关于电力机车主变压器故障处理的探讨
铁路运输是我国经济运行的大动脉，在我国交通体系中占有重要的地位。随着国民经济的迅速发展，我国铁路加快了以高速、重载、安全为主题的发展步伐。但行车安全是铁路运输的永恒主题，铁路提速后对机车的安全性提出了更高更严的要求。机车主变压器是电力机车的心脏部分，它的好坏直接影响到机车的行车安全。从电力机车主变压器多年来运行的状况来看，主变压器的故障率虽然不高，可是一旦出现故障就会造成很大损失。 近年来,电力机车主变压器多次出现渗漏油故障,特别是有些新造的电力机车主变压器也发生了该现象。主变压器渗漏油不仅污染机车内部电缆及设备影响变压器及相关设备的外观,造成不必要的损失;而且迫使主变压器不得不停电检修,造成一定的社会影响甚至危及行车安全。所以,如何解决渗漏油问题是提高主变压器质量的关键项点之一。 一、机车主变压器的概况 (1)机车主变压器的作用与运行条件 电力机车主变压器是交流电力机车上的一个重要部件[1]，用来把接触网上取得的25kV高电压变换为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。主变压器安装在交流馈电的电力机车动车上，把馈电电源变换为适当的主电路电源和辅助电路电源，为了能自由地改变电压，使之适用于牵引电动机，交流电气化的初期，变压器的原边或次边绕组设有抽头，可使电压在一定的范围内变化，以实现牵引电动机的电压控制(即速度控制)。后来采用半导体器件控制牵引电动机电压，为此要把次边绕组分成具有一定电压的2个绕组，向半导体变流器供电。辅助电源从变压器第3绕组获取。 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，结果就造成了主变压器具有不同于普通变压器的工作条件和特点。主变压器的工作条件及特点，主要表现在以下几个方面: 1、经常受到机械冲击和连续而强烈地机械振动; 2、外型尺寸和重量有较严格限制(因为机车车体内安放电气设备的空间极为有限，而且机车轴重也有一定的规范); 3、接触网波动范围比较大，牵引负荷变化也比较大; 4、受大气过电压和操作过电压的作用，同时低压侧有较高的短路或率; 5、当采用改变主变压器输出电压的方法来调节机车速度时，主变压器的绕组需要安排较多的抽头数目，以便进行调压。 综上所述，主变压器的工作条件与普通电力变压器截然不同，它的工作条件和工作环境是相当恶劣的。 电力机车主变压器运行条件特殊，接触网电压变化大，机车额定工作电压25kV，正常的工作电压20~29kV，允许偏差+16%和-20%，故障运行电压为19kV。在实际运行中，接触网首端电压有时达到31kV，机车再生制动时，网压可达到32kV。而电力变压器网压变化率只有±5%。与一般变压器相比，主变压器的馈电电压变动范围大;另外，馈电的分段处有电力中断，同时还伴有相位变化，所以主变压器常受到大的电冲击。 机车运行时要求无流通过分相区，接触网分相距离一般为20~40km。牵引变压器要经常断开和接通。当列车平均速度为80km/h时，机车主变压器约15~ 30min投切一次。当列车平均速度为200kn/ h时，则10~ 20min就要投切一次。 (2)变压器基本结构 主变压器的基本结构有芯式和壳式两类。芯式结构或壳式结构是指变压器铁芯与绕组的相对位置而言。在我国，芯式变压器在应用上占有优势[2]。 从变压器结构方面来说，通常分为六大部分即绕组、铁心、引线、器身、油箱和总装。机车主变压器也是由这几部分组成的。