牽引變壓器監(jiān)測技術(shù)與故障診斷研究

王宇

摘 要：牽引變電所是電氣化鐵路供電系統(tǒng)的心臟，是發(fā)電廠到電力機(jī)車之間的重要環(huán)節(jié)之一，主要由牽引變壓器和相應(yīng)的配電裝置構(gòu)成。牽引變壓器的作用是將110 kV（220 kV）的三相交流電變換成27.5 kV（55 kV）的單相交流電。變壓器的運(yùn)行是否安全可靠，關(guān)系著牽引供電系統(tǒng)能否正常運(yùn)行工作。因此，牽引變壓器運(yùn)行維護(hù)必須合理，盡可能消除或減少故障，提高牽引變壓器運(yùn)行的可靠性。分析牽引變壓器的常見故障和產(chǎn)生原因，研究狀態(tài)監(jiān)測的現(xiàn)狀和存在的問題，對(duì)于牽引變壓器運(yùn)行維護(hù)有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：牽引變壓器；故障診斷；檢測技術(shù)；存在的問題

中圖分類號(hào)：TM407 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）02-0010-02

1 牽引變壓器故障和監(jiān)測

牽引變壓器是牽引供電系統(tǒng)中的電壓轉(zhuǎn)換設(shè)備，它一旦發(fā)生事故，恢復(fù)所需時(shí)間較長，產(chǎn)生的后果也比較嚴(yán)重。

目前，我國的變壓器設(shè)計(jì)水平、制造工藝和相關(guān)材料的應(yīng)用已經(jīng)取得很大進(jìn)步，這也使得現(xiàn)在的牽引變壓器工作可靠性越來越好，但是由于其應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性不斷增多、牽引負(fù)荷的突變性增強(qiáng)，依然會(huì)有一些預(yù)料不到的事故發(fā)生。

1.1 牽引變壓器故障發(fā)生的原因

造成變壓器故障的原因有很多，大致有這幾種：①在牽引變壓器制造過程中，廠家設(shè)計(jì)出現(xiàn)問題、材料選擇不恰當(dāng)和制造質(zhì)量的缺陷等都會(huì)使變壓器發(fā)生故障。②在設(shè)備運(yùn)行過程中，由其他設(shè)備故障引起的最常見的就是各種過電壓的威脅，主要是外部過電壓和內(nèi)部過電壓，其中外部過電壓主要是指雷擊或感應(yīng)電。過電壓的作用時(shí)間雖短，但它的數(shù)值卻是變壓器正常工作電壓的幾百甚至幾千倍，所以容易損壞變壓器絕緣，使變壓器不能正常工作。③在設(shè)備維修環(huán)節(jié)中，操作人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)參差不齊、工作狀態(tài)不同，在維護(hù)過程中操作不當(dāng)會(huì)造成變壓器個(gè)別部位短路，或者出現(xiàn)突發(fā)性過負(fù)荷，這種維修人員的誤操作也是造成變壓器故障的原因之一。④牽引變壓器產(chǎn)品本身的不可抗因素造成故障。比如，絕緣老化——任何一種絕緣材料都會(huì)有自然老化現(xiàn)象，最常出現(xiàn)的情況是變壓器長時(shí)間過負(fù)荷或短路運(yùn)行，造成內(nèi)部出現(xiàn)局部放電、過熱等異?，F(xiàn)象時(shí)，就會(huì)大大加速變壓器絕緣材料的老化，進(jìn)而引發(fā)絕緣故障。

1.2 牽引變壓器故障診斷

工作中的牽引變壓器發(fā)生故障時(shí)，一般會(huì)伴隨著多種不正常的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可以轉(zhuǎn)化為多種信號(hào)，比如，光信號(hào)、溫度信號(hào)等。故障診斷就是通過采集牽引變壓器的這些異常狀態(tài)信息，把這些狀態(tài)信息利用計(jì)算機(jī)等高科技設(shè)備和手段進(jìn)行對(duì)比分析，然后判斷出故障的具體特性。

診斷故障的目的不僅僅是發(fā)現(xiàn)問題，最主要是為了檢測出故障產(chǎn)生的部位和輕微故障的發(fā)展程度，以便于檢修部門采取相應(yīng)措施來消除故障，從而防止變壓器因故障加重?fù)p壞而停運(yùn)，更重要的是，可以發(fā)現(xiàn)變壓器運(yùn)行中的一些問題，為今后改進(jìn)維護(hù)方法和修訂舊的操作規(guī)程提供現(xiàn)實(shí)依據(jù)，同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品本身的質(zhì)量缺陷，為廠家改進(jìn)設(shè)計(jì)方法和提高制造工藝提供技術(shù)支持。綜上所述，加強(qiáng)對(duì)牽引變壓器絕緣狀態(tài)的監(jiān)測和管理，對(duì)于發(fā)生意外事故時(shí)快速確定故障性質(zhì)和部位是很有指導(dǎo)意義的。

