楊斯泐， 郭晨曦， 李 強(qiáng)

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

牽引變壓器是動車組整個高壓系統(tǒng)中的核心設(shè)備之一，是保障動車組平穩(wěn)運(yùn)行和牽引供電系統(tǒng)運(yùn)營安全的關(guān)鍵部件。動車組牽引變壓器運(yùn)輸和安裝期間可能發(fā)生的意外碰撞，動車組短時發(fā)生的短路故障產(chǎn)生的電動力,可能造成變壓器的損壞,嚴(yán)重影響變壓器繞組的狀態(tài), 對變壓器內(nèi)部絕緣距離產(chǎn)生影響，繞組變形造成絕緣損傷會導(dǎo)致局部放電現(xiàn)象的發(fā)生。如不及時發(fā)現(xiàn)并修復(fù)變形,可能引發(fā)動車組主回路故障。機(jī)械外力造成的繞組結(jié)構(gòu)變化是牽引變壓器絕緣破壞的重要原因。振動、短路過程中的電動力，繞組內(nèi)部結(jié)構(gòu)自然老化都會引起繞組的變形。定期檢查變壓器繞組變形的程度能夠有效防止變壓器絕緣失效等風(fēng)險，防止安全事故的發(fā)生，并節(jié)省檢修維護(hù)的成本。

對動車組牽引變壓器進(jìn)行繞組變形測試研究，分析比較衰減曲線的變化，能夠發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部的許多問題：①鐵芯位移；②繞組異常變位和形變；③鐵芯接地故障；④繞組折疊故障；⑤夾件松動和斷裂；⑥繞阻異常開路和匝間瞬時短路。

動車組在運(yùn)行過程中，牽引變壓器繞組除了承受工作電流產(chǎn)生的電動力之外，還必須長期承受車體帶來的變壓器振動影響。為掌握牽引變壓器運(yùn)行狀態(tài)，了解運(yùn)行環(huán)境可能對變壓器絕緣結(jié)構(gòu)造成的影響，從而進(jìn)行變壓器繞組變形的追蹤試驗研究。

1 動車組牽引變壓器的結(jié)構(gòu)及繞組變形分析

1.1 動車組牽引變壓器的結(jié)構(gòu)

目前各類型的動車組廣泛采用多個牽引變壓器布局，多為動力分散形式，牽引變壓器進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化提供給牽引變流器。某型動車組牽引變壓器由1個原邊繞組、4個次級牽引繞組和1個次級濾波器繞組組成。4個次級牽引繞組對應(yīng)4組牽引變流器單元，由原邊繞組把接觸網(wǎng)27.5 kV等級高電壓轉(zhuǎn)換為次級牽引繞組較低電壓等級，并有次級濾波裝置進(jìn)行濾波。濾波器回路由濾波電阻、濾波電容和保險絲等組成，能夠有效吸收操作過電壓和瞬態(tài)過電壓沖擊，從而保護(hù)牽引變流器的功率元件。

動車組牽引變壓器結(jié)構(gòu)為芯式臥放形式。由鐵芯、線圈組成的器身及引線構(gòu)成其主體結(jié)構(gòu)。兩組芯柱旁軛和矩形鐵軛組成的芯式結(jié)構(gòu)構(gòu)成鐵心磁路。如圖1所示的鐵芯裝配圖，鐵軛硅鋼片沖孔后采用穿心螺桿緊固，苯乙烯塑料綁帶綁扎芯片，使鐵芯成為堅固的整體結(jié)構(gòu)，并適應(yīng)臥式安裝的要求。

圖1 鐵芯裝配圖

動車組變壓器繞組線圈結(jié)構(gòu)采用層式，絕緣等級為A級，牽引變壓器3組繞組從里到外的順序為：牽引繞組、濾波繞組及高壓繞組，如圖2為繞組剖視圖。端環(huán)的準(zhǔn)確程度高，能夠有效的保障繞組定位的精確，從而減少軸向短路作用力的影響。

