HXD3型電力機車牽引變壓器器身旁托架安裝螺栓放電的原因分析及改進

李霞

(鄭州鐵路局 洛陽機務段，河南洛陽471002)

運用與檢修

HXD3型電力機車牽引變壓器器身旁托架安裝螺栓放電的原因分析及改進

李霞

(鄭州鐵路局 洛陽機務段，河南洛陽471002)

對HXD3型機車牽引變壓器運用中出現的油色譜超標問題進行了分析，找出了共同存在的牽引變壓器器身旁托架安裝螺栓放電問題，指出設計中存在的缺陷并提出相應建議。

HXD3型機車;牽引變壓器;旁托架安裝螺栓

鄭州鐵路局洛陽機務段自2011年以來配屬使用HXD3型電力機車249臺，機車配用 FPWR1/JQFP2－9000/25型主變壓器，該變壓器為下懸式安裝，強迫導向油循環風冷，箱體與儲油柜一體化，冷卻裝置分開布置，采用心式臥放結構，A級絕緣，全密封結構，采用真空注油，N2膨脹箱，高阻抗繞組結構，大量采用無磁結構件，油箱用硅鋼板屏蔽方式，線圈導線采用Nomex紙絕緣，配全鋁板翅式冷卻器，兩路油循環系統。高壓套管采用進口端子，在低壓套管出線裝置中采用了新型出線裝置。通過強大電流的低壓出線裝置安裝在主變流器最近處。

2013年至今，按照制造廠提供的色譜分析標準(各氣體含量的注意值大于國標中要求的數值)，洛陽機務段共發現色譜數據超標的變壓器105臺(含大量H2超標的變壓器)。對其中總烴超標嚴重的 HXD3－921、HXD3－897、HXD3－711、HXD3－920機車的4臺變壓器分別于2013年、2014年落修后返廠吊芯檢查。從這4臺變壓器的走行公里調查表中，知其新造后走行里程在365 418～771 813 km。

表1 油色譜超標的變壓器走行公里一覽表

表2 4臺落修的變壓器油色譜數據一覽表 μL/L

1 由色譜數據推測故障點溫度和故障部位

1.1 故障點溫度的估測

變壓器內部在不同故障下產生不同的特征的氣體。例如局部放電時會有氫，高溫過熱時會有乙烯，電弧放電時會有乙炔。所以分析時特別注意乙炔氣體的含量，是區分過熱和放電的兩種故障的指標。大部分過熱故障，過熱點高溫時也會產生少量乙炔。

根據表3結合HXD3－921機車等4臺變壓器的實測數據，可得出屬于嚴重過熱的范圍。這里要說明一點，幾臺變壓器H2含量普遍較高，不符合嚴重過熱一項中的氫烴總量的27%以下，如711機車2014年3月最高占氫烴總量的43%，但未按表中H2含量分析劃分故障性質是考慮到HXD3機車變壓器為密閉式變壓器，無論是變壓器出廠時內部水含量大或者內部材料釋放出的H2均無法象開放式變壓器 一樣順利逸出，H2含量要特殊考慮。至于某些機車變壓器H2含量達10 000 μL/L以上，應該考慮制造過程和工藝過程的欠缺，這對變壓器的壽命有長遠影響。

表3 判斷變壓器故障性質的特征氣體含量對照表

定為嚴重過熱故障時，溫度高于500℃，可以根據變壓器經驗公式:溫度T=322ln(C2H4/C2H6)+525，判定熱點溫度。計算4臺機車數次色譜數據并計算C2H4/C2H6的比值，知HXD3－921、HXD3－897、HXD3－711、HXD3－920的熱點溫度分別約為628～641℃、722～735℃、653℃、707～735℃。

1.2 故障點大致部位估測

變壓器油中氣體分析技術的最大不足之處就是不能判定故障部位，也就是說僅僅依靠油中氣體分析的結果是難以作出故障定位的。但根據電力變壓器的經驗，一般可以根據導電回路和磁路產氣特征的某些差異來推定故障點是在導電回路還是在磁路部分。經驗表明，當故障回路在導電回路時，往往有C2H2且含量較高，C2H4/C2H6比值也較高，并且C2H4的產氣速率往往高于CH4的產氣速率;對于磁路故障一般無C2H2或者很微(一般只占氫烴總量的2%以下)，而且C2H4/C2H6比值也較小，絕大多數在6以下。

分析4臺機車的產氣量，全部符合以下這幾個特點:(1)C2H4/C2H6比值較小:C2H4/C2H6的比值最大是4.5(HXD3－920于2014年1月測出數值)，最小是2.1(HXD3－921于2013年6月測出數值)。(2)C2H2含量小，4臺機車變壓器的C2H2含量只占氫烴總量的0.5%左右。(3)4臺機車變壓器C2H4的產氣速率均高于CH4。