2 牽引變壓器故障檢測的現(xiàn)實(shí)狀況

近年來，電氣化鐵路發(fā)展進(jìn)入高潮期，隨著客運(yùn)高速化和貨運(yùn)重載化趨勢的增強(qiáng)，對(duì)主變壓器容量的要求越來越高，對(duì)其可靠性的要求也越來越高，對(duì)各個(gè)鐵路局的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)的要求也在不斷提高。因此，改革現(xiàn)有的維修制度是非常重要的議題。各個(gè)鐵路局供電段在現(xiàn)行的定期修制度和停電狀態(tài)下試驗(yàn)所產(chǎn)生的問題也越來越多，主要有：①維修人員往往會(huì)按部就班地對(duì)照定期修制度，對(duì)多數(shù)完好設(shè)備進(jìn)行定期檢修，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)過度維修、盲目維修和維修過剩的現(xiàn)象。這樣做，維修資源浪費(fèi)且不說，最關(guān)鍵的是這種維修方式還有可能引發(fā)一些新的故障，使原本正常工作的設(shè)備陷入故障隱患的泥潭。②由于變壓器的一些連接部件本身容易發(fā)生故障或一些性能缺陷（比如絕緣缺陷），定期修不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，這樣進(jìn)行檢修最終會(huì)出現(xiàn)重大故障。所以，維修部門要關(guān)注高壓電氣設(shè)備的狀態(tài)維修（簡稱狀態(tài)修）的研究和應(yīng)用推廣。

2.1 狀態(tài)維修（狀態(tài)修）的基本認(rèn)識(shí)

牽引變壓器等高壓電氣設(shè)備的狀態(tài)修主要是以高壓設(shè)備當(dāng)前的工作狀態(tài)和技術(shù)參數(shù)作為依據(jù)，結(jié)合成熟的狀態(tài)監(jiān)測手段來對(duì)設(shè)備的好壞進(jìn)行判斷。這樣做最大的好處是可以把握住最佳維修時(shí)期，提高維修的效率。最終目標(biāo)是確保變壓器安全、穩(wěn)定運(yùn)行，避免設(shè)備運(yùn)行損壞。狀態(tài)修的首要任務(wù)是監(jiān)測變壓器是否有故障，監(jiān)測軟件就是完成這個(gè)功能的。它包含的專家系統(tǒng)能夠?qū)⑺鶞y得的振動(dòng)水平和一系列預(yù)設(shè)的報(bào)警值進(jìn)行比較。用戶需要仔細(xì)分析它所提供的“異常報(bào)告”，從而確定什么位置可能有故障。對(duì)牽引變壓器而言，就是要根據(jù)其運(yùn)行工況、電流、電壓、負(fù)荷功率和溫度等信號(hào)量來判斷系統(tǒng)的健康狀況，根據(jù)健康狀況決定是否需要檢修、怎樣檢修及如何提高設(shè)備的可靠性和利用率。

2.2 變壓器氣相色譜分析

當(dāng)前鐵路牽引供電系統(tǒng)中變壓器均采用油浸式變壓器（自冷和風(fēng)冷兩種），內(nèi)部的絕緣油和有機(jī)合成材料在電磁轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的熱量，會(huì)慢慢劣質(zhì)化和分解，產(chǎn)生少量的各種低分子烴類和碳氧化物氣體等。產(chǎn)生的這類氣體大部分能溶解在油中，但當(dāng)存在隱蔽性過熱或異常放電時(shí)，這些氣體的產(chǎn)生速度就會(huì)明顯增加。當(dāng)產(chǎn)氣量大于溶解量時(shí)，便有一部分氣體進(jìn)入油氣繼電器。色譜分析法就是通過監(jiān)測和分析氣體的具體構(gòu)成和濃度，來判斷變壓器內(nèi)部是否存在過熱性故障等。利用這種方法能及時(shí)找出變壓器在哪里有了故障和故障的輕重，這對(duì)于實(shí)際維修工作具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，因此得到廣泛應(yīng)用。

2.3 變壓器局部放電監(jiān)測

國內(nèi)外開展了大量的研究工作，其中對(duì)變壓器郵箱內(nèi)局部放電的監(jiān)測取得了很大的進(jìn)展，其方法主要有：用超聲波傳聲器檢測音響脈沖的音響法和伴隨放電檢測電流脈沖的電流法。一般為了防止外部噪聲的干擾，最好是將音響法和電流法并用。其基點(diǎn)是以音響脈沖和電流脈沖同步來判斷局部放電，以它時(shí)間上的偏移量來確定放電的位置。另外，還有其他方法分別是利用局部放電過程中產(chǎn)生的超聲波信號(hào)、光信號(hào)、化學(xué)物質(zhì)和電信號(hào)等來進(jìn)行的光學(xué)測量、化學(xué)測量和電學(xué)測量等，這些方法也有一定的市場應(yīng)用。