劉明輝

摘 要：本文介紹牽引變壓器的主要運(yùn)用保護(hù)方式，對(duì)各種保護(hù)元件的原理及結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單介，并對(duì)各種保護(hù)信號(hào)及可能的故障原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的處理方案。這些保護(hù)信號(hào)，有的反應(yīng)的是故障現(xiàn)象，有的反應(yīng)的是故障隱患。通過對(duì)各種保護(hù)機(jī)理的把握，可以盡早的發(fā)現(xiàn)故障隱患和故障現(xiàn)象，并針對(duì)性的采取適當(dāng)?shù)拇胧?，避免故障的擴(kuò)大，以降低損失。

關(guān)鍵詞：牽引變壓器 保護(hù) 故障分析

中圖分類號(hào)：U264.7

機(jī)車牽引變壓器是電力機(jī)車上的一個(gè)重要部件。無論是直流傳動(dòng)還是交流傳動(dòng)電力機(jī)車，都需要將來自接觸網(wǎng)上的25kV高壓電降壓轉(zhuǎn)換，以便于電傳動(dòng)系統(tǒng)中的其他部件使用，最后通過牽引電機(jī)實(shí)現(xiàn)電力牽引。牽引變壓器安全可靠運(yùn)行是保證電力機(jī)車正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。為保證牽引變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行，電力機(jī)車設(shè)置了多種保護(hù)方式，在變壓器上以及電氣回路上設(shè)置了多項(xiàng)保護(hù)元件，利用機(jī)車控制系統(tǒng)進(jìn)行安全保護(hù)。

1.牽引變壓器的保護(hù)方式

牽引變壓器的主要保護(hù)方式有過勵(lì)磁、過流、瓦斯保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、接地保護(hù)、壓力保護(hù)、高溫保護(hù)等。

1.1.過壓保護(hù)。牽引變壓器直接輸入網(wǎng)壓，如果網(wǎng)壓過高，超過變壓器的最高允許電壓，將會(huì)對(duì)變壓器造成損壞。在機(jī)車上配置了電壓互感器，用于檢測網(wǎng)側(cè)電壓。電壓互感器的二次側(cè)通過儀表接入機(jī)車控制系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)車控制系統(tǒng)檢測到網(wǎng)壓高于一定的安全值時(shí)，會(huì)自動(dòng)報(bào)警并切斷與供電網(wǎng)的連接。

1.2.過流保護(hù)。牽引變壓器一般都是高阻抗的變壓器，有較強(qiáng)的抗負(fù)載短路能力。但是電流過大，會(huì)對(duì)變壓器造成絕緣損壞，并且引起過流的原因也可能是變壓器本身的故障。變壓器的高壓側(cè)和低壓側(cè)，均配置了電流互感器，機(jī)車控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測各回路電流，以實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器以及主電路上主要部件的運(yùn)用情況進(jìn)行監(jiān)控。

1.3.差動(dòng)保護(hù)。變壓器差動(dòng)保護(hù)作為變壓器的主保護(hù)，能反應(yīng)變壓器內(nèi)部短路、高壓側(cè)接地短路及匝間短路故障。差動(dòng)保護(hù)是輸入被保護(hù)元件兩端CT電流矢量差，當(dāng)兩端CT電流矢量差達(dá)到設(shè)定的動(dòng)作值時(shí)，啟動(dòng)動(dòng)作元件。差動(dòng)保護(hù)是保護(hù)兩端電流互感器之間的設(shè)備故障，正常情況流進(jìn)的電流和流出的電流在保護(hù)內(nèi)大小相等，方向相反，相位相同。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，在保護(hù)段內(nèi)，兩端差動(dòng)電流大于零。

1.4.瓦斯保護(hù)。瓦斯保護(hù)的構(gòu)成：在HXD1、HXD1B、HXD3B等型號(hào)電力機(jī)車的牽引變壓器上安裝了布赫繼電器（即瓦斯繼電器），它安裝在變壓器油箱與儲(chǔ)油柜的連接管道上。布赫繼電器的結(jié)構(gòu)見圖10一2。BG 25 S型雙浮球布赫繼電器對(duì)牽引變壓器內(nèi)部的絕緣油變化非常敏感。它能有效反應(yīng)牽引變壓器尤為下降、漏油異常，也能反應(yīng)絕緣擊穿、局部發(fā)熱或放電等故障引起的絕緣油異常情況并產(chǎn)生保護(hù)動(dòng)作。

