牵引变压器监测技术与故障诊断研究

发布来源：发布时间：2014/09/17点击量：2410

牵引变压器监测技术与故障诊断研究
王 宇
（大秦铁路股份有限公司太原职工培训基地，山西 太原 030009）

摘  要：牵引变电所是电气化铁路供电系统的心脏，是发电厂到电力机车之间的重要环节之一，主要由牵引变压器和相应的配电装置构成。牵引变压器的作用是将110 kV（220 kV）的三相交流电变换成27.5 kV（55 kV）的单相交流电。变压器的运行是否安全可靠，关系着牵引供电系统能否正常运行工作。因此，牵引变压器运行维护必须合理，尽可能消除或减少故障，提高牵引变压器运行的可靠性。分析牵引变压器的常见故障和产生原因，研究状态监测的现状和存在的问题，对于牵引变压器运行维护有一定的现实意义。
关键词：牵引变压器；故障诊断；检测技术；存在的问题

中图分类号：TM407              文献标识码：A               文章编号：2095－6835（2014）02－0010－02
 
1  牵引变压器故障和监测
    牵引变压器是牵引供电系统中的电压转换设备，它一旦发生事故，恢复所需时间较长，产生的后果也比较严重。
    目前，我国的变压器设计水平、制造工艺和相关材料的应用已经取得很大进步，这也使得现在的牵引变压器工作可靠性越来越好，但是由于其应用环境的复杂性不断增多、牵引负荷的突变性增强，依然会有一些预料不到的事故发生。
1.1  牵引变压器故障发生的原因
    造成变压器故障的原因有很多，大致有这几种：①在牵引变压器制造过程中，厂家设计出现问题、材料选择不恰当和制造质量的缺陷等都会使变压器发生故障。②在设备运行过程中，由其他设备故障引起的最常见的就是各种过电压的威胁，主要是外部过电压和内部过电压，其中外部过电压主要是指雷击或感应电。过电压的作用时间虽短，但它的数值却是变压器正常工作电压的几百甚至几千倍，所以容易损坏变压器绝缘，使变压器不能正常工作。③在设备维修环节中，操作人员的业务素质参差不齐、工作状态不同，在维护过程中操作不当会造成变压器个别部位短路，或者出现突发性过负荷，这种维修人员的误操作也是造成变压器故障的原因之一。④牵引变压器产品本身的不可抗因素造成故障。比如，绝缘老化——任何一种绝缘材料都会有自然老化现象，最常出现的情况是变压器长时间过负荷或短路运行，造成内部出现局部放电、过热等异常现象时，就会大大加速变压器绝缘材料的老化，进而引发绝缘故障。
1.2  牵引变压器故障诊断
    工作中的牵引变压器发生故障时，一般会伴随着多种不正常的现象，这些现象可以转化为多种信号，比如，光信号、温度信号等。故障诊断就是通过采集牵引变压器的这些异常状态信息，把这些状态信息利用计算机等高科技设备和手段进行对比分析，然后判断出故障的具体特性。
    诊断故障的目的不仅仅是发现问题，最主要是为了检测出故障产生的部位和轻微故障的发展程度，以便于检修部门采取相应措施来消除故障，从而防止变压器因故障加重损坏而停运，更重要的是，可以发现变压器运行中的一些问题，为今后改进维护方法和修订旧的操作规程提供现实依据，同时还可以发现产品本身的质量缺陷，为厂家改进设计方法和提高制造工艺提供技术支持。综上所述，加强对牵引变压器绝缘状态的监测和管理，对于发生意外事故时快速确定故障性质和部位是很有指导意义的。
2  牵引变压器故障检测的现实状况
    近年来，电气化铁路发展进入高潮期，随着客运高速化和货运重载化趋势的增强，对主变压器容量的要求越来越高，对其可靠性的要求也越来越高，对各个铁路局的生产效率和经济效益指标的要求也在不断提高。因此，改革现有的维修制度是非常重要的议题。各个铁路局供电段在现行的定期修制度和停电状态下试验所产生的问题也越来越多，主要有：①维修人员往往会按部就班地对照定期修制度，对多数完好设备进行定期检修，经常会出现过度维修、盲目维修和维修过剩的现象。这样做，维修资源浪费且不说，最关键的是这种维修方式还有可能引发一些新的故障，使原本正常工作的设备陷入故障隐患的泥潭。②由于变压器的一些连接部件本身容易发生故障或一些性能缺陷（比如绝缘缺陷），定期修不能及时发现隐患，这样进行检修最终会出现重大故障。所以，维修部门要关注高压电气设备的状态维修（简称状态修）的研究和应用推广。
2.1  状态维修（状态修）的基本认识
    牵引变压器等高压电气设备的状态修主要是以高压设备当前的工作状态和技术参数作为依据，结合成熟的状态监测手段来对设备的好坏进行判断。这样做最大的好处是可以把握住最佳维修时期，提高维修的效率。最终目标是确保变压器安全、稳定运行，避免设备运行损坏。状态修的首要任务是监测变压器是否有故障，监测软件就是完成这个功能的。它包含的专家系统能够将所测得的振动水平和一系列预设的报警值进行比较。用户需要仔细分析它所提供的“异常报告”，从而确定什么位置可能有故障。对牵引变压器而言，就是要根据其运行工况、电流、电压、负荷功率和温度等信号量来判断系统的健康状况，根据健康状况决定是否需要检修、怎样检修及如何提高设备的可靠性和利用率。
2.2  变压器气相色谱分析
    当前铁路牵引供电系统中变压器均采用油浸式变压器（自冷和风冷两种），内部的绝缘油和有机合成材料在电磁转换过程中产生的热量，会慢慢劣质化和分解，产生少量的各种低分子烃类和碳氧化物气体等。产生的这类气体大部分能溶解在油中，但当存在隐蔽性过热或异常放电时，这些气体的产生速度就会明显增加。当产气量大于溶解量时，便有一部分气体进入油气继电器。色谱分析法就是通过监测和分析气体的具体构成和浓度，来判断变压器内部是否存在过热性故障等。利用这种方法能及时找出变压器在哪里有了故障和故障的轻重，这对于实际维修工作具有很强的现实意义，因此得到广泛应用。
2.3  变压器局部放电监测
