關(guān)于電力機(jī)車主變壓器故障處理的探討
?? 鐵路運(yùn)輸是我國經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的大動(dòng)脈，在我國交通體系中占有重要的地位。隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國鐵路加快了以高速、重載、安全為主題的發(fā)展步伐。但行車安全是鐵路運(yùn)輸?shù)挠篮阒黝}，鐵路提速后對(duì)機(jī)車的安全性提出了更高更嚴(yán)的要求。機(jī)車主變壓器是電力機(jī)車的心臟部分，它的好壞直接影響到機(jī)車的行車安全。從電力機(jī)車主變壓器多年來運(yùn)行的狀況來看，主變壓器的故障率雖然不高，可是一旦出現(xiàn)故障就會(huì)造成很大損失。
近年來,電力機(jī)車主變壓器多次出現(xiàn)滲漏油故障,特別是有些新造的電力機(jī)車主變壓器也發(fā)生了該現(xiàn)象。主變壓器滲漏油不僅污染機(jī)車內(nèi)部電纜及設(shè)備影響變壓器及相關(guān)設(shè)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(huì)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(zhì)量的關(guān)鍵項(xiàng)點(diǎn)之一。
一、機(jī)車主變壓器的概況
(1)機(jī)車主變壓器的作用與運(yùn)行條件
電力機(jī)車主變壓器是交流電力機(jī)車上的一個(gè)重要部件[1]，用來把接觸網(wǎng)上取得的25kV高電壓變換為供給牽引電動(dòng)機(jī)及其他電機(jī)、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(jī)車動(dòng)車上，把饋電電源變換為適當(dāng)?shù)闹麟娐冯娫春洼o助電路電源，為了能自由地改變電壓，使之適用于牽引電動(dòng)機(jī)，交流電氣化的初期，變壓器的原邊或次邊繞組設(shè)有抽頭，可使電壓在一定的范圍內(nèi)變化，以實(shí)現(xiàn)牽引電動(dòng)機(jī)的電壓控制(即速度控制)。后來采用半導(dǎo)體器件控制牽引電動(dòng)機(jī)電壓，為此要把次邊繞組分成具有一定電壓的2個(gè)繞組，向半導(dǎo)體變流器供電。輔助電源從變壓器第3繞組獲取。
由于機(jī)車主變壓器工作在電力機(jī)車上，因此電力機(jī)車在運(yùn)行過程中所具有的一系列特點(diǎn)，必然要在主變壓器的實(shí)際工作中反映出來，結(jié)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(diǎn)。主變壓器的工作條件及特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
1、經(jīng)常受到機(jī)械沖擊和連續(xù)而強(qiáng)烈地機(jī)械振動(dòng);
2、外型尺寸和重量有較嚴(yán)格限制(因?yàn)闄C(jī)車車體內(nèi)安放電氣設(shè)備的空間極為有限，而且機(jī)車軸重也有一定的規(guī)范);
3、接觸網(wǎng)波動(dòng)范圍比較大，牽引負(fù)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(shí)低壓側(cè)有較高的短路或率;
5、當(dāng)采用改變主變壓器輸出電壓的方法來調(diào)節(jié)機(jī)車速度時(shí)，主變壓器的繞組需要安排較多的抽頭數(shù)目，以便進(jìn)行調(diào)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(huán)境是相當(dāng)惡劣的。
電力機(jī)車主變壓器運(yùn)行條件特殊，接觸網(wǎng)電壓變化大，機(jī)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(yùn)行電壓為19kV。在實(shí)際運(yùn)行中，接觸網(wǎng)首端電壓有時(shí)達(dá)到31kV，機(jī)車再生制動(dòng)時(shí)，網(wǎng)壓可達(dá)到32kV。而電力變壓器網(wǎng)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(dòng)范圍大;另外，饋電的分段處有電力中斷，同時(shí)還伴有相位變化，所以主變壓器常受到大的電沖擊。
機(jī)車運(yùn)行時(shí)要求無流通過分相區(qū)，接觸網(wǎng)分相距離一般為20~40km。牽引變壓器要經(jīng)常斷開和接通。當(dāng)列車平均速度為80km/h時(shí)，機(jī)車主變壓器約15~ 30min投切一次。當(dāng)列車平均速度為200kn/ h時(shí)，則10~ 20min就要投切一次。
(2)變壓器基本結(jié)構(gòu)
主變壓器的基本結(jié)構(gòu)有芯式和殼式兩類。芯式結(jié)構(gòu)或殼式結(jié)構(gòu)是指變壓器鐵芯與繞組的相對(duì)位置而言。在我國，芯式變壓器在應(yīng)用上占有優(yōu)勢(shì)[2]。
