吳光龍

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一種新型電氣設(shè)備故障檢修校驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

吳光龍

提出一種新型電氣設(shè)備故障檢修校驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)，并通過一起所用變壓器故障檢修實(shí)例對(duì)該設(shè)計(jì)裝置進(jìn)行應(yīng)用分析，說明該裝置設(shè)計(jì)在電氣設(shè)備故障檢修中的作用。

故障檢修；鐵路牽引變；便攜式；保護(hù)錄波

0 引言

鐵路是國(guó)家重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，也是資源型和環(huán)境友好型運(yùn)輸方式之一，加快鐵路發(fā)展已成為社會(huì)各界的共識(shí)。鐵路不僅是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大動(dòng)脈，而且兼具安全、經(jīng)濟(jì)、便民、實(shí)惠、全天候運(yùn)輸，速度快、運(yùn)能大、安全舒適、節(jié)能省地、減排高效等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)決定了其為大眾化的交通工具，也決定了其在我國(guó)綜合交通體系中的重要地位。

電氣化鐵路牽引變電所設(shè)備的安全對(duì)鐵路牽引供電至關(guān)重要。目前電氣化鐵路牽引變電所易發(fā)故障包括電力電纜故障、自耦變壓器故障、接觸網(wǎng)故障以及絕緣子絕緣能力下降、電能諧波等引起的牽引變電設(shè)備故障等，這些故障大多存在一定潛伏時(shí)間，若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，將引發(fā)嚴(yán)重事故并伴隨重大損失[3～9]。作為鐵路運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員，研究和掌握設(shè)備運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除故障隱患，提高設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量，對(duì)提高牽引供電系統(tǒng)的安全性和可靠性，保證設(shè)備正常運(yùn)行具有重要的實(shí)際意義。

本文提出一種綜合故障錄波、保護(hù)、自帶電源及后臺(tái)管理軟件等多種功能為一體的電氣設(shè)備故障檢修校驗(yàn)裝置，并通過故障檢修應(yīng)用實(shí)例分析，說明該裝置設(shè)計(jì)在電氣設(shè)備故障檢修中的作用，與現(xiàn)有常規(guī)方案相比具有更好的效益。

1 檢修裝置設(shè)計(jì)概述

目前，多數(shù)牽引變電所內(nèi)供電系統(tǒng)雖然已經(jīng)配備了完善的保護(hù)設(shè)備和相應(yīng)設(shè)施，但是在發(fā)現(xiàn)設(shè)備自身故障和檢修、校驗(yàn)方面仍然存在薄弱環(huán)節(jié)，自動(dòng)化程度低，同時(shí)一些測(cè)試儀器通常存在功能單一、精度和工作質(zhì)量差、使用繁瑣、性價(jià)比低等問題。針對(duì)該情況，提出一種基于便攜式設(shè)計(jì)的綜合保護(hù)錄波檢修校驗(yàn)裝置。該裝置設(shè)計(jì)以高精度、高密度數(shù)據(jù)采集為檢修校驗(yàn)分析基礎(chǔ)原理，融合了保護(hù)、錄波、故障自動(dòng)判別以及故障自動(dòng)切除等功能，同時(shí)自帶壓值可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)恒壓電源、支持自匹配的信號(hào)轉(zhuǎn)換器以及功能豐富的后臺(tái)軟件，能夠滿足大部分電氣設(shè)備的日常維護(hù)、故障檢修、故障分析及校驗(yàn)等工作。

裝置由可調(diào)低壓穩(wěn)壓電源、低壓斷路器、（斷路器）控制單元、便攜式數(shù)據(jù)同步錄波單元、匹配互感器和后臺(tái)軟件等部分構(gòu)成?？烧{(diào)低壓穩(wěn)壓電源可按需輸出穩(wěn)定電壓，回路中串入低壓斷路器和相應(yīng)的控制單元，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)跳閘，保護(hù)回路中設(shè)備的安全；便攜式數(shù)據(jù)同步錄波單元用于對(duì)多路模擬量和開關(guān)量進(jìn)行高時(shí)間精度同步錄波，與后臺(tái)軟件通信可進(jìn)行多通道相互關(guān)聯(lián)分析，實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)判別、自動(dòng)觸發(fā)故障錄波等功能。為保證電氣信號(hào)檢測(cè)精度與準(zhǔn)確度，同時(shí)拓展裝置適用范圍，裝置具備以下技術(shù)特性：