其中绕组、引线、器身和总装(涉及外绝缘)四大部分直接与绝缘有紧密的联系，铁心和油箱也涉及到绝缘问题。另外，绝缘问题无论是在变压器制造过程中，还是在变压器运行中，往往都是最敏感，最直观表现出来，所以电力变压器各部件的绝缘成为变压器制造厂家和使用部门最为关注，最为重视的问题。变压器结构可用图2-1表示。 (3)运行中的常见故障类型 1、按故障发生部位分类: ①变压器外部故障 油箱:焊接质量不好，密封填圈不好;电压分接开关传动装置:机械操动部分，控制部分等问题;冷却装置:风扇，输油泵、控制设备等问题;附件:绝缘套管、温度计、油位计、各种继电器等问题。 ②变压器内部故障 绕组:绝缘击穿，断线，变形;铁心:铁心叠片之间绝缘不好，接地不好，铁心两点或多点接地及铁心螺栓绝缘击穿;内部的装配金具问题:电压分节开关控制不到位，引线绝缘薄弱;绝缘油老化。 2、按故障性质分类 变压器的内部故障主要有:过热性故障、放电性故障、油故障等类型。加速变压器寿命终结的根源是绝缘的老化。它使变压器逐渐丧失原有的机械性能和绝缘性能，容易产生局部放电，降低绝缘的工频及冲击击穿强度，缩短变压器的使用寿命。下面从故障性质出发对主变压器渗漏油的故障部位及主要原因进行详细论述。并从油箱结构设计、制造工艺和现场处理等方面提出解决主变压器渗漏油故障的措施。 二、渗漏油的部位 电力机车主变压器渗漏油的部位主要有箱体及附件的焊缝部位以及连接部位密封件的交界面。 (1)焊缝部位 主变压器包括油箱、箱盖、储油柜、散热器、净油器、安全气道等组件,这些组件都是通过施焊或者连接件来完成组装的。组焊完成后如果焊缝部位存在夹砂、气孔、隐性裂纹,或者现场操作中没有完全消除残余应力等都会造成焊缝部位渗漏油现象的发生。实际运用中电力机车主变压器的渗漏油通常大部分是这些部件上渗漏油,据资料显示，其中SS3,SS4型机车主变压器就曾发生多起焊接部件渗漏油现象。 (2)连接部位密封件的交界面 在电力机车主变压器外部安装有冷却器、油泵、管路、蝶阀以及出线端子板等部件,这些部件之间的连接面都是通过密封件(密封圈和密封胶等)来进行密封的。这些密封件由于自身老化以及质量原因,极易造成主变压器运行过程中密封失效现象,导致渗漏油故障。 三、渗漏油故障的原因 (1)焊缝部位渗漏油原因 ①设计缺陷。在对SS3,SS4等车型所发生的主变压器储油柜及散热器由于焊接缺陷造成渗漏油现象的分析处理中发现:对于惯性及批量漏油现象,往往与结构设计有一定的关系。结构设计时如果对局部应力集中部位分析不深刻、或者存在设计缺陷,则机车经过一定时间运行后,会导致渗漏油故障。其次，在机车运行过程中,在某些特殊线路及特殊区段时,该部件受到冲击载荷,当局部应力长期超过许用应力时,就会造成疲劳裂纹,从而导致主变压器渗漏油现象的发生。另外,设计时某些结构缺陷如没能发现并处理好往往会导致批量主变压器油箱渗漏油现象发生。 ②制造工艺原因。在主变压器制造过程中如果在进行工艺分析时,对一些结构的特殊要求没有注意,编制工艺时按一般结构焊缝进行处理;或焊接操作人员不严格遵守工艺规范,焊接顺序不对,焊缝高度过大或过小,主变压器油箱制作完成后焊接残余应力处理不当;同时加上在产品检验过程中的疏忽或检验手段的缺乏,都会导致危险焊缝缺陷的存在,从而产生渗漏油现象。 (2)密封件交界面渗漏油原因 ①密封件的产品质量存在问题。 ②在电力机车主变压器的制作过程中各连接部位的密封件安装不当,整固不到位。 ③在电力机车主变压器大修及维护中密封件更换不及时,密封件失效。 