關于電力機車主變壓器故障處理的探討

?? 　鐵路運輸是我國經濟運行的大動脈，在我國交通體系中占有重要的地位。隨著國民經濟的迅速發展，我國鐵路加快了以高速、重載、安全為主題的發展步伐。但行車安全是鐵路運輸的永恒主題，鐵路提速后對機車的安全性提出了更高更嚴的要求。機車主變壓器是電力機車的心臟部分，它的好壞直接影響到機車的行車安全。從電力機車主變壓器多年來運行的狀況來看，主變壓器的故障率雖然不高，可是一旦出現故障就會造成很大損失。
　　　近年來,電力機車主變壓器多次出現滲漏油故障,特別是有些新造的電力機車主變壓器也發生了該現象。主變壓器滲漏油不僅污染機車內部電纜及設備影響變壓器及相關設備的外觀,造成不必要的損失;而且迫使主變壓器不得不停電檢修,造成一定的社會影響甚至危及行車安全。所以,如何解決滲漏油問題是提高主變壓器質量的關鍵項點之一。
　　一、機車主變壓器的概況
　　(1)機車主變壓器的作用與運行條件
　　　電力機車主變壓器是交流電力機車上的一個重要部件[1]，用來把接觸網上取得的25kV高電壓變換為供給牽引電動機及其他電機、電器工作所適合的電壓，其工作原理與普通電力變壓器相同。主變壓器安裝在交流饋電的電力機車動車上，把饋電電源變換為適當的主電路電源和輔助電路電源，為了能自由地改變電壓，使之適用于牽引電動機，交流電氣化的初期，變壓器的原邊或次邊繞組設有抽頭，可使電壓在一定的范圍內變化，以實現牽引電動機的電壓控制(即速度控制)。后來采用半導體器件控制牽引電動機電壓，為此要把次邊繞組分成具有一定電壓的2個繞組，向半導體變流器供電。輔助電源從變壓器第3繞組獲取。
　　　由于機車主變壓器工作在電力機車上，因此電力機車在運行過程中所具有的一系列特點，必然要在主變壓器的實際工作中反映出來，結果就造成了主變壓器具有不同于普通變壓器的工作條件和特點。主變壓器的工作條件及特點，主要表現在以下幾個方面:
　　1、經常受到機械沖擊和連續而強烈地機械振動;
　　2、外型尺寸和重量有較嚴格限制(因為機車車體內安放電氣設備的空間極為有限，而且機車軸重也有一定的規范);
　　3、接觸網波動范圍比較大，牽引負荷變化也比較大;
　　4、受大氣過電壓和操作過電壓的作用，同時低壓側有較高的短路或率;
　　5、當采用改變主變壓器輸出電壓的方法來調節機車速度時，主變壓器的繞組需要安排較多的抽頭數目，以便進行調壓。
　　　綜上所述，主變壓器的工作條件與普通電力變壓器截然不同，它的工作條件和工作環境是相當惡劣的。
　　　電力機車主變壓器運行條件特殊，接觸網電壓變化大，機車額定工作電壓25kV，正常的工作電壓20~29kV，允許偏差+16%和-20%，故障運行電壓為19kV。在實際運行中，接觸網首端電壓有時達到31kV，機車再生制動時，網壓可達到32kV。而電力變壓器網壓變化率只有±5%。與一般變壓器相比，主變壓器的饋電電壓變動范圍大;另外，饋電的分段處有電力中斷，同時還伴有相位變化，所以主變壓器常受到大的電沖擊。
　　　機車運行時要求無流通過分相區，接觸網分相距離一般為20~40km。牽引變壓器要經常斷開和接通。當列車平均速度為80km/h時，機車主變壓器約15~ 30min投切一次。當列車平均速度為200kn/ h時，則10~ 20min就要投切一次。
　　(2)變壓器基本結構
　　　主變壓器的基本結構有芯式和殼式兩類。芯式結構或殼式結構是指變壓器鐵芯與繞組的相對位置而言。在我國，芯式變壓器在應用上占有優勢[2]。