（1）便攜式數(shù)據(jù)同步錄波單元可實(shí)現(xiàn)高頻、同步采集32路模擬量和16路開關(guān)量通道信號(hào)；

（2）便攜式數(shù)據(jù)同步錄波單元采用16位高速A/D芯片，每通道采樣頻率高達(dá)10 kHz，開關(guān)量分辨率可達(dá)0.1 ms；

（3）該裝置不僅可監(jiān)測(cè)普通電壓、電流等信號(hào)，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的計(jì)算監(jiān)測(cè)，包括頻率偏差、電壓偏差、三相電壓（電流）不平衡度、諧波等（表1）；

（4）各種電氣信號(hào)均可通過匹配合適的互感器轉(zhuǎn)換為3.53 V以下電壓信號(hào)，并采用該裝置進(jìn)行故障檢修；

（5）該裝置能夠自動(dòng)判別異常狀況，實(shí)現(xiàn)故障波形自動(dòng)記錄，觸發(fā)啟動(dòng)方式多樣，包括突變、越限、開關(guān)量動(dòng)作及手動(dòng)啟動(dòng)等；

（6）便攜式數(shù)據(jù)同步錄波單元可接入校時(shí)信號(hào)，多個(gè)采集設(shè)備共同構(gòu)成故障錄波系統(tǒng)，適合大規(guī)模電氣設(shè)備及相關(guān)系統(tǒng)的測(cè)試、檢修。

該裝置全部采用便攜式設(shè)計(jì)，體積小、質(zhì)量輕，且能長(zhǎng)時(shí)間帶電帶載運(yùn)行，適合各種檢測(cè)場(chǎng)合。同時(shí)后臺(tái)軟件具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能，例如峰值/有效值分析、諧波分析、阻抗分析、相角分析，還具備圖形界面處理功能，通過縮放、對(duì)比等直觀顯示數(shù)據(jù)結(jié)果，有利于提高分析速率，提高工作效率。

表1 功能詳表

2 應(yīng)用分析

2.1 故障概況

在對(duì)某變電所交直流設(shè)備進(jìn)行檢查及缺陷處理時(shí)，發(fā)現(xiàn)交流屏存在告警信息，在對(duì)1#進(jìn)線電壓進(jìn)行測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)B相無電壓，值班人員向電調(diào)申請(qǐng)拉開所用變隔離開關(guān)，對(duì)1#自用變?nèi)蹟嗥鬟M(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)1RD熔斷器熔斷。

造成高壓熔斷器熔斷的直接原因是過電壓、過電流等，其根本原因可能是鐵磁諧振產(chǎn)生的過電壓或系統(tǒng)三相對(duì)地電容產(chǎn)生充放電等，也可能是其他設(shè)備故障造成過電壓、過電流[10]。盡管設(shè)備告警故障未造成嚴(yán)重后果，但該現(xiàn)象可能成為牽引變壓器的安全隱患，而牽引變壓器是牽引供電系統(tǒng)與電力系統(tǒng)銜接的重要電氣設(shè)備，其能否正常運(yùn)行直接關(guān)系到電氣化鐵路能否安全、可靠和高效地運(yùn)行，如果按照常規(guī)辦法處理即對(duì)熔斷器進(jìn)行更換后向電調(diào)申請(qǐng)合上所用變開關(guān)，不進(jìn)行故障分析，將可能錯(cuò)過消除設(shè)備隱患的最佳時(shí)機(jī)。

2.2 故障查找與處理方案

目前，常用的變壓器故障檢測(cè)方法是測(cè)試變壓器直流阻抗，可檢查繞組接頭的焊接質(zhì)量和繞組有無匝間短路，電壓分接開關(guān)的各個(gè)位置接觸是否良好以及分接開關(guān)實(shí)際位置與指示位置是否相符，引出線有無斷裂，多股導(dǎo)線并繞的繞組是否有斷股等。但市場(chǎng)現(xiàn)有的直流阻抗測(cè)試裝置性能不一，對(duì)于存在隱患但阻抗變化不明顯的變壓器，容易造成隱患漏診。本案例中，首先利用普通阻抗測(cè)試裝置對(duì)變壓器繞組直流電阻進(jìn)行測(cè)試。直流電阻測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 故障檢測(cè)前直流電阻測(cè)試數(shù)據(jù)

電氣設(shè)備試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定：對(duì)于1.6 MV·A及以下的變壓器，相間差一般不大于三相平均值的4%；線間差一般不大于三線平均值的2%。