圖2 繞組布置剖視圖

為了空間的緊湊性，引線一般為頂部出線，銅排和圓銅棒為引線的主要材質(zhì)，含銀焊料的焊接保障引線的接觸性良好。高強(qiáng)度的層壓木板作為引線的支架預(yù)防松動。T形頭為原邊引線常用結(jié)構(gòu)。接線端子結(jié)構(gòu)用于二次側(cè)引線，布置于變壓器側(cè)面。

1.2 牽引變壓器繞組變形的形式

由于出口短路時在過電流產(chǎn)生的電動力作用，牽引變壓器會在運(yùn)行狀態(tài)下產(chǎn)生繞組變形。繞組的機(jī)械強(qiáng)度有限，多次峰值短路電流的沖擊，會逐步形成繞組的永久性形變。同時動車組長期運(yùn)行于高速振動狀態(tài)下，不同速度等級和不同線路條件所產(chǎn)生的振動，同樣會對繞組產(chǎn)生不良影響。

短路產(chǎn)生的電動力按照復(fù)雜規(guī)律劇烈變化，從而造成變壓器線圈變形。變壓器線圈多以銅或鋁線段并由絕緣墊塊隔離所構(gòu)成的。由于銅或鋁的材質(zhì)都較軟，無法承受巨大電動力沖擊，在絕緣墊塊受到?jīng)_擊失效時，變壓器線圈整體產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度降低甚至失效。

如圖3所示，軸向力和徑向力是作用在變電器上電動力的兩種形式。牽引變壓器的繞組結(jié)構(gòu)是徑向力作用于牽引繞組和濾波繞組之間，使內(nèi)部牽引繞組線圈壓縮，外部濾波繞組線圈拉伸，具體作用方向與線圈相互位置及其電流的方向有關(guān)。軸向力產(chǎn)生的壓縮力可使銅或鋁線段、線匝和絕緣隔墊等以垂直方式彎曲變形，并影響到鐵芯，使內(nèi)側(cè)牽引繞組脫離芯柱。

圖3 電動力產(chǎn)生的繞組變形形式

電動力會使動車組牽引變壓器發(fā)生局部變形和整體變形。在頻繁電動力作用下局部變形會逐步發(fā)展為整體變形。

圖4 壓縮力造成的繞組變形

壓縮力會導(dǎo)致局部變形。牽引繞組等內(nèi)部繞組受到壓縮力作用首先產(chǎn)生局部鼓包或塌陷變形(如圖4)，逐步發(fā)展為繞組的整體變形。

由于繞組發(fā)生鼓包、扭曲、移位等不可恢復(fù)的變形現(xiàn)象而導(dǎo)致絕緣損壞，表征出多種形式的初始故障，如局部放電現(xiàn)象，耐受值降低等。絕緣強(qiáng)度會隨著使用時間和承受短路沖擊的次數(shù)而下降，從發(fā)生餅間擊穿、匝間短路、主絕緣放電現(xiàn)象，直到牽引變壓器完全擊穿事故。

2 變壓器繞組變形的檢測方法及原理

2.1 變壓器繞組變形的主要測試方法

變壓器繞組變形導(dǎo)致變壓器測試過程中各種參數(shù)的變化，從而有多種測試?yán)@組變形的方法。主要包括：阻抗變化測量法；頻率響應(yīng)分析法；低壓脈沖法；傳遞函數(shù)法，雜散損耗頻率響應(yīng)法等。

繞組變形后，變壓器磁阻和阻抗參數(shù)均隨之發(fā)生變化。阻抗測量法就是測量變壓器繞組變形后的磁阻、阻抗和繞組變形的對應(yīng)關(guān)系。

頻率響應(yīng)法和低壓脈沖法是從頻域和時域兩個方面研究變壓器繞組變形，本質(zhì)上是一種測試原理，相互關(guān)聯(lián)。目前實(shí)踐中更多采用頻率響應(yīng)分析法，因為頻響法現(xiàn)場測試實(shí)施更為靈活，抗干擾能力強(qiáng)，試驗接線簡單，頻譜圖質(zhì)量穩(wěn)定。

雜散損耗頻率響應(yīng)法主要對繞組的渦流損耗變化進(jìn)行分析。繞組變形引起的匝間短路、導(dǎo)線并聯(lián)短路等故障，會導(dǎo)致渦流損耗明顯增加，是此方法的基礎(chǔ)。

