電力機車油浸式電壓互感器故障分析及預防措施

潘建軍 上海鐵路局上海機務段

1 運行原理

SS8、SS9及SS9（改）型機車電壓互感器型號均為TBY1-25，為油浸自冷式結構。通過機車車頂高壓金屬軟編線一次側A端將25kV高壓引入，用于監測電力機車行駛過程接觸網電壓和提供機車電度表電壓信號，在油箱內高壓連線經絕緣件架空后，通過器身線包由X低壓端（與接地屏出線并聯）0.2kV套管引出接地。低壓二次線圈出頭為a1x1，輸出100V電壓信號送入司機室網壓表（見圖 1）。

圖1 TBY1-25型機車電壓互感器電路圖

2 故障現象綜述

統計發現，電壓互感器高壓引出連線燒損和高壓線圈匝間短路燒損為最常見的電性故障現象。

2.1 高壓引出連線燒損

高壓連線在其絕緣擊穿后，通過電弧導電并對地（油箱壁）持續放電，導致特征氣體含量急劇增加，壓力不能持續釋放，造成電壓互感器燒損爆炸。此類現象占故障大多數，其性質最為惡劣，也最為嚴重，直接影響機車的行車和安全。圖2為SS9-0213機車電壓互感器高壓引出線對電放電。

圖2 SS9-0213高壓線圈引出線對地放電

2.2 高壓線圈匝間短路燒損

電壓互感器本身阻抗很小，在主斷路器合閘瞬間引起涌流，產生鐵磁諧振過電壓。過電壓、過電流導致繞組線圈絕緣破壞，或者繞組線圈本身由于制造工藝上存在缺陷，造成層間絕緣破壞等。由于箱內溫度急速升高，壓力成倍增大，導致電壓互感器箱蓋炸裂，這種現象發生幾率雖相對少見，但也可能造成弓網燒損等極其嚴重后果。圖3為SS9-0002電壓互感器高壓線圈匝間短路燒損。

圖3 SS9-0002電壓互感器高壓線圈匝間短路燒損

3 故障分析

3.1 高壓引出線燒損

SS9-0213機車2011年4月3日因電壓互感器故障造成機破。回段后車頂檢查巡視，發現電壓互感器外殼膨脹變形，壓力釋放閥動作，絕緣油由壓力釋放閥噴出。絕緣油呈黑色，呼吸器內硅膠變黑，表明電壓互感器已擊穿燒損。

進一步檢查分析，故障擊穿點為線包與高壓引出線連接處，檢查線包一、二次線圈狀態正常，表明器身線圈匝間、層間、不同電位之間無短路擊穿現象。

從故障的燒損部位分析，是由于外部沖擊過電壓、操作過電壓等瞬間高壓，對高壓引出線絕緣損傷而擊穿燒損，本質上是由于高壓引出線在連接部位存在質量缺陷，如焊接、連接狀態、絕緣包扎等，在其自身損傷后，通過電弧導電，加劇損傷擊穿外包絕緣后，導致一次高電壓持續對地（油箱壁）放電。直至高壓線圈引出線部位燒斷，電弧、過熱造成電壓互感器內部絕緣油溫度升高，內部故障氣體壓力急劇增大，達到壓力釋放閥動作值釋放，待變壓器油釋放完畢后，平衡不能保證，最終造成油箱鼓包崩裂。因此，故障的原因主要是高壓線圈A端引出線（φ0.67mm2）與接線片的焊接部位，因為其在焊接時焊錫融化處與導線末端存在不同熱效應現象，造成斷裂燒損。原因之二，高壓連線在器身線圈引出線部位，是電位梯度最高的地方，也是磁力線最集中的部位，在線圈引出線的拆解和裝配包扎過程中，不可避免地造成反復扭曲、彎折、以及導線機械應力的丟失，更容易造成引出線在該部位發熱、開斷等故障現象。