高壓側(cè)三線實(shí)測(cè)電阻值的平均值為

AB線與BC線間電阻差為

AC線與BC線間電阻差為

該所用變壓器接線方式為三角形順聯(lián)接線，如圖1所示。

圖1 變壓器接線

將線電阻換算為相電阻：

對(duì)于高壓側(cè)繞組的AB線與BC線、AC線與BC線線間直流電阻差值分別為5.3W和5.5W，差值均不大于三線平均值的2%，相間阻抗差值不大于三相平均值的4%，三相基本平衡。考慮到該變壓器可能存在性能下降趨勢(shì)和普通直流阻抗測(cè)試裝置本身誤差等因素，不能直接排除變壓器不存在隱患故障點(diǎn)。為探究變壓器是否存在故障隱患，采用本文所述新型故障檢修裝置對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)裝置接線及原理如圖2所示。

圖2 故障檢修裝置結(jié)構(gòu)及檢測(cè)原理

裝置故障檢測(cè)工作原理：低壓電源為電壓值可調(diào)的理想穩(wěn)壓低壓電源，直接施加在變壓器高壓側(cè)，用于檢測(cè)變壓器各相電壓承受能力，記錄工作波形。斷路器與低壓電源串聯(lián)，接受控制單元控制，可在故障時(shí)迅速切斷回路，確保變壓器等設(shè)備安全。保護(hù)控制單元與便攜式數(shù)據(jù)同步錄波單元及后臺(tái)軟件通信，用于實(shí)現(xiàn)斷路器保護(hù)動(dòng)作自動(dòng)判斷和控制。便攜式數(shù)據(jù)同步錄波單元通過高頻、同步采集變壓器各側(cè)各模擬量，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，與后臺(tái)軟件通信，實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)判別和數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄。匹配互感器用于將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成便攜式數(shù)據(jù)同步錄波單元可直接采集的小電壓信號(hào)。軟件后臺(tái)對(duì)便攜式數(shù)據(jù)同步錄波單元各模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和實(shí)時(shí)處理，判別異常數(shù)據(jù)和故障信息，并觸發(fā)故障錄波，同時(shí)與控制單元通信，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)功能，保障變壓器設(shè)備安全。

檢測(cè)時(shí)，分別對(duì)被測(cè)相間高壓側(cè)施加電壓值可調(diào)的穩(wěn)壓源，并串聯(lián)保護(hù)斷路器，通過匹配互感器（PT、CT等）將被測(cè)相別的高壓側(cè)電壓、高壓側(cè)電流、低壓側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成小電壓信號(hào)并接入便攜式數(shù)據(jù)同步錄波單元；搭建保護(hù)控制單元與斷路器、便攜式數(shù)據(jù)同步錄波單元、軟件后臺(tái)的通信鏈路；通過后臺(tái)軟件對(duì)故障觸發(fā)條件和相關(guān)定值進(jìn)行設(shè)定，并啟動(dòng)故障錄波程序；然后由低到高逐漸增加穩(wěn)壓電源電壓值，電壓增至最高后，逐漸減小電源阻抗，直至電壓輸出最大，阻抗輸出最小，并持續(xù)一段時(shí)間，若未發(fā)生保護(hù)動(dòng)作，則手動(dòng)啟動(dòng)錄波，記錄此時(shí)各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；若在檢測(cè)過程中發(fā)生保護(hù)動(dòng)作或故障錄波，則停止增加電源輸出，對(duì)故障錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.3 故障數(shù)據(jù)分析

按上述方案依次對(duì)變壓器高壓側(cè)AB、BC、AC線間進(jìn)行加電源檢測(cè)及錄波，檢測(cè)過程中，AB、AC兩線間高壓側(cè)可承受大電流通過，BC線間高壓側(cè)承受電流較大時(shí)發(fā)生保護(hù)跳閘動(dòng)作并觸發(fā)故障錄波。AB、AC線間波形報(bào)告及BC線間故障錄波圖形報(bào)告如圖3所示（為便于分析，圖形處理已剔除涌流成分）。

