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摘要：通过对变压器油中各种气体产生的原理进行验证，定期对油样中气体含量测量，通过三比值法可以预测机车牵引变压器的内部通过其他试验无法检测的先期故障，降低因严重故障引起电力机车在线路上停车造成的损失。

关键词：电力机车 牵引变压器 油样检测、故障诊断

一 概述

电力机车牵引变压器是交流电力机车上的一个核心部件，其作用是把接触网上的25kV高电压变换为需要的电机给牵引变流器供电，最终供给牵引电动机及其他电机、电器工作所适合的电压，其工作原理与普通电力变压器相同。

由于机车主变压器工作在电力机车上，因此电力机车在运行过程中所具有的一系列特点，必然要在主变压器的实际工作中反映出来，

牵引变压器的工作条件及特点，主要表现在以下几个方面：

1. 整个运行过程中需承受来自机车的机械冲击和机械振动，因此变压器在型式试验时需要进行振动冲击试验。

2. 牵引变压器安装在车底，对安装空间及重量有严格要求，给变压器的设计增加了难度。

3. 接触网电压波动范围比较大，牵引负荷变化也比较大。在低压大负荷运行状态下，牵引变压器负载损耗大发热严重。

4. 机车运行时要求无电流通过分相区，接触网分相距离一般为20～40km，每15分钟左右断路器就要断开和接通一次，存在对牵引变压器的频繁操作过电压冲击。

二 变压器油中气体产生的机理及故障诊断

变压器油是石油的一种分馏产物，具有绝缘、散热和消弧的作用，相当于牵引变器的 “血液”。变压器油质量好坏直接关系到牵引变压器的运行安全及使用寿命，甚至影响到整个机车系统的运行安全和经济利益。因此，油样检测试验在牵引变压器的日常检修及维护中具有重要的作用。对电力机车主变压器典型故障油样指标特征分析，及时找出典型故障油样超标的原因，并作出相应处理，对于提高机车系统安全运行起着重要作用[1]。

根据相关的理论研究，变压器油、纸绝缘材料在电弧放电、加热分解过程产生的气体有如下关系[2]：

1. 变压器油在300-800℃时，热分解生成的气体主要是甲烷、乙烷）和少量的低分子，同时也会产生部分氢气;

2. 变压器油在电弧放电时，分解气体绝大多数为氢气和乙炔，还有一定量的甲烷、乙烯;

3. 变压器油局部低能放电时，分解的气体主要时氢气和少量甲烷。火花高能放电时，还会产生较多的乙炔;

4. 绝缘纸板在120～150℃长期加热时，产生的主要气体为CO2，还伴有少量的CO ;

5. 绝缘纸板在200℃～800℃下热分解时，除产生碳的氧化物之外，还含有氢烃类气体，CO/ CO2比值越高，说明热点温度越高。

这些研究结果为我们利用变压器油中溶解气体分析数据来解释设备内部故障性质提供了依据。

5.2变压器故障诊断方法

针对电力机车变压器故障诊断，目前国内以及国际上最常用的是三比值法。由于变压器内部组成绝缘部分的固体绝缘材料以及绝缘油受到电和热的作用下会产生不同类型的气体，三比值法基于变压器内部产生的气体，通过计算不同气体的比值与之对应的比值编码对变压器进行故障诊断。GB/T 7252-2001变压器油中溶解气体分析和判断导则中给出的变压器故障的编码准则和诊断方法见表1、表2。

三 电力机车变压器故障形成原因及故障识别

电力机车变压器内部绝缘部分由固体绝缘材料和绝缘油组成，变压器在正常运行时，在电和热的作用下，绝缘油和有机绝缘材料会产生老化和分解，产生少量低分子烃类气体以及二氧化碳、一氧化碳等气体。变压器发生故障时，分解产生的烃类气体以及碳类气体会明显增多，导致故障气体的成分与含量与故障的类型及其严重程度有着密切关系。因此在电力机车运行过程中，定期进行变压器油色谱分析，对早期发现电力机车变压器内的潜伏性故障意义重大。各段自电力机车换型以来，就将变压器油的气体色谱分析放到了首要的位置，并通色谱分析取得了显著的成效。根绝机车牵引变压器多年的运行经验，常见的变压器故障有绝缘故障、热性能故障和电性能故障三种类型，以下对三种故障的形成原因进行了对应分析[3]。

