利用气相色谱技术诊断HXD2B型机车主变压器故障的研究

陆丽华 上海铁路局南京东机务段

利用气相色谱技术诊断HXD2B型机车主变压器故障的研究

陆丽华 上海铁路局南京东机务段

利用气相色谱分析技术，对HXD2B型0014号机车主变压器用绝缘油中溶解气体含量的测定，发现乙炔含量严重超标。通过三比值法编码规则和溶解气体产气速率的计算，对该台机车主变压器内部存在的潜伏性电弧放电故障进行了准确预报，防止了一起重大机车事故的发生。

主变压器；色谱分析；故障预报

1　我段HXD2B型机车概况

南京东机务段共配属123台HXD2B型货运电力机车，主要运行在京沪线的上海-济南西（950 km）之间，该区间最小曲线半径为300 m，线路最大坡度为12‰。为单机牵引方式，平均牵引3 335 t、最大牵引6 132 t，单台机车功率为9 600 kW，设计最高运行速度120 km/h，线路限速为90 km/h。

2　利用气相色谱技术诊断主变压器故障的优点

对于变压器内部存在的早期潜伏性故障（如局部过热、较低能量放电等），常规电气性能试验如：冷态电阻、绝缘电阻、介质损耗等都无法早期发现。而利用气相色谱分析技术对溶解于绝缘油中的各类气体进行分析，能够及时发现其内部存在的潜伏性故障并可以随时掌握故障的发展趋势，因此，气相色谱分析技术是目前电力机车运用过程中准确判断主变压器、互感器等充油电器设备内部早期存在潜伏性故障十分有效的重要手段，且具有不停车、准确率高的优点。

3　我段变压器发现故障概况

在2015年春检普查中，对HXD2B型0014号机车主变压器用绝缘油中溶解气体进行气相色谱分析时发现，绝缘油中乙炔气体的含量超过标准注意值，然后再次跟踪取样分析，发现乙炔气体含量仍然超标，同时其它多种烃类气体增速较快。由此，确认该台机车主变压器内部存在较为严重的电弧放电故障，立即扣车返厂检查。经过吊芯解体发现变压器线圈绕阻有明显放电痕，同时变压器线圈绕阻边缘处有一块约8 mm× 10 mm×3 mm薄金属锡片，从而避免了一起可能因主变压器内部电弧放电引起的机车重大故障。

4　绝缘油中溶解气体含量的检测

2015年3月22日，在春检普查中对HXD2B型0014号机车主变压器用绝缘油中溶解气体进行色谱分析时发现乙炔、总烃数据异常，其含量超过电力行业标准注意值，当天扣车后重新取样化验分析，乙炔含量依然超过注意值。2015年4月6日对绝缘油进行滤油处理，然后在机车继续运行5天后于4月11日再次取绝缘油油样进行化验分析，发现乙炔含量仍然大幅超过注意值。现将前后4次气相色谱分析数据汇总列入表1中进行对比。

表1 HXD2B型 0014号机车主变压器用绝缘油中溶解气体的色谱分析数据 单位：μL/L

5　预报故障的依据

5.1三比值编码组合显示可能存在电弧放电潜伏性故障

三比值编码法是我国电力行业判断变压器、电抗器、互感器等充油电器设备故障类型和性质的重要方法。

现将该方法应用于HXD2B型0014号机车主变压器内部潜伏性故障的预报。

在2015年3月至4月间对该机车主变压器用绝缘油中溶解气体共进行了4次色谱分析，将分析数据结果、以及通过计算得出的“三比值编码”和“变压器内部潜伏性故障类型的预判断”的结论列入表1中。

从表1中可以看出，第1、2次主要特征气体乙炔、总烃含量出现异常。同时，第2、4次三比值编码组合均为1 0 2，与故障类型表进行比对，可以得出机车主变压器内部可能存在工频续流放电。

此时，高达64 μL/L的乙炔、351 μL/L的总烃含量，其数值分别超过电力行业变压器油中溶解气体含量乙炔注意值5 μL/L的12.8倍，总烃注意值150 μL/L的2.34倍，说明变压器内部存在的潜伏性故障发展较快并且较为严重。

在2015年4月6日进行真空滤油处理，然后机车继续运行5天后于4月11日跟踪取绝缘油油样进行化验，其乙炔含量为29 μL/L、是注意值5 μL/L的5.8倍，总烃含量为83 μL/ L、未超过其150 μL/L的注意值，通过计算的三比值编码组合仍为1 0 2，虽然总烃含量没有超过注意值，但是，三比值编码组合没有改变，可以说明变压器内部存在电弧放电潜伏性故障的可能性非常大。

5.2产气速率超标、可明确电弧放电故障一定存在

预报机车主变压器内部是否存在潜伏性故障，如果仅仅依靠三比值编码的计算结果很难全面对故障的严重程度及故障的发展趋势作出进一步的正确判断，此时还必须考察产气速率来判断故障的发展趋势。这是因为产气速率是与故障所消耗的能量大小、故障点的温度、故障所处的部位和故障的性质等因素都有直接的关系。因此，计算变压器油中溶解气体的产气速率（分为绝对和相对产气速率），既可以进一步明确变压器内部有无故障，又可以对故障的严重性作出初步估计。

