利用氣相色譜技術診斷HXD2B型機車主變壓器故障的研究

陸麗華 上海鐵路局南京東機務段

利用氣相色譜技術診斷HXD2B型機車主變壓器故障的研究

陸麗華 上海鐵路局南京東機務段

利用氣相色譜分析技術，對HXD2B型0014號機車主變壓器用絕緣油中溶解氣體含量的測定，發現乙炔含量嚴重超標。通過三比值法編碼規則和溶解氣體產氣速率的計算，對該臺機車主變壓器內部存在的潛伏性電弧放電故障進行了準確預報，防止了一起重大機車事故的發生。

主變壓器；色譜分析；故障預報

1　我段HXD2B型機車概況

南京東機務段共配屬123臺HXD2B型貨運電力機車，主要運行在京滬線的上海-濟南西（950 km）之間，該區間最小曲線半徑為300 m，線路最大坡度為12‰。為單機牽引方式，平均牽引3 335 t、最大牽引6 132 t，單臺機車功率為9 600 kW，設計最高運行速度120 km/h，線路限速為90 km/h。

2　利用氣相色譜技術診斷主變壓器故障的優點

對于變壓器內部存在的早期潛伏性故障（如局部過熱、較低能量放電等），常規電氣性能試驗如：冷態電阻、絕緣電阻、介質損耗等都無法早期發現。而利用氣相色譜分析技術對溶解于絕緣油中的各類氣體進行分析，能夠及時發現其內部存在的潛伏性故障并可以隨時掌握故障的發展趨勢，因此，氣相色譜分析技術是目前電力機車運用過程中準確判斷主變壓器、互感器等充油電器設備內部早期存在潛伏性故障十分有效的重要手段，且具有不停車、準確率高的優點。

3　我段變壓器發現故障概況

在2015年春檢普查中，對HXD2B型0014號機車主變壓器用絕緣油中溶解氣體進行氣相色譜分析時發現，絕緣油中乙炔氣體的含量超過標準注意值，然后再次跟蹤取樣分析，發現乙炔氣體含量仍然超標，同時其它多種烴類氣體增速較快。由此，確認該臺機車主變壓器內部存在較為嚴重的電弧放電故障，立即扣車返廠檢查。經過吊芯解體發現變壓器線圈繞阻有明顯放電痕，同時變壓器線圈繞阻邊緣處有一塊約8 mm× 10 mm×3 mm薄金屬錫片，從而避免了一起可能因主變壓器內部電弧放電引起的機車重大故障。

4　絕緣油中溶解氣體含量的檢測

2015年3月22日，在春檢普查中對HXD2B型0014號機車主變壓器用絕緣油中溶解氣體進行色譜分析時發現乙炔、總烴數據異常，其含量超過電力行業標準注意值，當天扣車后重新取樣化驗分析，乙炔含量依然超過注意值。2015年4月6日對絕緣油進行濾油處理，然后在機車繼續運行5天后于4月11日再次取絕緣油油樣進行化驗分析，發現乙炔含量仍然大幅超過注意值。現將前后4次氣相色譜分析數據匯總列入表1中進行對比。

表1 HXD2B型 0014號機車主變壓器用絕緣油中溶解氣體的色譜分析數據 單位：μL/L

5　預報故障的依據

5.1三比值編碼組合顯示可能存在電弧放電潛伏性故障

三比值編碼法是我國電力行業判斷變壓器、電抗器、互感器等充油電器設備故障類型和性質的重要方法。

現將該方法應用于HXD2B型0014號機車主變壓器內部潛伏性故障的預報。

在2015年3月至4月間對該機車主變壓器用絕緣油中溶解氣體共進行了4次色譜分析，將分析數據結果、以及通過計算得出的“三比值編碼”和“變壓器內部潛伏性故障類型的預判斷”的結論列入表1中。

從表1中可以看出，第1、2次主要特征氣體乙炔、總烴含量出現異常。同時，第2、4次三比值編碼組合均為1 0 2，與故障類型表進行比對，可以得出機車主變壓器內部可能存在工頻續流放電。

此時，高達64 μL/L的乙炔、351 μL/L的總烴含量，其數值分別超過電力行業變壓器油中溶解氣體含量乙炔注意值5 μL/L的12.8倍，總烴注意值150 μL/L的2.34倍，說明變壓器內部存在的潛伏性故障發展較快并且較為嚴重。

在2015年4月6日進行真空濾油處理，然后機車繼續運行5天后于4月11日跟蹤取絕緣油油樣進行化驗，其乙炔含量為29 μL/L、是注意值5 μL/L的5.8倍，總烴含量為83 μL/ L、未超過其150 μL/L的注意值，通過計算的三比值編碼組合仍為1 0 2，雖然總烴含量沒有超過注意值，但是，三比值編碼組合沒有改變，可以說明變壓器內部存在電弧放電潛伏性故障的可能性非常大。

5.2產氣速率超標、可明確電弧放電故障一定存在

預報機車主變壓器內部是否存在潛伏性故障，如果僅僅依靠三比值編碼的計算結果很難全面對故障的嚴重程度及故障的發展趨勢作出進一步的正確判斷，此時還必須考察產氣速率來判斷故障的發展趨勢。這是因為產氣速率是與故障所消耗的能量大小、故障點的溫度、故障所處的部位和故障的性質等因素都有直接的關系。因此，計算變壓器油中溶解氣體的產氣速率（分為絕對和相對產氣速率），既可以進一步明確變壓器內部有無故障，又可以對故障的嚴重性作出初步估計。