1.绝缘故障

变压器的绝缘就是由变压器绝缘材料构成的绝缘系统，变压器的使用寿命主要取决于绝缘系统中固体绝缘材料和液体绝缘材料的寿命;实际运用中，导致变压器的损坏和故障的原因大多是由绝缘系统的损坏。现国内电力机车牵引变压器使用的绝缘方式基本上采用油浸式绝缘，主要的绝缘材料为绝缘油和固体绝缘材料。这些绝缘材料受环境因素影响发生分解，降低或丧失了绝缘强度，造成变压器绝缘的老化。

（1）绝缘油老化原因，变压器电力机车变压器投入运行后，除受氧、温度和金属催化剂等作用外，还受油位变化等的作用，使变压器中的绝缘油发生氧化、裂解等化学反应，生成大量的氧化物及醇、醛、酮、酸等氧化产物，缩合反应而生成油泥等不溶物。油泥沉积于循环油道、冷却散热片等处，或黏附在绝缘材料、变压器壳体边缘的壁上，不仅加速固体绝缘的老化，造成绝缘收缩，降低变压器吸收冲击负荷的能力，还会对散热造成影响，出现线圈局部过热、工作温度升高的情况，导致变压器的功率降低。同时，变压器中的绝缘油由于绝缘性能下降，起不到绝缘作用且容易发生故障。

（2）固体绝缘材料老化原因，固体绝缘材料包括绝缘纸、绝缘板、绝缘绑扎带等，主要成分是纤维素，这些材质老化后造成绝缘材料的击穿电压和体积电阻率降低，介质损耗因素增大，抗拉强度下降，酸值增加，加速油品老化和腐蚀金属材料。这些材料具有不可逆转的老化特性，绝缘性能会逐步退化，引发变压器故障。

2. 热性能故障

热性能故障通常为变压器内部局部过热，引发油温升高，油温过高可能会造成绝缘油自燃，变压器油烃类物质裂解，也可能会造成变压器内部电路运行异常。热性能故障分为两种表现形式，一种是载流导线和接头不良引起的热性故障。另一种是由于漏磁场或磁阻过大导致的油箱、夹板、铁心等局部过热故障。

3.电性能故障

电性能故障通常指变压器内部在高电场强度的作用下，发生绝缘性能下降或劣化的故障，具体又分为局部放电、火花放电和高能量电弧放电三种形式。

（1）局部放电是指油和固体绝缘中的气泡和尖端，因耐压强度低，电场集中发生的局部放电。造成局部放电的主要原因有电流互感器和电容套管的电容芯绕包工艺不良或真空干燥工艺不良等。

（2）火花放电是一种发生于变压器、套管、互感器中的间歇性的放电故障。在电场极不均匀或畸变以及感应电位下，不同电位的导体之间、绝缘体之间以及不同电位的悬浮体，都可能发生火花放电。

（3）高能量放电是指电弧放电。此故障发生通常是由于引线断裂导致的闪弧或电容屏击穿、过电压造成内部闪络、线圈匝间绝缘击穿等。这种故障现象气体产生剧烈，产气量大，容易引起气体继电器动作报警。

三 应用实例

2015年3月，某机车在线上运行时报原边过流故障，多次复位重启后故障仍无法解决。司机下车查看变压器外观及A端子与T型头连接处无异常，压力释放阀未动作。救援回段后，对牵引变压器进行了绝缘电阻、变比、直流电阻测量均无问题，油样检测结果见表3。

通过对油样化验报告分析认为，由于该变压器油样中乙炔C2H2、总烃值大大超过GB/T 7252规定的正常运行变压器的极限值，根据三比值法计算得代码为[2，1，2] ，说明变压器内部发生过线圈匝间、层间短路，引线对油箱、铁心等接地体放电等。正常运行变压器中溶解气体含量的注意值见表4。

将此变压器需下车返厂进行拆解检修，经过对变压器进行拆箱检查，发现变压器的A端子油侧炸裂、A端子对油箱放电，说明了判断的正确性，具体故障见图1、图2。

四 结论

相比直流电阻、绝缘电阻、交流耐压和空负载损耗测量等电气试验，通过对变压器油样定期进行气体含量测量，可以早期预测机车牵引变压器的内部通过其他试验无法检测的先期低能放电等故障，降低因严重故障引起电力机车在线路上停车造成的损失。油样检测受到外部环境的干扰较小，精确度高。因此，通过对变压器的变压器油进行气体含量测量，可以作为变压器故障判断的补充，应用到日常运行中变压器的故障检测中。

参考文献

[1] 韩学文.和谐型电力机车用变压器油运用质量可靠性分析[J].科技风，2016.9.

[2] 刘宇婷.电力机车主变压器技术状态检测及评估方法研究[D] 大连：大连理工大学，2014.

[3] 颉进平. 基于油液分析的电力机车故障诊断系统研究[D] 成都：西南交通大学，2011