HXD1B型电力机车高压电压互感器故障分析及建议

王向东,王汉东

(武汉铁路局 江岸机务段,湖北武汉430301)

2010-08江岸机务段配属的HXD1B型电力机车连续发生3起高压电压互感器故障,2起中断牵引行车,1起引发弓网事故,严重干扰运输生产秩序。

1 故障概况及原因分析

1.1 结构原理

HXD1B型电力机车的高压电压互感器型号为JDZXW2--25A2,采用干式全封闭的结构,如图1。表层绝缘为硅橡胶,互感器内部绝缘材料为环氧树脂(E级)。互感器由1个原边绕组和2个次边绕组构成,绕组采用高强度漆包线绕制[1]。

图1 JDZXW2-25A2型高压电压互感器结构图

1.2 故障现象

发生高压电压互感器故障的3台机车分别为0002、0096、0141。0141机车 2010-01-01上线运用,故障时总走行里程104 809 km。0096机车2009-09-13上线运用,故障时总走行里程170 870 km;0002机车2009-08-26上线运用,故障时总走行里程161 521 km。图2—图4反映了高压电压互感器的故障。0096、0141机车的高压电压互感器外形完整,硅橡胶局部老化,有内部封装绝缘材料液化流出。对机车CCU、TCU数据下载分析显示,机车故障原因为机车检测到的网压过高,报网压超限(故障代码 802),机车中断牵引。0002机车的高压电压互感器因原边绕组破损,对地放电炸裂,造成接触网断网,构成弓网事故。TCU、CCU数据分析显示,机车也曾发生网压高、报网压超限故障(故障代码802),在之后的复位、升弓操作中引发互感器炸开。

1.3 原因分析

从故障互感器外观及电气检测数据,可以认为互感器故障的原因是由于内部绝缘材料老化失效所致。一是3台机车发生故障的时间段均为机车牵引区段高温季节,气象预报温度35℃—38℃,TCU记载的大气温度最高为43℃,在这样的条件下,对HXD1B机车车顶放温度计测量是近70℃(测温点接触车顶金属)。虽然互感器功耗极小,但由于其散热不良,在机车顶上它产生的热量很难传递到外部,它的金属底座则很容易将机车顶盖的高温传导到互感器内部,热量的积累促使绝缘材料在高温下老化 。从溢出的棕褐色凝固物可以推测有漆包线外层漆的成分,从溢出物的数量之多可以推测互感器的绝缘封装不应是环氧树脂,而应是环氧树脂封装胶。如果是封装胶用在这个产品,属用材不当。因为这种封装胶具有热变形特性,在85℃以上会变形,从而失去封装材料对铁芯和绕组的固定,机车在运行中轮轨间的作用力反映在机车顶盖是一定频率的振动[2],此时这种振动对互感器的绕组破坏是严重的,在机械作用力下,引起原边绕组匝间短路,从而使原边线圈的交流阻抗减小,原边电流增大,内部发热加剧,最终软化的环氧树脂封装胶、漆包线的绝缘漆在高温下液化、膨胀;外层硅橡胶在高温下老化变形,局部强度降低,液化、膨胀的环氧树脂封装胶顶破硅橡胶而溢出。二是虽然机车报告的故障是网压超限,但从Expert 2 viewer软件记录的事件环境分析,所谓的网压高,只不过是由于互感器原边线圈匝间短路后变比改变造成的误报。既然发生故障是由于匝间短路导致,而同一批次的115台机车在此之前都没发生此类故障,因此可以排除因制造工艺缺陷所致的早期故障。从环氧树脂封装胶液化流出现象可以认为这种故障和温度相关,这与机车的运行是一致的 ,用Expert2viewer软件可以查证0141机车发生故障时间为2010-08-02 16:44,TCU记录的大气温度为43℃;0096机车发生故障的时间为2010-08-03 T14:41,TCU记录的大气温度为41℃;0002机车发生故障的时间为2010-08-20日凌晨4:11,TCU记录的大气温度36.8℃。为什么其他机车在这期间没有发生同类故障,笔者认为,这与绝缘材料的温度老化规律有关。对于E级的绝缘材料,温度每超过额定值8℃,则其寿命降低一半[3]。机车在牵引区段运行,高温天气不是天天有,就是高温天气也只是某个时间段气温高,绝缘材料的老化有个过程,即便老化很快,但2个因素同时存在也还是有随机性的。

图2 HXD1B 0002机车高压电压互感器故障

图3 HXD1B 0096机车高压电压互感器故障

图4 HXD1B 0141机车高压电压互感器故障

2 措施及建议

通过上述故障原因分析,提出以下防范措施:

(1)机车运行中如发生网压超限,乘务员应通过机车上的无线电话询问车站值班员,同一供电臂下其他机车是否有网压高现象。如果报网压超限后又遇接触网停电,则乘务员一定要及时将机车受电弓降下查明原因。

(2)配件制造厂应尽快对故障的互感器解剖分析,查明原因,从设计和制造源头提高质量。

(3)机车运用回段后,检测并测量高压电压互感器线圈的直流电阻值、工频阻抗值和高压直流泄漏电流值,对不良的互感器及时更换。高温季节对机车的CCU、TCU数据下载分析,CCU记录的故障“网压大于29 kV,代码1200”进行确认。

针对设计制造提出以下改进方案:

(1)关于网压的测量及信号应用。机车升弓后电压互感器检测到的网压信号可以作为指示用,同时可用于机车闭合主断的条件,以防高电压损坏车内设备,这是目前机车上实现的功能。当主断路器闭合后,主变压器的次边绕组、也有电压信号采集,应把高压电压互感器的信号与主变压器次边电压信号比对,当二者相差过大时,应执行分断路器、封锁主逆变器,之后降弓,这样能减少故障损失。

(2)关于高压电压互感器的改进。高压电压互感器装在机车顶部,环境条件极其恶劣,特别在夏季,当机车站停待避时,由于热气流上升,机车内部发热部件的热量、太阳直射车顶金属吸收的热量汇聚一起,车顶的温度远高于大气环境温度。在设计互感器时,虽然要求机车的运用环境温度最高为40℃,但计算发热器件的热稳定性时,应以部件安装位置的最高环境温度作为计算值,以确保电器的热稳定性[2]。HXD1B型机车所用电压互感器采用硅橡胶与环氧树脂复合绝缘,温度等级为E级(120℃),这对于非发热部件的支持绝缘子是可以的,但对于自发热的高压电压互感器,若考虑其安装位置的环境温度为80℃,则留给器件自身的发热温升就很有限了。另外,高压电压互感器在电气接线上处于机车原边高压电路,属于弓网系统中的一个子部件,因此互感器的绝缘配合要特别注意雷击过电压和操作过电压对互感器的内、外绝缘的考验。作为一个裸露的发热工作部件,电器的热稳定性、绝缘材料的大气老化、电老化、热老化、机械老化都应在绝缘材料的配合上充分考虑。

3 结束语

自2010-08-21江岸机务段与南车集团株洲电机公司一起认真执行上述防范措施,通过专门的电工仪表检测换下22台机车的高压电压互感器,通过Expert 2 viewer软件分析,对有“网压高”记录的2台机车的高压电压互感器进行更换,截击9月底,没有发生1件因高压电压互感器故障使机车牵引中断的事情,效果令人满意。

[1]HXD1B型电力机车维修手册(上册)电子版[Z].南车株洲电力机车有限公司2009.

[2]刘韵云.机车电器原理[M].北京:中国铁道出版社,1980.

[3]周鹤良.电气工程师手册[M].北京:中国电力出版社,2007.