3.2 線包匝間短路燒損

2011年9月10 日SS9-0002機車電壓互感器發生箱蓋炸裂，歷次及返段后色譜分析數據如下（見表1）。

表 1 SS9-0002電壓互感器歷次及返段后色譜分析數據（μL/L）

返段后色譜分析數據表明該電壓互感器發生了嚴重的放電與過熱故障，并且性質涉及到繞組絕緣紙結構。檢查電壓互感器器身表面，清潔度差，絕緣油焦糊味很重，顏色發深有游離炭覆蓋現象。引出線絕緣包扎緊實，鐵心接地良好，引出線焊接狀態正常。檢測各繞組絕緣對地絕緣正常，檢測高壓與低壓繞組絕緣電阻為0MΩ，絕緣呈導通擊穿狀態，進一步拆解互感器線包，發現高低壓線圈層間絕緣大面積燒損，絕緣呈燒糊狀態。原因分析：機車電壓互感器線包為層式繞制結構，內2層是二次低壓繞組，由0.9mm×2.00mm/1.04mm×2.06mmQQB型縮醛漆包扁銅線繞制而成，匝數100匝，外50層是一次高壓繞組，由φ0.17和φ0.67mm2QQ-2型縮醛漆包圓銅漆包線卷繞而成，匝數共25000匝。故障的發生部位均在高壓繞組部分，一方面，導線在焊接、過度、張緊等繞制過程中存在潛伏性質量缺陷，另一方面層與層之間使用大面積絕緣薄膜隔離，層數越多，絕緣薄膜使用就越多，氣隙含量也多。當電壓互感器箱體焊縫等漏油，或吸濕器硅膠失效時，這些氣隙，漆膜和絕緣薄膜就會吸收微量水分，當微量水分超標或者氣溫突降時，水分遇到氣溫下降會在繞組表面結露，絕緣下降引起繞組閃弧，有時就會造成燃弧，氣壓急劇上升造成釋放閥動作甚至燒損炸裂。

4 預防措施

按前述，機車電壓互感器炸裂燒損主要是高壓引出線連接部位，在檢修過程中，由于焊接、彎折、機械損傷等一些因素，不可避免地造成質量隱患。因此，對于檢修部門來說，采取有效、可控的措施十分重要，具體預防和改進措施建議如下：

4.1 高壓引出線改進

高壓引出線連接由原焊接接線片改進為線鼻子壓-焊連接狀態，具體工藝流程如下：

（1）拆解一次線圈（A端）引出線。

（2）引出線制作、焊接，檢查高壓引出線，重點檢查其根部，有無扭曲，損傷現象。

（3）焊接，用焊膏在焊接部位涂抹，用電烙鐵把錫焊絲流暢熔化在焊接部位。

（4）引出線連接裝配，連接高壓出線。

通過以上工藝改進，避免了原接線片焊接缺陷，阻燃導線的選用不存在機械應力的丟失，徹底杜絕了高壓引出線部位的質量隱患。

4.2 色譜分析跟蹤控制

GB/T7252-2001《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》中，三比值法只是闡明了分析方法和手段，給予了特征氣體含量注意值乙炔5μL/L、氫氣150μL/L、總烴150μL/L，以及CO、CO2的含量和比值。色譜分析是一個辨證的問題，氣體含量超過注意值即使很多，故障未發展到一定程度，吊芯后也難于查找，但涉及到放電故障又刻不容緩，其發展很快，發現后已無能為力。

根據多年的經驗和分析，摸索、總結出機車電壓互感器色譜分析響應數據表（見表 2）。

表2 電力機車電壓互感器色譜分析響應數據表（μL/L）

5 結論

通過檢修部門加強質量控制和改進檢修工藝及預防措施的有效實施，同時化驗部門根據電壓互感器油中溶解特征氣體應急響應數據，作好跟蹤和控制。對于如何防止電壓互感器油燒損著火的發生，從束手無策終于找到了一套完整有效辦法，做到了可依和預知。