2.2 頻響分析法測試原理

主要采用頻響分析法對繞組變形進(jìn)行測試。頻響分析法的測試原理如圖5所示，將不同頻率的正弦掃頻電壓信號Vs依次輸入，對不同掃描頻率下繞組激勵入口端的對地電壓信號Vi(f)和響應(yīng)出口端對地電壓信號Vo(f)信號進(jìn)行記錄，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在不同頻率下的響應(yīng)端電壓Vo和激勵端電壓Vi的信號幅值之比，從而得到變壓器繞組的傳遞函數(shù)H(f):

H(f)=20log[Vo(f)/Vi(f)]

式中：H(f)為頻率f時傳遞函數(shù)的模│H(jω)│；Vo(f)和Vi(f)為頻率為f時響應(yīng)端和激勵端電壓的峰值或有效值│Vo(jω)│和│Vi(jω)│。

將頻率響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行頻譜分析，得出頻譜曲線從而判斷變壓器繞組變形情況。[1]

圖5 頻響分析法測試原理圖

頻響分析法把牽引變壓器的每個繞組等效為由線性電阻、電容、電感(互感)等分布參數(shù)構(gòu)成的無源線性雙端口網(wǎng)絡(luò)等值電路，傳遞函數(shù)H(jω)描述為繞組變形的內(nèi)部特征參數(shù)，如圖6所示。繞組內(nèi)部的電容、電感參數(shù)會隨著繞組狀態(tài)發(fā)生變化，若產(chǎn)生繞組變形現(xiàn)象，會使等效網(wǎng)絡(luò)中傳遞函數(shù)H(jω)的零點(diǎn)和極點(diǎn)發(fā)生變化，從而網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性能夠反映繞組變形的程度，具體描述為激勵端和響應(yīng)端之比反映幅頻響應(yīng)曲線。

圖6 頻率響應(yīng)分析法的繞組等值電路

等值網(wǎng)絡(luò)電路圖6中：L、K及C分別代表繞組單位長度的分布電感、分布電容及對地分布電容；V1、V2分別為等效網(wǎng)絡(luò)的激勵端電壓和響應(yīng)端電壓，VS為正弦波激勵信號源電壓，RS為信號源輸出阻抗，R為匹配電阻。

3 基于頻響分析的現(xiàn)場試驗方法

3.1 現(xiàn)場試驗測試研究

3.1.1試驗準(zhǔn)備

繞組變形測試應(yīng)做以下準(zhǔn)備工作：

(1)變壓器停止工作處于靜置狀態(tài)，解開動車組牽引變壓器本體所有端子連接線。

(2)拆除所有與被試變壓器套管連接線，并使這些連接線盡可能的遠(yuǎn)離變壓器套管，以減少雜散電容的影響。

(3)設(shè)備和變壓器可靠接地，接地能夠保護(hù)儀器設(shè)備，并使高頻電流的流向正常，能夠獲得測量結(jié)果的一致性和可重復(fù)性。

3.1.2各型動車組牽引變壓器試驗接線

繞組變形測試設(shè)備的掃頻信號應(yīng)從變壓器繞組的末端輸入，首端輸出。不同繞組組別應(yīng)分別進(jìn)行測試，對于動車組牽引變壓器的不同接線組別，繞組變形測試的接線方式也不同。

如表1為各類型典型動車組，繞組組別分類(單臺變壓器)。

表1 動車組繞組組別分類

打開高壓箱底板和牽引變壓器牽引繞組出線蓋板后根據(jù)圖7，圖11變壓器示意圖接線，接線應(yīng)保證測量阻抗的接線鉗與變壓器出線端子夾緊密接觸。如線夾上有導(dǎo)電膏或銹跡，必須使用砂布或干燥的棉布擦拭干凈。