　　　從變壓器結構方面來說，通常分為六大部分即繞組、鐵心、引線、器身、油箱和總裝。機車主變壓器也是由這幾部分組成的。其中繞組、引線、器身和總裝(涉及外絕緣)四大部分直接與絕緣有緊密的聯系，鐵心和油箱也涉及到絕緣問題。另外，絕緣問題無論是在變壓器制造過程中，還是在變壓器運行中，往往都是最敏感，最直觀表現出來，所以電力變壓器各部件的絕緣成為變壓器制造廠家和使用部門最為關注，最為重視的問題。變壓器結構可用圖2-1表示。
　　(3)運行中的常見故障類型
　　1、按故障發生部位分類:
　　①變壓器外部故障
　　　油箱:焊接質量不好，密封填圈不好;電壓分接開關傳動裝置:機械操動部分，控制部分等問題;冷卻裝置:風扇，輸油泵、控制設備等問題;附件:絕緣套管、溫度計、油位計、各種繼電器等問題。
　　②變壓器內部故障
　　　繞組:絕緣擊穿，斷線，變形;鐵心:鐵心疊片之間絕緣不好，接地不好，鐵心兩點或多點接地及鐵心螺栓絕緣擊穿;內部的裝配金具問題:電壓分節開關控制不到位，引線絕緣薄弱;絕緣油老化。
　　2、按故障性質分類
　　　變壓器的內部故障主要有:過熱性故障、放電性故障、油故障等類型。加速變壓器壽命終結的根源是絕緣的老化。它使變壓器逐漸喪失原有的機械性能和絕緣性能，容易產生局部放電，降低絕緣的工頻及沖擊擊穿強度，縮短變壓器的使用壽命。下面從故障性質出發對主變壓器滲漏油的故障部位及主要原因進行詳細論述。并從油箱結構設計、制造工藝和現場處理等方面提出解決主變壓器滲漏油故障的措施。
　　二、滲漏油的部位
　　　電力機車主變壓器滲漏油的部位主要有箱體及附件的焊縫部位以及連接部位密封件的交界面。
　　(1)焊縫部位
　　　主變壓器包括油箱、箱蓋、儲油柜、散熱器、凈油器、安全氣道等組件,這些組件都是通過施焊或者連接件來完成組裝的。組焊完成后如果焊縫部位存在夾砂、氣孔、隱性裂紋,或者現場操作中沒有完全消除殘余應力等都會造成焊縫部位滲漏油現象的發生。實際運用中電力機車主變壓器的滲漏油通常大部分是這些部件上滲漏油,據資料顯示，其中SS3,SS4型機車主變壓器就曾發生多起焊接部件滲漏油現象。
　　(2)連接部位密封件的交界面
　　　在電力機車主變壓器外部安裝有冷卻器、油泵、管路、蝶閥以及出線端子板等部件,這些部件之間的連接面都是通過密封件(密封圈和密封膠等)來進行密封的。這些密封件由于自身老化以及質量原因,極易造成主變壓器運行過程中密封失效現象,導致滲漏油故障。
　　三、滲漏油故障的原因
　　(1)焊縫部位滲漏油原因
　　①設計缺陷。在對SS3,SS4等車型所發生的主變壓器儲油柜及散熱器由于焊接缺陷造成滲漏油現象的分析處理中發現:對于慣性及批量漏油現象,往往與結構設計有一定的關系。結構設計時如果對局部應力集中部位分析不深刻、或者存在設計缺陷,則機車經過一定時間運行后,會導致滲漏油故障。其次，在機車運行過程中,在某些特殊線路及特殊區段時,該部件受到沖擊載荷,當局部應力長期超過許用應力時,就會造成疲勞裂紋,從而導致主變壓器滲漏油現象的發生。另外,設計時某些結構缺陷如沒能發現并處理好往往會導致批量主變壓器油箱滲漏油現象發生。
　　②制造工藝原因。在主變壓器制造過程中如果在進行工藝分析時,對一些結構的特殊要求沒有注意,編制工藝時按一般結構焊縫進行處理;或焊接操作人員不嚴格遵守工藝規范,焊接順序不對,焊縫高度過大或過小,主變壓器油箱制作完成后焊接殘余應力處理不當;同時加上在產品檢驗過程中的疏忽或檢驗手段的缺乏,都會導致危險焊縫缺陷的存在,從而產生滲漏油現象。
　　(2)密封件交界面滲漏油原因
　　①密封件的產品質量存在問題。
　　②在電力機車主變壓器的制作過程中各連接部位的密封件安裝不當,整固不到位。
　　③在電力機車主變壓器大修及維護中密封件更換不及時,密封件失效。
　　四、滲漏油現象的處理
　　(1)預防措施