AB線間波形如圖3（a），數(shù)據(jù)顯示高壓側(cè)電壓為379.454 V（取5個(gè)時(shí)刻平均值），電流為 1.352 A（取5個(gè)時(shí)刻平均值），阻抗280.66W，低壓側(cè)電壓14.397 V，電流持續(xù)10 min無異常，波形持續(xù)正常，阻抗范圍符合相應(yīng)等級(jí)變壓器參數(shù)。AC相波形如圖3（b），數(shù)據(jù)顯示高壓側(cè)電壓為379.536 V（取5個(gè)時(shí)刻平均值），電流為 1.350 A（取5個(gè)時(shí)刻平均值），阻抗281.13W，低壓側(cè)電壓14.398 V，電流持續(xù)10 min無異常，波形持續(xù)正常，阻抗范圍符合相應(yīng)等級(jí)變壓器參數(shù)。BC線間故障波形如圖3（c），顯示在發(fā)生故障前，高壓側(cè)電壓為379.545 V，電流為1.409 A，阻抗269.37W，低壓側(cè)電壓14.40 V，故障時(shí)刻后82 ms發(fā)生保護(hù)跳閘動(dòng)作，變壓器B相高壓側(cè)與電源斷開，高壓側(cè)電壓為0，電流為0，低壓側(cè)電壓為0。

根據(jù)波形報(bào)告及數(shù)據(jù)推斷，BC線間在承受電流過程中，因本身已出現(xiàn)阻抗降低，過電流偏大，且過電流過程中加劇了故障，阻抗進(jìn)一步降低，同時(shí)過電流偏大觸發(fā)故障錄波并啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，從故障錄波數(shù)據(jù)阻抗分析可知，BC線間故障時(shí)刻阻抗比檢測(cè)前測(cè)量值偏低。

從運(yùn)行環(huán)境分析，該故障變壓器運(yùn)行于蘭新客專及敦格鐵路，由于特殊的地理位置和氣候條件，集高海拔、髙寒、晝夜溫差大、常年風(fēng)沙等特點(diǎn)于一體，敦格鐵路沙塵天氣更為顯著，其供電設(shè)備運(yùn)行環(huán)境較為特殊，設(shè)計(jì)采用供電設(shè)備室內(nèi)布置及室外布置2種方式，一些設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)，未充分考慮運(yùn)行環(huán)境的影響，導(dǎo)致供電系統(tǒng)電能質(zhì)量較差。結(jié)合數(shù)據(jù)分析結(jié)果判斷，該故障變壓器可能由于在運(yùn)行過程中諧波過電壓或該產(chǎn)品的線圈導(dǎo)線在絕緣加工過程中存在缺陷造成高壓繞組匝間絕緣損傷導(dǎo)致匝間短路，或由于變壓器高壓繞組匝數(shù)多、線徑細(xì)，匝間絕緣擊穿導(dǎo)致匝間短路，也可能是受嚴(yán)酷的運(yùn)行環(huán)境、較大晝夜溫差和空氣濕度等綜合因素影響，導(dǎo)致變壓器B相繞組絕緣性能降低。

為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對(duì)故障變壓器進(jìn)行返廠跟蹤。變壓器返廠后進(jìn)行吊芯檢查，發(fā)現(xiàn)變壓器器身變形，污染嚴(yán)重，高壓側(cè)A、C相無明顯變形，B相移位變形較為明顯，變壓器油碳化較嚴(yán)重。這一現(xiàn)象與上述檢測(cè)結(jié)果和數(shù)據(jù)故障錄波報(bào)告、分析結(jié)果一致，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)分析結(jié)果的正確性。

2.4 方案效益分析

按照一般告警事故處理常規(guī)做法，發(fā)現(xiàn)B相熔斷器熔斷后對(duì)其進(jìn)行更換，并測(cè)量變壓器的直流阻抗位于正常范圍內(nèi)（一些站點(diǎn)在處理此類故障時(shí)并不對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)），然后向電調(diào)申請(qǐng)合上所用變開關(guān)。

按照設(shè)備實(shí)際情況進(jìn)行推斷，該常規(guī)處理方案可能造成以下幾種后果：

（1）合閘后裝置運(yùn)行一段時(shí)間后，熔斷器再次熔斷，產(chǎn)生告警，設(shè)備未發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞。而熔斷器的工作原理是當(dāng)電流超過規(guī)定值時(shí)，以本身產(chǎn)生的熱量使熔斷器熔斷，保護(hù)電路中的其他設(shè)備。新的熔斷器熔斷需要電流超過限值并且持續(xù)一段時(shí)間才能發(fā)生。而且不排除熔斷器熔斷后，維護(hù)人員更換略大規(guī)格的熔斷器的可能，綜合因素作用，該情況發(fā)生概率不高。