圖7 CRH380AL牽引變壓器接線圖

CRH380AL動車組，原邊繞組U-V：輸入端接高壓套管U，試驗接線位置如圖8所示；輸出端接地端V，如圖9所示。

牽引繞組S4-S3：輸入端接S4，輸出端接S3；

牽引繞組S2-S1：輸入端接S2，輸出端接S1；

圖8 U端接線位置圖

CRH380B動車組，原邊繞組U-E：輸入端接高壓套管U；輸出端接接地端V；牽引繞組1.1-1.2輸入端接1.1，輸出端接1.2。

圖9 V端接線位置圖

圖10 S端接線位置圖

圖11 CRH380B牽引變壓器接線圖

4 試驗結(jié)果研究

4.1 主要分析方法

對變壓器繞組變形進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，主要采用縱向或橫向比較方法來分析其幅頻響應(yīng)特性。結(jié)合牽引變壓器繞組結(jié)構(gòu)形式、短路故障造成的沖擊、絕緣沖擊耐壓等試驗因素及油中溶解氣體分析等因素。參考相關(guān)系數(shù)的大小可作為輔助手段，能夠表述變壓器繞組變形后幅頻響應(yīng)特性變化趨勢。

(1)縱向比較法，分析動車組牽引變壓器繞組變形情況，需要結(jié)合動車組修程進(jìn)行。動車組運(yùn)行一個固定修程后，對相同動車組、相同變壓器、相同繞組、相同端子接線狀態(tài)的不同運(yùn)營周期的幅頻響應(yīng)特性變化進(jìn)行縱向比較。

該方法需在相同測試條件下進(jìn)行，能夠排除檢測時不同環(huán)境條件的影響，采用相同的檢測接線方式，以第一次頻率響應(yīng)曲線作為基礎(chǔ)，進(jìn)行分析比較，此種方式檢測靈敏度和判斷準(zhǔn)確性較高，但周期長，測試一致性要求高。

(2)橫向比較法，分析動車組牽引變壓器繞組變形情況，需對同一編組動車組不同動力單元變壓器在同一電壓等級下進(jìn)行幅頻響應(yīng)特性進(jìn)行比較，因為不同動力單元變壓器均采用同一型號產(chǎn)品和同一廠家，具備天然的一致性。該方法能夠通過一次測試得出測試結(jié)果，便于現(xiàn)場運(yùn)用，但應(yīng)排除相同動車組不同動力單元牽引變壓器的發(fā)生相似程度的變形或者同一牽引變壓器不同類型繞組的幅頻響應(yīng)特性本身存在差異的可能性。

4.2 繞組變形波形分析

牽引變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)特性曲線分析判斷主要為物理特性和定性分析為主，無法明確使用標(biāo)準(zhǔn)化定量分析方式。主要采用以下幾種形式的分析：

(1)低壓側(cè)繞組為牽引繞組和濾波繞組：牽引繞組作為低壓繞組，由于動車組運(yùn)行的特殊性發(fā)生短路故障的幾率較高。因此，對于牽引變壓器而言，低壓繞組的頻譜是判斷繞組變形的重要特征圖譜。對動車組不同動力單元牽引變壓器和同一牽引變壓器不同組別牽引繞組的橫向比較，對相同牽引變壓器牽引繞組的縱向比較，低壓側(cè)繞組的特征頻譜能夠有效反映繞組變形的情況。

不同繞組之間由于牽引變壓器結(jié)構(gòu)因素，使變形會相互影響，這是因為線圈的壓縮或膨脹會明顯的改變另一側(cè)線圈的電氣分布參數(shù)，甚至連帶變形。所以，需綜合各側(cè)線圈的頻譜變化，作出全面的分析和判斷。

(2)應(yīng)遵循以橫向比較為主，縱向比較為輔：在同一測試條件下橫向比較能夠反映當(dāng)前狀態(tài)下的繞組變形情況，縱向比較適用于跟蹤變壓器整個壽命周期的繞組變化情況。

如圖12為動車組M1車典型測試波形，分析M1、M3、M5、M7、M9、M11和M13車變壓器測試數(shù)據(jù)，按照DL/T 911-2004《電力變壓器繞組變形的頻率響應(yīng)分析法》相關(guān)系數(shù)進(jìn)行橫向比對，見表2。