瓦斯氣體報(bào)警原理：當(dāng)牽引變壓器內(nèi)出現(xiàn)局部過過熱或放電時(shí)，引起絕緣油或絕緣固體逐漸分解產(chǎn)生氣體，氣體逐漸積累，上升到布赫繼電器內(nèi)，導(dǎo)致布赫繼電器內(nèi)部液位下降，浮球位置下降，當(dāng)氣體體積達(dá)到一定的量時(shí)（氣體量達(dá)到200cm3～300cm3），浮球位置變化觸動(dòng)微動(dòng)開關(guān)，發(fā)出警告信號(hào)。

低液位報(bào)警原理：在正常工作狀態(tài)下，布赫繼電器內(nèi)充滿了變壓器絕緣油。在浮力的作用下，浮球處在最高位置。當(dāng)變壓器油量不足，儲(chǔ)油柜內(nèi)已經(jīng)沒有變壓器油，液位低至布赫繼電器浮球液位以下時(shí)，布赫繼電器內(nèi)的浮球位置下降，浮球位置變化觸動(dòng)微動(dòng)開關(guān)，發(fā)出警告信號(hào)。

流量報(bào)警原理：機(jī)車在運(yùn)行中，如果牽引變壓器內(nèi)部由于高能量放電產(chǎn)生快速甚至強(qiáng)烈的分解氣體，由此產(chǎn)生的壓力波引起變壓器油流向儲(chǔ)油柜的強(qiáng)力涌流，沖擊擋板。當(dāng)流速超過整定值時(shí)，擋板翻轉(zhuǎn)觸動(dòng)浮球，微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作向機(jī)車控制系統(tǒng)發(fā)送開關(guān)信號(hào)，使得機(jī)車主斷路器在最短的時(shí)間內(nèi)斷開，從而避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。

1.5.溫度保護(hù)。牽引變壓器冷卻系統(tǒng)的正常工作，是保證牽引變壓器工作在安全溫度下的保證。變壓器在運(yùn)行中，如果發(fā)成長時(shí)間過載，或冷卻系統(tǒng)工作不正常，都會(huì)導(dǎo)致變壓器溫升過高。在牽引變壓器的冷卻回路中安裝油流繼電器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測變壓器的冷卻系統(tǒng)是否正常工作；在變壓器油的最熱點(diǎn)安裝溫度傳感器或溫度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)控變壓器的溫度狀態(tài)。這些信號(hào)接入機(jī)車控制系統(tǒng)，系統(tǒng)可以及時(shí)根據(jù)標(biāo)定值做出信號(hào)判斷并采取適當(dāng)?shù)拇胧┍ＷC系統(tǒng)安全。例如：HXD1型機(jī)車牽引變壓器油溫超過85℃時(shí)，牽引逆變器開始線性降低功率；當(dāng)油溫達(dá)到90℃時(shí)，功率降低到額定功率的70%；在油溫超過90℃后，牽引逆變器被鎖止；當(dāng)油溫超過95℃時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)分?jǐn)嘀鲾嗦菲鳌?/p>

1.6.壓力保護(hù)。無論是變壓器內(nèi)部故障還是管路故障導(dǎo)致的變壓器內(nèi)部壓力增加，多變壓器的運(yùn)行都是極端危險(xiǎn)的。所以幾乎所有的變壓器都設(shè)置了壓力釋放閥，以釋放變壓器內(nèi)瞬間或緩慢變化導(dǎo)致的壓力過高。壓力釋放閥上配置有微動(dòng)開關(guān)，當(dāng)因變壓器壓力過高而發(fā)生釋放動(dòng)作時(shí)，微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作，向機(jī)車控制系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)，以快速斷開機(jī)車主斷路器，避免事故的擴(kuò)大。

2.牽引變壓器故障診斷

2.1.壓力釋放閥故障。產(chǎn)生壓力釋放閥故障的原因主要有：

壓力釋放閥失效：壓力釋放閥本身的微動(dòng)開關(guān)失效，造成故障。當(dāng)壓力釋放閥報(bào)故障時(shí)，需要查看壓力釋放閥是否有釋放動(dòng)作及噴出變壓器油，沒有變壓器油噴出，則可基本判定為開關(guān)失效，需要對(duì)開關(guān)進(jìn)一步檢查排除故障。

