陸麗華 上海鐵路局南京東機(jī)務(wù)段

利用氣相色譜技術(shù)診斷HXD2B型機(jī)車主變壓器故障的研究

陸麗華 上海鐵路局南京東機(jī)務(wù)段

利用氣相色譜分析技術(shù)，對HXD2B型0014號機(jī)車主變壓器用絕緣油中溶解氣體含量的測定，發(fā)現(xiàn)乙炔含量嚴(yán)重超標(biāo)。通過三比值法編碼規(guī)則和溶解氣體產(chǎn)氣速率的計(jì)算，對該臺機(jī)車主變壓器內(nèi)部存在的潛伏性電弧放電故障進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，防止了一起重大機(jī)車事故的發(fā)生。

主變壓器；色譜分析；故障預(yù)報(bào)

1　我段HXD2B型機(jī)車概況

南京東機(jī)務(wù)段共配屬123臺HXD2B型貨運(yùn)電力機(jī)車，主要運(yùn)行在京滬線的上海-濟(jì)南西（950 km）之間，該區(qū)間最小曲線半徑為300 m，線路最大坡度為12‰。為單機(jī)牽引方式，平均牽引3 335 t、最大牽引6 132 t，單臺機(jī)車功率為9 600 kW，設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度120 km/h，線路限速為90 km/h。

2　利用氣相色譜技術(shù)診斷主變壓器故障的優(yōu)點(diǎn)

對于變壓器內(nèi)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(guī)電氣性能試驗(yàn)如：冷態(tài)電阻、絕緣電阻、介質(zhì)損耗等都無法早期發(fā)現(xiàn)。而利用氣相色譜分析技術(shù)對溶解于絕緣油中的各類氣體進(jìn)行分析，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在的潛伏性故障并可以隨時(shí)掌握故障的發(fā)展趨勢，因此，氣相色譜分析技術(shù)是目前電力機(jī)車運(yùn)用過程中準(zhǔn)確判斷主變壓器、互感器等充油電器設(shè)備內(nèi)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(zhǔn)確率高的優(yōu)點(diǎn)。

3　我段變壓器發(fā)現(xiàn)故障概況

在2015年春檢普查中，對HXD2B型0014號機(jī)車主變壓器用絕緣油中溶解氣體進(jìn)行氣相色譜分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，絕緣油中乙炔氣體的含量超過標(biāo)準(zhǔn)注意值，然后再次跟蹤取樣分析，發(fā)現(xiàn)乙炔氣體含量仍然超標(biāo)，同時(shí)其它多種烴類氣體增速較快。由此，確認(rèn)該臺機(jī)車主變壓器內(nèi)部存在較為嚴(yán)重的電弧放電故障，立即扣車返廠檢查。經(jīng)過吊芯解體發(fā)現(xiàn)變壓器線圈繞阻有明顯放電痕，同時(shí)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(nèi)部電弧放電引起的機(jī)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(jī)車主變壓器用絕緣油中溶解氣體進(jìn)行色譜分析時(shí)發(fā)現(xiàn)乙炔、總烴數(shù)據(jù)異常，其含量超過電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)注意值，當(dāng)天扣車后重新取樣化驗(yàn)分析，乙炔含量依然超過注意值。2015年4月6日對絕緣油進(jìn)行濾油處理，然后在機(jī)車?yán)^續(xù)運(yùn)行5天后于4月11日再次取絕緣油油樣進(jìn)行化驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)乙炔含量仍然大幅超過注意值。現(xiàn)將前后4次氣相色譜分析數(shù)據(jù)匯總列入表1中進(jìn)行對比。

表1 HXD2B型 0014號機(jī)車主變壓器用絕緣油中溶解氣體的色譜分析數(shù)據(jù) 單位：μL/L

5　預(yù)報(bào)故障的依據(jù)

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(yè)判斷變壓器、電抗器、互感器等充油電器設(shè)備故障類型和性質(zhì)的重要方法。

現(xiàn)將該方法應(yīng)用于HXD2B型0014號機(jī)車主變壓器內(nèi)部潛伏性故障的預(yù)報(bào)。

在2015年3月至4月間對該機(jī)車主變壓器用絕緣油中溶解氣體共進(jìn)行了4次色譜分析，將分析數(shù)據(jù)結(jié)果、以及通過計(jì)算得出的“三比值編碼”和“變壓器內(nèi)部潛伏性故障類型的預(yù)判斷”的結(jié)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(xiàn)異常。同時(shí)，第2、4次三比值編碼組合均為1 0 2，與故障類型表進(jìn)行比對，可以得出機(jī)車主變壓器內(nèi)部可能存在工頻續(xù)流放電。

此時(shí)，高達(dá)64 μL/L的乙炔、351 μL/L的總烴含量，其數(shù)值分別超過電力行業(yè)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(nèi)部存在的潛伏性故障發(fā)展較快并且較為嚴(yán)重。

在2015年4月6日進(jìn)行真空濾油處理，然后機(jī)車?yán)^續(xù)運(yùn)行5天后于4月11日跟蹤取絕緣油油樣進(jìn)行化驗(yàn)，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(jì)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(nèi)部存在電弧放電潛伏性故障的可能性非常大。