5.2.1絕對產氣速率

即每運行日產生某種氣體的平均值，按下式計算：

式中：Va----絕對產氣速率，mL/d

Ci，2----第二次取樣測得油中某氣體濃度，μL/L；

Ci，1----第一次取樣測得油中某氣體濃度，μL/L；

Δt----兩次取樣時間間隔中的實際運行時間，d；

m----設備總油重，t；

ρ----絕緣油的密度，t/m3；

其中HXD2B014電力機車主變壓器絕緣油重2.185 t，密度為0.8900 t/m3。

5.2.2相對產氣速率

即每運行月（或折算到月）某種氣體含量增加原有值的百分數的平均值，按下式計算：

式中：Vr----相對產氣速率，%/月；

Ci，2----第二次取樣測得油中某氣體濃度，μL/L；

Ci，1----第一次取樣測得油中某氣體濃度，μL/L；

Δt----次取樣時間間隔中的實際運行時間，月。

按照以上絕對和相對產氣速率公式，將表1中的色譜分析數據依次代入計算公式（1）、（2）中，所得的計算結果統一列入表2中。

表2 HXD2B型 0014號機車主變壓器用絕緣油中溶解氣體的絕對產氣速率、相對產氣速率、注意值

從表2中可以看出，在2015年4月6日至4月11日機車經過真空濾油處理后，僅繼續運行5天，機車主變壓器絕緣油中溶解的五種重要特證氣體的絕對、相對產氣速率都遠遠超過標準規定的注意值，尤其是乙炔的絕對產氣速率是注意值0.1 mL/d的138.0倍，乙炔的相對產氣速率是注意值10%/月的1676.6倍。

依據有關文獻［3］［4］介紹，當變壓器內部存在高能電弧放電時，絕緣油會被高溫電弧裂解產生較多的乙炔氣體，當其存在低能放電（一般為火花放電）時、也會產生較少的乙炔氣體。因此，非常高的乙炔絕對和相對產氣速率，預示著可以明確判斷HXD2B型0014號電力機車主變壓器內部一定存在有電弧放電的潛伏性故障。

6　吊芯檢查

2015年6月19日，該機車返廠進行變壓器吊芯檢查，開始未發現異常，當拆解引線，翻轉后，拆開上鐵扼，在吊出線圈后發現，在鐵芯下壓板上留有一金屬異物（見圖1），對異物進行分析，確認是薄錫片，并且錫片表面已經出現受到電弧放電影響而產生的多個黑點（見圖2）。

分析此薄錫片是造成乙炔、總烴氣體含量超標的原因。由于該薄錫片夾在變壓器的線圈中，在變壓器運行時造成放電，從而引起變壓器用絕緣油的裂解，快速產生乙炔和各種烴類氣體。此薄錫片的來源可能是上次對該臺變壓器低壓端子頭進行焊接，更換低壓套管時開箱帶進去的。

圖1 鐵芯下壓板上留有一金屬異物

7　機車回段運行情況

對此問題進行處理后，消除了變壓器運行隱患，同時用真空濾油機再次過濾絕緣油，消除了絕緣油中的乙炔氣體，該臺機車于2015年7月5日重新投入運用。在機車運用過程中分別于7月30日、10月10日對該臺機車主變壓器使用的絕緣油繼續進行跟蹤取樣化驗，從分析結果（見表3）可以看出，乙炔及總烴等氣體含量恢復正常。

表3 HXD2B型 0014號機車主變壓器用絕緣油中溶解氣體的色譜分析數據 單位：μL/L

8　結論

由于我國鐵路企業目前還沒有用絕緣油中溶解氣體的含量來預報機車主變壓器內部潛伏性電弧放電故障的標準。因此，要想準確診斷出機車主變壓器內部存在的故障，就需要將絕緣油中溶解氣體含量注意值，三比值編碼、產氣速率等方面的影響因素綜合起來進行分析，才能夠準確預報出機車主變壓器內部故障是否存在以及故障存在的嚴重程度。需要引起注意的是乙炔氣體含量與機車變壓器運行安全息息相關，如果HXD2B型機車主變壓器使用的絕緣油中溶解氣體乙炔的含量超過30μL/L、同時，乙炔氣體的相對和絕對產氣速率均超過標準注意值時，就應起高度關注。

［1］DL/T722-2000.變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則［S］.

［2］張利剛.變壓器油中溶解氣體的成分和含量與充油電力設備絕緣故障診斷的關系［J］.變壓器，2000（3）：39-42.

［3］茹更生，安靜茹，白瑩.利用色譜分析技術診斷機車主變壓器潛伏性高溫故障［J］.電力機車與城軌車輛，2007（6）：55-56、64.

［4］茹更生，李霞，陳良才等.6K型機車主變壓器接線端子燒損故障的早期診斷［J］.鐵道機車與動車，2014（8）：35-39.

責任編輯：宋飛

來稿時間：2016-06-12