從變壓器結(jié)構(gòu)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(jī)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(lián)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(yùn)行中，往往都是最敏感，最直觀表現(xiàn)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(guān)注，最為重視的問題。變壓器結(jié)構(gòu)可用圖2-1表示。
(3)運(yùn)行中的常見故障類型
1、按故障發(fā)生部位分類:
?、僮儔浩魍獠抗收?br> 油箱:焊接質(zhì)量不好，密封填圈不好;電壓分接開關(guān)傳動(dòng)裝置:機(jī)械操動(dòng)部分，控制部分等問題;冷卻裝置:風(fēng)扇，輸油泵、控制設(shè)備等問題;附件:絕緣套管、溫度計(jì)、油位計(jì)、各種繼電器等問題。
②變壓器內(nèi)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(diǎn)或多點(diǎn)接地及鐵心螺栓絕緣擊穿;內(nèi)部的裝配金具問題:電壓分節(jié)開關(guān)控制不到位，引線絕緣薄弱;絕緣油老化。
2、按故障性質(zhì)分類
變壓器的內(nèi)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(jié)的根源是絕緣的老化。它使變壓器逐漸喪失原有的機(jī)械性能和絕緣性能，容易產(chǎn)生局部放電，降低絕緣的工頻及沖擊擊穿強(qiáng)度，縮短變壓器的使用壽命。下面從故障性質(zhì)出發(fā)對(duì)主變壓器滲漏油的故障部位及主要原因進(jìn)行詳細(xì)論述。并從油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝和現(xiàn)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(jī)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(chǔ)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(xiàn)場操作中沒有完全消除殘余應(yīng)力等都會(huì)造成焊縫部位滲漏油現(xiàn)象的發(fā)生。實(shí)際運(yùn)用中電力機(jī)車主變壓器的滲漏油通常大部分是這些部件上滲漏油,據(jù)資料顯示，其中SS3,SS4型機(jī)車主變壓器就曾發(fā)生多起焊接部件滲漏油現(xiàn)象。
(2)連接部位密封件的交界面
在電力機(jī)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(jìn)行密封的。這些密封件由于自身老化以及質(zhì)量原因,極易造成主變壓器運(yùn)行過程中密封失效現(xiàn)象,導(dǎo)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
?、僭O(shè)計(jì)缺陷。在對(duì)SS3,SS4等車型所發(fā)生的主變壓器儲(chǔ)油柜及散熱器由于焊接缺陷造成滲漏油現(xiàn)象的分析處理中發(fā)現(xiàn):對(duì)于慣性及批量漏油現(xiàn)象,往往與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的關(guān)系。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)如果對(duì)局部應(yīng)力集中部位分析不深刻、或者存在設(shè)計(jì)缺陷,則機(jī)車經(jīng)過一定時(shí)間運(yùn)行后,會(huì)導(dǎo)致滲漏油故障。其次，在機(jī)車運(yùn)行過程中,在某些特殊線路及特殊區(qū)段時(shí),該部件受到?jīng)_擊載荷,當(dāng)局部應(yīng)力長期超過許用應(yīng)力時(shí),就會(huì)造成疲勞裂紋,從而導(dǎo)致主變壓器滲漏油現(xiàn)象的發(fā)生。另外,設(shè)計(jì)時(shí)某些結(jié)構(gòu)缺陷如沒能發(fā)現(xiàn)并處理好往往會(huì)導(dǎo)致批量主變壓器油箱滲漏油現(xiàn)象發(fā)生。
?、谥圃旃に囋?。在主變壓器制造過程中如果在進(jìn)行工藝分析時(shí),對(duì)一些結(jié)構(gòu)的特殊要求沒有注意,編制工藝時(shí)按一般結(jié)構(gòu)焊縫進(jìn)行處理;或焊接操作人員不嚴(yán)格遵守工藝規(guī)范,焊接順序不對(duì),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(yīng)力處理不當(dāng);同時(shí)加上在產(chǎn)品檢驗(yàn)過程中的疏忽或檢驗(yàn)手段的缺乏,都會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)焊縫缺陷的存在,從而產(chǎn)生滲漏油現(xiàn)象。
