道交通装备有限

#

责任公司大修的2002年1月出厂返段运行的SS 3295机车422变压器油色谱分析数据严重超标, 如表1所示。

表1 SS 3295机车422#变压器油色谱分析报告

名称含量

H 2104. 7

CH 4897. 2

C 2H 41353. 9

C 2H 66625. 6

C 2H 2379. 56

CO 148. 6

/(@10-6) CO 2652. 3

总烃9256. 2

总烃合计为9256. 2@10-6, 超注意值几十倍, 利用三比值法, 三比值为022, 为高于700e 高温度范围的过热性故障, 进一步分析如下:(a) 气体CO 、CO 2含量正常, 与出厂时变化量不大, 且CO /CO2或CO 2/CO 比值为非故障类, 表明绝缘材料未受过热或放电损伤。

(b) 利用放大缩小法, 计算C 2H 2/C2H 4=0. 063, 得出三比值为022, 结合烃类气体关系分析第3类, C 2H 4>C 2H 6>C H 4>C 2H 2, 确认为磁回路过热性故障非导电回路过热性故障, 变压器铁心多点接地。

(c) 利用经验公式, 计算故障源温度T =322@(C 2H 4/C2H 6) +525=585e 。

通过以上分析, 判定该变压器故障在铁心而非绕组结构, 决定赴昆明机务段处理。吊芯结果如下:各绕组线圈状态正常。铁心夹紧, 表面无异常现象。松开接地螺丝, 检测上夹件(包括方铁) 对铁心绝缘电阻无穷大(出厂时100M 8), 下夹件(包括方铁) 对铁心绝缘电阻为0(出厂时100M 8), 在高压侧输入交流220V 电压, 利用交流电流表测得接地电流为0. 1A, 综合分析铁心下铁轭接地, 存在有多点接地。处理方法为起吊变压器器身, 松开两侧方铁螺丝, 两下夹件呈松弛状态, 用榔头稳定击打、振动下夹件, 夹在铁心与高压侧夹件之间的木件止锁片掉了下来, 多点接地故障解除。色谱分析每月跟踪, 连续半年, 符合要求并无变化。

2 线圈故障

机车牵引变压器线圈结构型式有层式、连续式、双饼式、螺旋式, 其中层式、双饼式线圈结构简单, 故障率低, 发生部位在引出线处。单根绕制的连续式线圈故障主要发生在电位梯度高的上下段部分、正反段过渡的/S 0弯处以及线圈引出线处烧断。SS 4、SS 4G 、SS 8、SS 9电力机车主变压器与平波电

)

现场检修 铁道机车车辆工人 第1期2011年1月

抗器一体化, 其平波电抗器线圈为3根并绕连续式, 绕制难度大, 机械强度要求高, 发生的故障率很高。故障主要是线圈正反段里外/S 0换位、引出线与相邻线段之间的绝缘破损而导致线圈烧损, 以及器身压紧螺丝在松动后, 铁心芯柱六方形气隙垫块转动, 割破绝缘筒, 损伤线圈, 甚至造成匝间短路。螺旋式线圈的故障率较高, 其主要发生在螺旋线圈之间的/S 0换位处及变压器部分线匝发生轴向或辐向位移, 造成绝缘磨损而形成穿越性短路, 特别是在次边短路的情况下, 更容易发生, 如2005年5~6月兰州铁路局SS 3机车次边短路(T21等击穿), 造成多台变压器绕组位移, 引出线铜母变形、短路。下面结合实例对变压器的故障进行分析判断。

2. 1 绕组局部放电

SS 4G 212机车2003年5月上旬乘务员发现机车B 节主变压器油温偏高, 回段后检查B 节1位电机轴温高, 固定分路电阻14R 烧断。变压器油色谱分析, 各项指标严重超标, 数据如表2所示。

表2 SS 4G 212机车主变压器油色谱分析报告

名称含量

H 2190. 4

CH 4937. 8

C 2H 4135. 4

C 2H 6106. 2

C 2H 283. 2

CO 723. 4

/(@10-6) CO 21053

总烃1262. 6

分析以上数据得知:故障明显, 三比值为122, 放电与过热故障同时存在, 其中C H 4为总烃的主要成分, 因此故障主要为局部放电, CO /CO2>0. 1,

变压器纸绝缘有烧损现象。

赴段后对变压器外观检查发现, 压力释放阀动作, 变压器油色较重、不清亮, 利用平波电感测定方法与相同感抗均压原理, 输入交流220V, 测得各绕组电感数据如下:C1Y 1为20V, C2Y 2为66V, C3Y 3为54V, C4Y 4为76V 。

平波电抗器电感设计值C1Y1、C4Y 4偏大, C2Y 2、C3Y 3偏小, 结合实测数据分析得出:C2Y 2、C3Y 3、C4Y 4电感值正常, C1Y 1电感值大约为20@14/76=3. 684mH, 电感值很小, 基本起不到滤波作用, 因此使得14R 交流分量过大电阻发红、烧断(此现象曾在SS 4137机车试运中出现过) 。直流电机脉流系数过高, 铁心产生涡流, 温升超标。直流电阻试验C1Y 1为010175超标、其他绕组正常, 这表明C1Y 1绕组3根并绕导线有绝缘击穿、短路现象, 悬浮放电, 击穿变压器油介质, 产生C H 4。短路使得绕组有效匝数减小, 感抗变小, 失去滤波作用。变压器回厂后解体, 故障现象与分析一致。