　　　對于由設計原因造成的油箱滲漏,除采用改進產品結構,加強結構分析,增加新產品運行考核等措施外,還可以借助先進的先期診斷手段,如采用計算機輔助結構分析軟件進行強度和模態分析等,以減少設計缺陷。而對于制造原因造成的滲漏,應要求操作人員嚴格按專業焊接標準控制變壓器油箱制造工藝,在變壓器油箱組裝焊接完成后還需采取正確的消除殘余應力措施,如振動或時效處理等,以解決由于加工焊接過程造成的應力集中,確保變壓器油箱加工過程中形成的應力集中區和缺陷數量最少,從而消除漏油隱患。
　　(2)現場處理措施
　　①焊縫滲漏
　　　第一，焊縫滲漏故障主要是由于焊縫存在應力集中、夾砂、氣孔或裂紋導致的,處理時在確定滲漏位置后,先用鋼絲刷清理,再用除油劑沖洗干凈,用凈布反復擦拭,最后在滲漏點處進行補、堆焊處理。
　　　第二，主變壓器發生滲漏油不嚴重時,可考慮帶油焊修。在補焊過程中,我們多采用石棉繩、木鍥等物預先將滲漏處堵死,然后再進行焊接;對不能預先塞死的滲漏處(如條裂),可以采用先一部分一部分地焊修,待滲漏處歸結至一點后再用石棉繩、木鍥塞死進行焊修;對于厚板上的小漏洞,先用小錘捻死,然后再焊接;對于微滲漏則一般采取先用電弧快速晃烤滲漏處四周,令其升溫膨脹抑制油流,然后焊成。焊修時為防止燒穿,使漏處擴大,可以先在漏處上方進行適當加厚(即堆焊一下)。采用帶油焊修時嚴禁長時間施焊,焊修點最好在油面下100~200 mm處;箱內無油時嚴禁施焊。由于帶油補焊是處理滲漏油的臨時措施,仍舊存在再次滲漏的可能性,因此在適當時候必須嚴格按焊縫返修工藝進行清根返修。在現場處理滲漏油現象消失后,還需進行認真跟蹤觀察,確保不影響電力機車主變壓器的正常運行。
　　 第三，如果漏油較嚴重,則須采用徹底的解決方法。在條件允許時可考慮先放油,吊芯后對漏油部位采用徹底的焊接補救方法。件允許時可考慮先放油,吊芯后對漏油部位采用徹底的焊接補救方法。
　　　第四，抽真空排油法。使變壓器內部形成負壓,變壓器油不再滲漏,此時可以補焊,但是,抽真空時負壓不宜過高,以內外壓力相等為宜。
　　②密封件滲漏處理
　　　密封件滲漏情況比較復雜,要具體問題具體分析。先確定密封失效的原因,在現場可以先緊固密封件兩端的緊固螺栓,如果還解決不了問題則需更換變形或者損傷的密封件。此外,在電力機車變壓器大修或安裝過程中一方面要不斷提高密封件質量,另一方面現場操作中要注意密封件的正確安裝和檢查,有問題的及時更換,最大限度防止密封件滲漏現象的發生。
　　五、結語
　　　實際上造成滲漏的原因還有很多:如密封安裝面對接部件不平(呈現馬蹄形狀),部分油塞密封面設計不合理,以及密封面法蘭鋼板較薄、強度不夠,不足以保持密封效果等現象。漏油故障不同,解決問題的方法也不同,實際工作中需要我們認真分析和總結,以便把電力機車主變壓器滲漏的預防及處理工作做的更好。
　　參考文獻：
　　[1]王曉鶯等.變壓器故障與監測.北京:機械工業出版社，2004.
　　[2]馬開國.電力機車概論.北京:中國鐵道出版社，1990.
　　[3]馬開國.電力機車概論.北京:中國鐵道出版社，1990.
　　[4]戴偉躍.談科學合理的電力機車維修體系.機車電傳動，1995.2
　　[5]余衛斌.韶山9型電力機車[M].北京:中國鐵道出版社,2005.
　　(1)　以單相交流電能作為動力的電力機車。按牽引電動機的性質又可分為直流傳動電力機車和交流傳動電力機車兩大類。
　　(2)芯式鐵心通常為垂直放置，圓筒形的高、低壓繞組同心地套裝在心柱上，使繞組包圍心柱。為充分利用繞組內圓空間，心柱截面常為外接圓形的多級階梯形;為使磁通在鐵扼中分布均勻，鐵扼截面最好與心柱截面相同，但為了使夾緊裝置及絕緣零件等結構簡化，鐵扼截面一般都采用矩形或倒多級梯形。