四、渗漏油现象的处理 (1)预防措施 对于由设计原因造成的油箱渗漏,除采用改进产品结构,加强结构分析,增加新产品运行考核等措施外,还可以借助先进的先期诊断手段,如采用计算机辅助结构分析软件进行强度和模态分析等,以减少设计缺陷。而对于制造原因造成的渗漏,应要求操作人员严格按专业焊接标准控制变压器油箱制造工艺,在变压器油箱组装焊接完成后还需采取正确的消除残余应力措施,如振动或时效处理等,以解决由于加工焊接过程造成的应力集中,确保变压器油箱加工过程中形成的应力集中区和缺陷数量最少,从而消除漏油隐患。 (2)现场处理措施 ①焊缝渗漏 第一，焊缝渗漏故障主要是由于焊缝存在应力集中、夹砂、气孔或裂纹导致的,处理时在确定渗漏位置后,先用钢丝刷清理,再用除油剂冲洗干净,用净布反复擦拭,最后在渗漏点处进行补、堆焊处理。 第二，主变压器发生渗漏油不严重时,可考虑带油焊修。在补焊过程中,我们多采用石棉绳、木锲等物预先将渗漏处堵死,然后再进行焊接;对不能预先塞死的渗漏处(如条裂),可以采用先一部分一部分地焊修,待渗漏处归结至一点后再用石棉绳、木锲塞死进行焊修;对于厚板上的小漏洞,先用小锤捻死,然后再焊接;对于微渗漏则一般采取先用电弧快速晃烤渗漏处四周,令其升温膨胀抑制油流,然后焊成。焊修时为防止烧穿,使漏处扩大,可以先在漏处上方进行适当加厚(即堆焊一下)。采用带油焊修时严禁长时间施焊,焊修点最好在油面下100~200 mm处;箱内无油时严禁施焊。由于带油补焊是处理渗漏油的临时措施,仍旧存在再次渗漏的可能性,因此在适当时候必须严格按焊缝返修工艺进行清根返修。在现场处理渗漏油现象消失后,还需进行认真跟踪观察,确保不影响电力机车主变压器的正常运行。 第三，如果漏油较严重,则须采用彻底的解决方法。在条件允许时可考虑先放油,吊芯后对漏油部位采用彻底的焊接补救方法。件允许时可考虑先放油,吊芯后对漏油部位采用彻底的焊接补救方法。 第四，抽真空排油法。使变压器内部形成负压,变压器油不再渗漏,此时可以补焊,但是,抽真空时负压不宜过高,以内外压力相等为宜。 ②密封件渗漏处理 密封件渗漏情况比较复杂,要具体问题具体分析。先确定密封失效的原因,在现场可以先紧固密封件两端的紧固螺栓,如果还解决不了问题则需更换变形或者损伤的密封件。此外,在电力机车变压器大修或安装过程中一方面要不断提高密封件质量,另一方面现场操作中要注意密封件的正确安装和检查,有问题的及时更换,最大限度防止密封件渗漏现象的发生。 五、结语 实际上造成渗漏的原因还有很多:如密封安装面对接部件不平(呈现马蹄形状),部分油塞密封面设计不合理,以及密封面法兰钢板较薄、强度不够,不足以保持密封效果等现象。漏油故障不同,解决问题的方法也不同,实际工作中需要我们认真分析和总结,以便把电力机车主变压器渗漏的预防及处理工作做的更好。 参考文献： [1]王晓莺等.变压器故障与监测.北京:机械工业出版社，2004. [2]马开国.电力机车概论.北京:中国铁道出版社，1990. [3]马开国.电力机车概论.北京:中国铁道出版社，1990. [4]戴伟跃.谈科学合理的电力机车维修体系.机车电传动，1995.2 [5]余卫斌.韶山9型电力机车[M].北京:中国铁道出版社,2005. (1) 以单相交流电能作为动力的电力机车。按牵引电动机的性质又可分为直流传动电力机车和交流传动电力机车两大类。 (2)芯式铁心通常为垂直放置，圆筒形的高、低压绕组同心地套装在心柱上，使绕组包围心柱。为充分利用绕组内圆空间，心柱截面常为外接圆形的多级阶梯形;为使磁通在铁扼中分布均匀，铁扼截面最好与心柱截面相同，但为了使夹紧装置及绝缘零件等结构简化，铁扼截面一般都采用矩形或倒多级梯形。