5.2.1绝对产气速率

即每运行日产生某种气体的平均值，按下式计算：

式中：Va----绝对产气速率，mL/d

Ci，2----第二次取样测得油中某气体浓度，μL/L；

Ci，1----第一次取样测得油中某气体浓度，μL/L；

Δt----两次取样时间间隔中的实际运行时间，d；

m----设备总油重，t；

ρ----绝缘油的密度，t/m3；

其中HXD2B014电力机车主变压器绝缘油重2.185 t，密度为0.8900 t/m3。

5.2.2相对产气速率

即每运行月（或折算到月）某种气体含量增加原有值的百分数的平均值，按下式计算：

式中：Vr----相对产气速率，%/月；

Ci，2----第二次取样测得油中某气体浓度，μL/L；

Ci，1----第一次取样测得油中某气体浓度，μL/L；

Δt----次取样时间间隔中的实际运行时间，月。

按照以上绝对和相对产气速率公式，将表1中的色谱分析数据依次代入计算公式（1）、（2）中，所得的计算结果统一列入表2中。

表2 HXD2B型 0014号机车主变压器用绝缘油中溶解气体的绝对产气速率、相对产气速率、注意值

从表2中可以看出，在2015年4月6日至4月11日机车经过真空滤油处理后，仅继续运行5天，机车主变压器绝缘油中溶解的五种重要特证气体的绝对、相对产气速率都远远超过标准规定的注意值，尤其是乙炔的绝对产气速率是注意值0.1 mL/d的138.0倍，乙炔的相对产气速率是注意值10%/月的1676.6倍。

依据有关文献［3］［4］介绍，当变压器内部存在高能电弧放电时，绝缘油会被高温电弧裂解产生较多的乙炔气体，当其存在低能放电（一般为火花放电）时、也会产生较少的乙炔气体。因此，非常高的乙炔绝对和相对产气速率，预示着可以明确判断HXD2B型0014号电力机车主变压器内部一定存在有电弧放电的潜伏性故障。

6　吊芯检查

2015年6月19日，该机车返厂进行变压器吊芯检查，开始未发现异常，当拆解引线，翻转后，拆开上铁扼，在吊出线圈后发现，在铁芯下压板上留有一金属异物（见图1），对异物进行分析，确认是薄锡片，并且锡片表面已经出现受到电弧放电影响而产生的多个黑点（见图2）。

分析此薄锡片是造成乙炔、总烃气体含量超标的原因。由于该薄锡片夹在变压器的线圈中，在变压器运行时造成放电，从而引起变压器用绝缘油的裂解，快速产生乙炔和各种烃类气体。此薄锡片的来源可能是上次对该台变压器低压端子头进行焊接，更换低压套管时开箱带进去的。

图1 铁芯下压板上留有一金属异物

7　机车回段运行情况

对此问题进行处理后，消除了变压器运行隐患，同时用真空滤油机再次过滤绝缘油，消除了绝缘油中的乙炔气体，该台机车于2015年7月5日重新投入运用。在机车运用过程中分别于7月30日、10月10日对该台机车主变压器使用的绝缘油继续进行跟踪取样化验，从分析结果（见表3）可以看出，乙炔及总烃等气体含量恢复正常。

表3 HXD2B型 0014号机车主变压器用绝缘油中溶解气体的色谱分析数据 单位：μL/L

8　结论

由于我国铁路企业目前还没有用绝缘油中溶解气体的含量来预报机车主变压器内部潜伏性电弧放电故障的标准。因此，要想准确诊断出机车主变压器内部存在的故障，就需要将绝缘油中溶解气体含量注意值，三比值编码、产气速率等方面的影响因素综合起来进行分析，才能够准确预报出机车主变压器内部故障是否存在以及故障存在的严重程度。需要引起注意的是乙炔气体含量与机车变压器运行安全息息相关，如果HXD2B型机车主变压器使用的绝缘油中溶解气体乙炔的含量超过30μL/L、同时，乙炔气体的相对和绝对产气速率均超过标准注意值时，就应起高度关注。

［1］DL/T722-2000.变压器油中溶解气体分析和判断导则［S］.

［2］张利刚.变压器油中溶解气体的成分和含量与充油电力设备绝缘故障诊断的关系［J］.变压器，2000（3）：39-42.

［3］茹更生，安静茹，白莹.利用色谱分析技术诊断机车主变压器潜伏性高温故障［J］.电力机车与城轨车辆，2007（6）：55-56、64.

［4］茹更生，李霞，陈良才等.6K型机车主变压器接线端子烧损故障的早期诊断［J］.铁道机车与动车，2014（8）：35-39.

责任编辑：宋飞

来稿时间：2016-06-12