(2)密封件交界面滲漏油原因
?、倜芊饧漠a(chǎn)品質(zhì)量存在問題。
?、谠陔娏C(jī)車主變壓器的制作過程中各連接部位的密封件安裝不當(dāng),整固不到位。
?、墼陔娏C(jī)車主變壓器大修及維護(hù)中密封件更換不及時(shí),密封件失效。
四、滲漏油現(xiàn)象的處理
(1)預(yù)防措施
對(duì)于由設(shè)計(jì)原因造成的油箱滲漏,除采用改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu),加強(qiáng)結(jié)構(gòu)分析,增加新產(chǎn)品運(yùn)行考核等措施外,還可以借助先進(jìn)的先期診斷手段,如采用計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行強(qiáng)度和模態(tài)分析等,以減少設(shè)計(jì)缺陷。而對(duì)于制造原因造成的滲漏,應(yīng)要求操作人員嚴(yán)格按專業(yè)焊接標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)力措施,如振動(dòng)或時(shí)效處理等,以解決由于加工焊接過程造成的應(yīng)力集中,確保變壓器油箱加工過程中形成的應(yīng)力集中區(qū)和缺陷數(shù)量最少,從而消除漏油隱患。
(2)現(xiàn)場處理措施
?、俸缚p滲漏
第一，焊縫滲漏故障主要是由于焊縫存在應(yīng)力集中、夾砂、氣孔或裂紋導(dǎo)致的,處理時(shí)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(fù)擦拭,最后在滲漏點(diǎn)處進(jìn)行補(bǔ)、堆焊處理。
第二，主變壓器發(fā)生滲漏油不嚴(yán)重時(shí),可考慮帶油焊修。在補(bǔ)焊過程中,我們多采用石棉繩、木鍥等物預(yù)先將滲漏處堵死,然后再進(jìn)行焊接;對(duì)不能預(yù)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(jié)至一點(diǎn)后再用石棉繩、木鍥塞死進(jìn)行焊修;對(duì)于厚板上的小漏洞,先用小錘捻死,然后再焊接;對(duì)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(shí)為防止燒穿,使漏處擴(kuò)大,可以先在漏處上方進(jìn)行適當(dāng)加厚(即堆焊一下)。采用帶油焊修時(shí)嚴(yán)禁長時(shí)間施焊,焊修點(diǎn)最好在油面下100~200 mm處;箱內(nèi)無油時(shí)嚴(yán)禁施焊。由于帶油補(bǔ)焊是處理滲漏油的臨時(shí)措施,仍舊存在再次滲漏的可能性,因此在適當(dāng)時(shí)候必須嚴(yán)格按焊縫返修工藝進(jìn)行清根返修。在現(xiàn)場處理滲漏油現(xiàn)象消失后,還需進(jìn)行認(rèn)真跟蹤觀察,確保不影響電力機(jī)車主變壓器的正常運(yùn)行。
第三，如果漏油較嚴(yán)重,則須采用徹底的解決方法。在條件允許時(shí)可考慮先放油,吊芯后對(duì)漏油部位采用徹底的焊接補(bǔ)救方法。件允許時(shí)可考慮先放油,吊芯后對(duì)漏油部位采用徹底的焊接補(bǔ)救方法。
第四，抽真空排油法。使變壓器內(nèi)部形成負(fù)壓,變壓器油不再滲漏,此時(shí)可以補(bǔ)焊,但是,抽真空時(shí)負(fù)壓不宜過高,以內(nèi)外壓力相等為宜。
?、诿芊饧B漏處理
密封件滲漏情況比較復(fù)雜,要具體問題具體分析。先確定密封失效的原因,在現(xiàn)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(jī)車變壓器大修或安裝過程中一方面要不斷提高密封件質(zhì)量,另一方面現(xiàn)場操作中要注意密封件的正確安裝和檢查,有問題的及時(shí)更換,最大限度防止密封件滲漏現(xiàn)象的發(fā)生。
五、結(jié)語
實(shí)際上造成滲漏的原因還有很多:如密封安裝面對(duì)接部件不平(呈現(xiàn)馬蹄形狀),部分油塞密封面設(shè)計(jì)不合理,以及密封面法蘭鋼板較薄、強(qiáng)度不夠,不足以保持密封效果等現(xiàn)象。漏油故障不同,解決問題的方法也不同,實(shí)際工作中需要我們認(rèn)真分析和總結(jié),以便把電力機(jī)車主變壓器滲漏的預(yù)防及處理工作做的更好。
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(1) 以單相交流電能作為動(dòng)力的電力機(jī)車。按牽引電動(dòng)機(jī)的性質(zhì)又可分為直流傳動(dòng)電力機(jī)車和交流傳動(dòng)電力機(jī)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(nèi)圓空間，心柱截面常為外接圓形的多級(jí)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(jié)構(gòu)簡化，鐵扼截面一般都采用矩形或倒多級(jí)梯形。