2. 2 绕组局部过热

2002年12月12日接宝鸡机务段信息反馈, SS 4014#机车A 节主变压器油中特征气体含量较以前急剧增长, 具体数据如表3所示。

表3 SS 4014机车主变压器油色谱分析报告

名称含量

H 2116

CH 4386. 5

C 2H 42516. 8

C 2H 6431. 4

C 2H 2124. 4

CO 100

/(@10-6) CO 21998

总烃3459. 1

总烃合计:345911@10-6, 超过注意值几十倍, 相对产气速率为1912%。三比值为022, 初步分析认为原因主要是过热性故障。

赴段后检测变压器外部油路与风路循环系统正常。做直流电阻试验, 平波电抗器C2Y 2绕组超标, 且大大高于其他绕组, 初步判断有短路环产生短路电流, 使得绕组局部过热烧损并绕导线。吊芯检测发现C2Y 2绕组引出线并绕3根导线其中2根已完全烧断, 故障原因是A 柱的C2引出线与

X 柱同段绕组换位导线间短路, 形成闭合短路环, 产生环流, 造成绕组局部过热, 熔化引出线, 如图1所示。

以上分析的故障现象都比较明显, 对于现象不明显如绕组过热烧损或短路部位在绕组内部不易

发现的, 可采用升压法:吊芯, 对判断为故障的绕组图1 引出线烧断处施加10%~20%的额定电压, 匝间短路处会产生冒烟现象, 从而找出故障点。对于多根并绕的导线之间的短路点, 采用电阻法测定, 以并绕两根导线为例(见图2) , A C 、BD 两根导线在F 处短路, R a 为AF 的电阻, R c 为FC 的电阻, R b 为BF 的电阻, R d 为FD 的电阻。用高精度电桥测量R AB 、R A C 、R BC 则可得

:

R A =(R AB +R AC -R BC ) /2, W AF =R A @W /RAC 。式中, W AF 为A 点至短路点的匝数, W 为总匝数。确定出短路点的位置后, 用纸条对短路点进行包扎,

并用1. 0mm 厚的纸条隔开。2. 3 高压引出线烧损

怀化机务段SS 3B 5078#机车, 2008年9月17日运行至芷江西) 冷水铺间K 1591+747M 处, 机车突然跳主断且原边过流, 次边短路灯一直亮, 变压

图2 电阻法测定短路点

)

器室主断路器处冒烟, 对此, 乘务员立即采取停车措施, 请求救援。赴段后检查确认如下:

(1) 同步变压器3TB 炸裂成碎片, 掉落多处, 表明原边有过流过压;

(2) 阻容保护柜4ZBC 电容正反向检测无穷大, 电容烧损;

(3) 变压器室a2母排在铜排储油柜上安装支架处对角铁有放电痕迹, b4x4之间有放电痕迹, 表明有过电压击穿现象;

(4) 主变压器油色正常, 压力释放阀无动作, 硅胶少部分颜色变黑。

主变压器吊芯检查:气味较重, 器身引出线表面吸附有游离碳, 绕组与连接铜排无位移和变形现象, 检查A 柱高压线圈引出线在线段根部烧断并有烧洞, 绝缘筒边缘碳化, 高低压线圈之间有电弧贯通现象, 综合检查需返厂大修。表4所示为该机车2007年1月出厂后变压器运行的油色谱分析。

表4 SS 3B 5078机车出厂后变压器运行油色谱分析表

时间2007. 5. 162007. 10. 25

H 212691084

CH 4884316

C 2H 6C 2H 4C 2H 22053629

2446833

1714528

CO 13389

CO 224612995

总烃70932308

三比值100101

故障性质电弧放电电弧放电

段方滤油后继续运行, 滤后油样合格, 无数据

2008. 4. 142008. 9. 18

15893026

315722

15193490

8982105

9682053

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电弧放电电弧放电

2008. 9. 18油理化性能试验, 变压器油有游离碳, 闪点为123, 已影响机车行车安全

(5) 原因分析:从油色谱分析可以看出机车主变压器出厂后运行不久, 有严重的电弧放电现象, 表明变压器一直带故障运行, 而且闪点很低, 易着火, 直至高压A 柱引出线完全击穿烧断, 且高压串入低压后, 高电压使得同步变压器3TB 、4ZBC 电容(曾经更换过) 击穿烧损以及a2母排对地、b4x4铜排之间产生过电压放电现象等, 导致故障扩大。

3 结束语

由于在设计、结构、工艺、配件、检修、组装、试验等方面难免存在问题, 加之机车恶劣的运行条件而使得机车变压器出现不少问题, 因此在机车运用和检修部门加强培训, 培养一批既懂变压器结构和工艺, 又懂故障分析判断方法和技巧的技术人员是非常重要的。t

收稿日期:2010-08-30