所以故障可鎖定在磁路故障。從磁路故障的氣體發展速率比電性故障慢也能從一個側面推斷是磁路故障。

2 對故障的調查

為查找線索，故障變壓器拆解前進行了絕緣電阻、變比以及空載試驗，各繞組的絕緣電阻和變比正常，說明各繞組的絕緣良好，無短路絕緣擊穿，做空載及負載試驗均正常。

2.1 拆解后引線、線圈檢查

各引線捆扎牢靠，引線、線圈絕緣良好。如圖1、圖2所示。4臺機車變壓器內部檢查情況相同。

圖1 HXD3－711號機車變壓器拆解引線圖

圖2 HXD3－711號機車變壓器拆解線圈圖

2.2 器身及器身夾件的檢查

器身外觀狀態良好，鐵芯夾件緊固牢靠，線圈表面干凈無異常。用搖表檢查器身旁托架安裝螺栓的絕緣電阻，發現其中一個螺栓的絕緣電阻為0，正常應不小于2 MΩ，拆除螺栓后發生螺栓的絕緣已破損，該螺栓明顯發黑過熱，見圖3、圖4。

圖3 HXD3－711機車變壓器過熱的螺栓

圖4 HXD3－921機車變壓器過熱的螺栓

3 故障原因分析

HXD3機車變壓器容量為9 000 kVA，按容量劃分屬大型變壓器，且采用的高阻抗繞組本身的漏磁場較強，加上引線共同形成復雜強大的變壓器漏磁場，并在整個場域中的金屬導體內產生渦流損耗。這些金屬結構件處于高漏磁場區域中，會產生雜散損耗降低變壓器的運行效率，雖某些部件如鐵心拉板、螺栓等產生的雜散損耗相對總損耗不足道，但由于漏磁場在這些小部件中產生的雜散損耗分布極不均勻，若設計不當，易于產生局部過熱。HXD3機車變壓器采用日本的圖紙和技術。日本設計的6K機車SUB變壓器就曾經因為在油箱體上產生強烈的漏磁場致木墊板過熱的故障。

從圖5中看出4臺HXD3機車變壓器故障屬于漏磁場中的金屬結構件之間的連接螺栓過熱現象，內部漏磁場產生的環流作用在該螺栓上。HXD3機車變壓器的鐵芯由兩側夾板壓緊，鐵芯拉板為絕緣聚脂板，夾件均為低磁鋼板，夾件間與旁托座(有些變壓器制造廠稱之為緩沖器)間用安裝螺栓壓緊，連接螺栓為導磁鋼。HXD3機車臥式芯式變壓器繞組軸向高度中間部位及周圍，漏磁場主要是軸向分量，輻向分量幾乎為0，在繞組端部，漏磁場呈彎曲分布，有較大的輻向分量。旁托座與繞組端部、引線距離較近，處于輻向漏磁場最強的地方。在變壓器內部漏磁場作用下會產生較高的懸浮電位，因此安裝時需要加裝絕緣件進行隔離。如果絕緣件破損而失效，螺栓就會在絕緣薄弱處與其他金屬發生電弧放電。產生的環流或渦流的集膚效應使接觸不緊實的螺栓邊緣(如螺紋、螺帽與腹板接觸面鄰近位置)出現局部燒黑、燒焦現象。

圖5 HXD3機車變壓器鐵芯夾件間的旁托座

造成HXD3機車變壓器鐵芯夾件間的旁托座安裝螺栓絕緣破損的原因是由于絕緣結構采用Nomex紙絕緣(圖4中明顯可見絕緣破損)，對制造和安裝要求較高，若安裝面不平整或安裝口有偏差，就會造成安裝后該絕緣件會承受局部應力，在機車振動環境中長時間作用下，造成螺栓絕緣破損，最終導致該螺栓絕緣失效，失效后會造成螺栓放電發熱，導致油樣超標。

4 整改措施及效果

螺栓絕緣改用整體的聚脂絕緣套，進一步提高螺栓絕緣的機械強度，見圖6。這4臺機車變壓器分別于2013年修復后上車。修復后跟蹤3臺，至今運用跟蹤的色譜數據均在制造廠提供的色譜分析標準范圍內，見表4。

圖6 改進的聚脂絕緣套

表4 修復后上車跟蹤的變壓器色譜數據 μL/L

［1］ 錢旭耀.變壓器油及相關故障診斷處理技術［M］.北京:中國電力出版社，2006.

［2］ 鐘洪壁.電力變壓器檢修與試驗手冊［M］.北京:中國電力出版社，2000.

［3］ 王曉鶯.變壓器故障與監測［M］.北京:機械工業出版社，2004.

Cause Analysis and Improvement of Transformer Side Bracket Mounting Boltdischarge Type HXD3 Electric Locomotive Traction

LI Xia
(Luoyang Locomotive Depot，Zhengzhou Railway Bureau，Luoyang 471002 Henan，China)

In this paper，several HXD3 type locomotive depots of Luoyang traction transformer attached in the application of chromatographic exceed the standard problem analysis，and the problem is in the side bracket mounting bolt discharge，points out the defects existing in the design and puts forward the corresponding suggestions.The contents of the article can be expected to good use for reference of locomotive transformer.

HXD3 locomotive;traction transformer;the side bracket mounting bolt;suggestions

U264.3+6

B

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.20

1008－7842(2015)02－0083－04

)女，高級工程師(

2014－09－28)