（2）合閘運(yùn)行一段時(shí)間后，該故障變壓器絕緣性能繼續(xù)降低，B相承受較大電流，加劇變壓器劣化趨勢(shì)，導(dǎo)致變壓器先于熔斷器發(fā)生損毀。該變壓器為銀川臥龍公司生產(chǎn)，管內(nèi)100 kV·A的變壓器有9臺(tái)，50 kV·A的變壓器有24臺(tái)，變壓器故障可能會(huì)同時(shí)引發(fā)一系列設(shè)備故障。若按照一般告警事故處理常規(guī)做法進(jìn)行處理，則上述（1）情況發(fā)生后，可能仍然不會(huì)發(fā)現(xiàn)變壓器故障，更換熔斷器后繼續(xù)運(yùn)行，直至發(fā)生變壓器損毀，造成嚴(yán)重事故和損失。綜合來看，該情況發(fā)生概率較大。

本文提出的裝置采用便攜式設(shè)計(jì)，非常適合故障檢修、常規(guī)巡檢等。裝置結(jié)合了故障錄波、保護(hù)、阻抗分析等功能，在操作實(shí)施上簡(jiǎn)單易行，在安全性能上表現(xiàn)良好，功能上實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化，且能夠精確檢測(cè)故障隱患，自動(dòng)保存故障數(shù)據(jù)，解決了直流阻抗測(cè)試裝置在應(yīng)用中的缺陷，幫助精確定位隱患和故障點(diǎn)，保護(hù)設(shè)備并減少損失。

3 裝置優(yōu)勢(shì)分析

該裝置在應(yīng)用時(shí)具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）同步錄波裝置采用便攜式設(shè)計(jì)，使用方便；

（2）可同時(shí)對(duì)16個(gè)模擬量和8個(gè)開關(guān)量進(jìn)行故障測(cè)試。設(shè)計(jì)完全能夠滿足電氣化鐵路牽引變電所各種設(shè)備的多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的故障檢測(cè)和同步錄波，同時(shí)配有校時(shí)輸入端子，能夠方便用戶進(jìn)行系統(tǒng)較多監(jiān)測(cè)量的檢測(cè)故障錄波；

（3）自帶保護(hù)跳閘功能，能夠自動(dòng)檢測(cè)故障，并控制跳閘，及時(shí)保護(hù)設(shè)備安全，減少損失；

（4）能夠?qū)σ恍┰O(shè)備例如變壓器等提供可變電源輸入，對(duì)不同電壓、電流過載狀態(tài)下的設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，降低漏檢概率，解決現(xiàn)有普通設(shè)備檢測(cè)缺陷；

（5）裝置設(shè)計(jì)可應(yīng)用于多種場(chǎng)合、多重電氣設(shè)備的故障隱患檢修，適應(yīng)性強(qiáng)，便于攜帶檢測(cè)；

（6）后臺(tái)功能設(shè)計(jì)可拓展，帶有諧波分析、相角分析等綜合數(shù)據(jù)分析功能，為故障分析提供了豐富的工具。

4 結(jié)語

本文提出一種綜合了保護(hù)、故障錄波、校驗(yàn)、電能質(zhì)量分析、阻抗檢測(cè)分析等多種功能于一體的故障檢修裝置，尤其適用于一次設(shè)備故障潛伏期測(cè)試檢修校驗(yàn)、早期故障及上位演變?yōu)楸Ｗo(hù)跳閘事故的故障查修。針對(duì)一起鐵路牽引變電所的變壓器故障導(dǎo)致的告警事件進(jìn)行應(yīng)用案例分析，在故障處理和隱患故障查找上表現(xiàn)良好，驗(yàn)證了該裝置設(shè)計(jì)功能。與一般故障檢修常規(guī)處理方式進(jìn)行了對(duì)比和效益分析，該方案簡(jiǎn)單易行，裝置便于攜帶，安全性高，漏檢率低，綜合功能豐富，可用于多種設(shè)備的故障檢修維護(hù)和系統(tǒng)的常規(guī)檢修。

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A new type of fault inspection and calibration device for electrical equipment is proposed; the application and analysis, made on the basis of an actual example of a transformer fault inspection, show that the design of the device plays important roles on fault inspection for the electrical equipment.

Trouble shooting; railway traction transformer; portable type; protection recording

U226.7

A

1007-936X(2018)02-0024-06

2017-08-09

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.02.006

吳光龍.中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司嘉峪關(guān)供電段，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏恳╇娺\(yùn)營(yíng)管理。