相關(guān)系數(shù)為便于比較繞組頻率響應(yīng)特性的變化情況，它能以量化結(jié)果的形式直觀的給出所比較頻響特性曲線間的相似程度，即相關(guān)系數(shù)的值越大(最大值為1.00)，曲線的相似程度也就越好，變形程度越輕，相關(guān)系數(shù)是分析繞組變形情況的重要輔助手段。

結(jié)果所測變壓器U-V、S4-S3、S3-S1各繞組均顯示為正常繞組，無明顯繞組變形現(xiàn)象。[2]

圖12 CRH380AL，M1車牽引繞組測試結(jié)果

繞組變形程度相關(guān)系數(shù)R嚴(yán)重變形RLF<0.6明顯變形1.0>RLF≥0.6或RMF<0.6輕度變形2.0>RLF≥1.0或0.6≤RMF<1.0正常繞組RLF≥2.0和RMF≥1.0和RHF≥0.6

注：RLF為曲線在低頻段(1～100 kHz)內(nèi)的相關(guān)系數(shù)； RMF為曲線在中頻段(100～600 kHz)內(nèi)的相關(guān)系數(shù)； RHF為曲線在高頻段(600～1 000 kHz)內(nèi)的相關(guān)系數(shù)。

(3)波形不同頻段的分析原則：

從等值電路上可知，頻率響應(yīng)的頻率范圍各有所代表，因此主要分析低頻段，中、高頻段作為輔助。

①頻響特性曲線低頻段(1～100 kHz)主要代表分布電感的頻響特性。如果通過橫向比較低頻段的諧振峰波形發(fā)生明顯差異，說明繞組結(jié)構(gòu)存在明顯的變形現(xiàn)象，影響繞組的對地電容及餅間電容所形成的感抗，如果繞組的電感發(fā)生變化。如果發(fā)現(xiàn)低頻段頻率響應(yīng)曲線不一致的情況，一般表明線圈整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題，從而影響牽引變壓器的正常工作，甚至?xí)斐闪熊噥G失牽引，還應(yīng)輔助其他手段重點(diǎn)檢查。

②頻響特性曲線中頻段(50～600 kHz)是分布電感和分布電容相互作用的頻響特性反映。如果中頻段出現(xiàn)諧振峰波形存在明顯差異，應(yīng)為繞組存在扭曲和鼓包等局部變形現(xiàn)象。如果牽引變壓器存在短路故障，中頻段諧振峰頻率的分布與短路沖擊前的有較大改變，波形的左右移動或諧振峰數(shù)目變化，可認(rèn)為是繞組的局部變形的影響。

③頻響特性曲線高頻段(>500 kHz)為分布電容的頻響特性反映。在高頻段，繞組的感抗增大，基本被餅間分布電路所旁路，故對諧振峰變化的影響程度相對較低，基本以電容的影響為主。線圈引線的結(jié)構(gòu)或分接開關(guān)引線問題是造成中高頻段頻率響應(yīng)波形波動的主要原因。[3-4]

5 結(jié) 論

通過測試變壓器繞組的頻率響應(yīng)特性來反映變壓器內(nèi)部繞組是否發(fā)生變形的技術(shù)，是判斷變壓器故障的重要手段之一。它比阻抗法和低壓脈沖法具有抗干擾能力強(qiáng)、重復(fù)性高、操作簡單的優(yōu)點(diǎn)。作為一種無損檢測手段能夠有效的反映出變壓器的內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)及狀態(tài)。通過分析其測試原理，研究其現(xiàn)場測試方法的有效性。

通過橫向比較法和縱向比較法，結(jié)合相關(guān)系數(shù)作為輔助，長期跟蹤牽引變壓器，作為變壓器預(yù)防性試驗的有效手段，能夠預(yù)防動車組在運(yùn)行過程中，牽引變壓器繞組承受工作電流產(chǎn)生的電動力及車體帶來的變壓器振動而造成的絕緣變化。通過測試掌握牽引變壓器運(yùn)行狀態(tài)，了解運(yùn)行環(huán)境可能對變壓器絕緣結(jié)構(gòu)造成的影響，保證牽引變壓器壽命周期的正常運(yùn)行。