5.2產(chǎn)氣速率超標(biāo)、可明確電弧放電故障一定存在

預(yù)報(bào)機(jī)車主變壓器內(nèi)部是否存在潛伏性故障，如果僅僅依靠三比值編碼的計(jì)算結(jié)果很難全面對故障的嚴(yán)重程度及故障的發(fā)展趨勢作出進(jìn)一步的正確判斷，此時(shí)還必須考察產(chǎn)氣速率來判斷故障的發(fā)展趨勢。這是因?yàn)楫a(chǎn)氣速率是與故障所消耗的能量大小、故障點(diǎn)的溫度、故障所處的部位和故障的性質(zhì)等因素都有直接的關(guān)系。因此，計(jì)算變壓器油中溶解氣體的產(chǎn)氣速率（分為絕對和相對產(chǎn)氣速率），既可以進(jìn)一步明確變壓器內(nèi)部有無故障，又可以對故障的嚴(yán)重性作出初步估計(jì)。

5.2.1絕對產(chǎn)氣速率

即每運(yùn)行日產(chǎn)生某種氣體的平均值，按下式計(jì)算：

式中：Va----絕對產(chǎn)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(shí)間間隔中的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，d；

m----設(shè)備總油重，t；

ρ----絕緣油的密度，t/m3；

其中HXD2B014電力機(jī)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(chǎn)氣速率

即每運(yùn)行月（或折算到月）某種氣體含量增加原有值的百分?jǐn)?shù)的平均值，按下式計(jì)算：

式中：Vr----相對產(chǎn)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(shí)間間隔中的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，月。

按照以上絕對和相對產(chǎn)氣速率公式，將表1中的色譜分析數(shù)據(jù)依次代入計(jì)算公式（1）、（2）中，所得的計(jì)算結(jié)果統(tǒng)一列入表2中。

表2 HXD2B型 0014號機(jī)車主變壓器用絕緣油中溶解氣體的絕對產(chǎn)氣速率、相對產(chǎn)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(jī)車經(jīng)過真空濾油處理后，僅繼續(xù)運(yùn)行5天，機(jī)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(chǎn)氣速率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的注意值，尤其是乙炔的絕對產(chǎn)氣速率是注意值0.1 mL/d的138.0倍，乙炔的相對產(chǎn)氣速率是注意值10%/月的1676.6倍。

依據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)［3］［4］介紹，當(dāng)變壓器內(nèi)部存在高能電弧放電時(shí)，絕緣油會被高溫電弧裂解產(chǎn)生較多的乙炔氣體，當(dāng)其存在低能放電（一般為火花放電）時(shí)、也會產(chǎn)生較少的乙炔氣體。因此，非常高的乙炔絕對和相對產(chǎn)氣速率，預(yù)示著可以明確判斷HXD2B型0014號電力機(jī)車主變壓器內(nèi)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(jī)車返廠進(jìn)行變壓器吊芯檢查，開始未發(fā)現(xiàn)異常，當(dāng)拆解引線，翻轉(zhuǎn)后，拆開上鐵扼，在吊出線圈后發(fā)現(xiàn)，在鐵芯下壓板上留有一金屬異物（見圖1），對異物進(jìn)行分析，確認(rèn)是薄錫片，并且錫片表面已經(jīng)出現(xiàn)受到電弧放電影響而產(chǎn)生的多個(gè)黑點(diǎn)（見圖2）。

分析此薄錫片是造成乙炔、總烴氣體含量超標(biāo)的原因。由于該薄錫片夾在變壓器的線圈中，在變壓器運(yùn)行時(shí)造成放電，從而引起變壓器用絕緣油的裂解，快速產(chǎn)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(jìn)行焊接，更換低壓套管時(shí)開箱帶進(jìn)去的。

圖1 鐵芯下壓板上留有一金屬異物

7　機(jī)車回段運(yùn)行情況

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

表3 HXD2B型 0014號機(jī)車主變壓器用絕緣油中溶解氣體的色譜分析數(shù)據(jù) 單位：μL/L

8　結(jié)論

由于我國鐵路企業(yè)目前還沒有用絕緣油中溶解氣體的含量來預(yù)報(bào)機(jī)車主變壓器內(nèi)部潛伏性電弧放電故障的標(biāo)準(zhǔn)。因此，要想準(zhǔn)確診斷出機(jī)車主變壓器內(nèi)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(chǎn)氣速率等方面的影響因素綜合起來進(jìn)行分析，才能夠準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出機(jī)車主變壓器內(nèi)部故障是否存在以及故障存在的嚴(yán)重程度。需要引起注意的是乙炔氣體含量與機(jī)車變壓器運(yùn)行安全息息相關(guān)，如果HXD2B型機(jī)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(shí)，乙炔氣體的相對和絕對產(chǎn)氣速率均超過標(biāo)準(zhǔn)注意值時(shí)，就應(yīng)起高度關(guān)注。

［1］DL/T722-2000.變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)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(shè)備絕緣故障診斷的關(guān)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(shù)診斷機(jī)車主變壓器潛伏性高溫故障［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2007（6）：55-56、64.

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

責(zé)任編輯：宋飛

來稿時(shí)間：2016-06-12