    国内外开展了大量的研究工作，其中对变压器邮箱内局部放电的监测取得了很大的进展，其方法主要有：用超声波传声器检测音响脉冲的音响法和伴随放电检测电流脉冲的电流法。一般为了防止外部噪声的干扰，最好是将音响法和电流法并用。其基点是以音响脉冲和电流脉冲同步来判断局部放电，以它时间上的偏移量来确定放电的位置。另外，还有其他方法分别是利用局部放电过程中产生的超声波信号、光信号、化学物质和电信号等来进行的光学测量、化学测量和电学测量等，这些方法也有一定的市场应用。
2.4  变压器高压套管的介损监测
    介质损耗是以介质损失角的正切值来表示，测量牵引变压器的介质损失角正切值，是判断绝缘性能的有效方法，主要用于检查电气设备整体是否受潮、绝缘老化和油质劣化等。不仅是牵引变压器的故障诊断，任何问题的诊断都是以现象为线索的，哲学中透过现象看本质的原理在变压器故障诊断中得到很好的应用。最大困难在于现象和本质之间并不存在简单的一一对应关系：一种本质可能对应多种现象，而一种现象也可能对应着多种本质，所以说，只依靠一个参数或一个现象的测试诊断是不准确的。这就需要严密的推导，综合考虑多种因素来分析判断，得出结论。
3  牵引变压器故障监测存在的问题
3.1  检测数据不准确
    故障监测的基本要求就是监测信号的准确性和稳定性，这也是故障监测急需解决的难题。如果失去准确性，整个监测将没有任何意义。由于现场实际情况的不可预知性和复杂性，使监测结果无法及时与标准值进行比对，更难以对停电试验结果进行校准。这种在线监测的实时连续性，对于干扰参数的准确排除和过滤有很大影响，它将直接影响最后结果。
3.2  测量工具精准度不够
    准确的监测结果需要精确的测量诊断工具——传感器。受技术限制，现在的传感器多采用软磁铁心，这种传感器技术成熟，测出的信号比较准确。但任何事物都有其两面性，其磁性又容易受周围温度、压力和多种冲击的干扰，甚至被测电信号的幅值差异也会影响到传感器自身的精度。因此，如何开拓创新，研发出更好的传感器，是当前传感器技术的一个主要研究方向。
3.3  外界干扰信号的影响
    想要保证在线监测系统安全可靠，就必须尽最大可能把外界干扰降到最低。我国牵引变电所一般外接220 kV或110 kV地方电网，并将其转化成27.5 kV或55 kV，在这种环境下，电磁干扰的危害可想而知。解决这个问题要从两方面入手：①可以选用多种滤波器来排除干扰信号对要监测信号的影响，这就需要工程技术人员研发更先进的滤波技术；②通过设置更加灵敏的过电压防护器件把外界干扰及时防护掉，这需要在电气设备设计、制造技术上下更多功夫。
4  结束语
    牵引变压器的故障监测是一项需要不断更新发展的技术。随着各方面应用技术的逐渐成熟，在变压器设计制造和安装领域确实有了很大改观。变压器容量的不断扩大，对变压器过负荷问题提出更多要求，对于稳定性的要求更是越来越严格。自动化控制技术的发展使以上功能的实现变成可能。牵引供电技术和自动化技术的合理运用，最终会使牵引供电系统安全可靠地运行。
参考文献
［1］盛国林.发电厂变电所电气设备［M］.北京：中国电力出版社，2009.
［2］李开勤，肖艳萍.电气设备检修［M］.北京：中国电力出版社，2011.
［3］王有元，廖瑞金，孙才新，等.变压器油中溶解气体浓度灰色预测模型的改进［J］.高电压技术，2003（4）.
［4］何其光，陈蓉平，常连齐.牵引变电所运行与维修［M］.北京：中国铁道出版社，1990.

〔编辑：白洁〕

Study on Monitoring and Fault Diagnosis of Traction Transformer
Wang Yu

Abstract: The traction substation of electrified railway traction power supply system of the heart, is one of the important link between the power plant to the electric locomotive, traction transformer and distribution device is mainly composed of the composition of the corresponding. Traction transformer is the role of the 110 kV（220 kV）three-phase alternating current into a 27.5 kV（55 kV）of single-phase alternating current. Transformer operation is safe and reliable, the traction power supply system whether normal operation. Therefore, the traction transformer operation and maintenance must be reasonable, as far as possible to eliminate or reduce the fault, improve the reliability of traction transformer operation. Analysis of traction transformer fault and cause, condition monitoring research and existing problems, for the traction transformer operation and maintenance has certain practical significance.
Key words: traction transformer; fault diagnosis; detection technology; problems
 
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本文已公开发表在《科技与创新》杂志2014年第2期