變壓器油回路故障：這種故障一般會(huì)在故障信號(hào)發(fā)生時(shí)伴有變壓器油噴出。變壓器與儲(chǔ)油柜之間的連接如果不暢通，則在變壓器運(yùn)行時(shí)，隨著油溫度的上升，油箱內(nèi)壓力增高到一定程度時(shí)，可以導(dǎo)致壓力釋放閥動(dòng)作，釋放壓力。

變壓器內(nèi)部絕緣擊穿：如果變壓器內(nèi)部發(fā)生繞組之間高電壓擊穿或繞組對(duì)地等絕緣擊穿時(shí)，會(huì)產(chǎn)生瞬間的高溫高壓，并釋放大量氣體。由于變壓器與儲(chǔ)油柜連接的管路無法瞬間釋放壓力，則會(huì)導(dǎo)致壓力釋放閥動(dòng)作釋放壓力。此種情況一般會(huì)伴隨較大的放電聲音、過流、變壓器油噴出等現(xiàn)象，對(duì)變壓器油取樣進(jìn)行色譜分析一般會(huì)氣體含量超標(biāo)，三比值法判斷結(jié)果會(huì)顯示高能量放電等結(jié)果。

2.2.布赫繼電器故障（瓦斯保護(hù)）。根據(jù)布赫繼電器的結(jié)構(gòu)及原理，報(bào)警原因主要有：冷卻系統(tǒng)組裝后空氣未排凈、變壓器內(nèi)部絕緣故障擊穿、油泵故障燒損導(dǎo)致變壓器油裂解。

瓦斯保護(hù)對(duì)變壓器的故障情況比較靈敏，因此，在布赫繼電器報(bào)警后，都要立即確認(rèn)是否有其他異常情況發(fā)生，如是否有過流、壓力釋放閥動(dòng)作、變壓器差動(dòng)保護(hù)等異常，如果沒有其他伴隨現(xiàn)象，則可確認(rèn)是否為布赫繼電器本身故障。無論何種情況，都需要對(duì)變壓器進(jìn)行取油樣檢測，通過色譜分析，利用三比值法判斷變壓器油是否異常。對(duì)于含氣速率超出標(biāo)準(zhǔn)值的需要盡快對(duì)變壓器進(jìn)行解體檢查。

2.3.差動(dòng)保護(hù)。根據(jù)基爾霍夫第一定律， ；變壓器在正常運(yùn)行或外部故障時(shí)，若忽略勵(lì)磁電流損耗級(jí)其他損耗，則流入變壓器的電流等于流出變壓器的電流。因此，縱差保護(hù)中的兩個(gè)電流相等。當(dāng)變壓器內(nèi)部故障時(shí)，若平衡除去流入流出的負(fù)荷電流不計(jì)，則只有流進(jìn)變壓器的電流而沒有流出變壓器的電流。例如：當(dāng)變壓器發(fā)生高壓繞組接地故障、在T型頭和高壓A端子故障等情況時(shí)，兩端電流互感器的電流值會(huì)出現(xiàn)偏差

3.總結(jié)

本文介紹了牽引變壓器的多項(xiàng)保護(hù)系統(tǒng)，并針對(duì)各種保護(hù)信號(hào)，提出了原因分析。根據(jù)在線運(yùn)行的系列機(jī)車牽引變壓器反饋的報(bào)警信息及后續(xù)對(duì)產(chǎn)品的故障處理情況看，大部分的故障發(fā)生在各保護(hù)元件以及外部配件上，有部分的報(bào)警信息則真實(shí)的反應(yīng)了牽引變壓器的本身故障。因此對(duì)于線上發(fā)生的故障報(bào)警信息，需要綜合各保護(hù)信號(hào)的情況綜合判斷。對(duì)于縱差保護(hù)、瓦斯保護(hù)、壓力保護(hù)等，必須立即現(xiàn)場檢查，確認(rèn)報(bào)警原因。在未確認(rèn)是各傳感元件本身故障而誤報(bào)的情況下，不得對(duì)變壓器進(jìn)行送電運(yùn)行，以避免故障的進(jìn)一步擴(kuò)大。