孔瑾

摘 要 介紹了主變壓器的繞組結(jié)構(gòu)、接線原理，進(jìn)而分析了主變壓器的保護(hù)配置方式和空載合閘時的工作特性、絕緣特性，為下一步分析電力機(jī)車各種故障的特性及產(chǎn)生原因奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 主變壓器 保護(hù)配置 勵磁涌流 絕緣特性

中圖分類號： U264.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

近年來，我國的鐵道電氣化技術(shù)快速發(fā)展崛起，電力機(jī)車已成為越來越重要的交通運(yùn)輸工具。而作為電力機(jī)車的動力來源，機(jī)車裝載的主變壓器的工作狀態(tài)對電氣化鐵路的正常運(yùn)行有著非常重要的影響，是電力機(jī)車的核心設(shè)備，直接關(guān)系著機(jī)車的牽引供電系統(tǒng)是否處于安全可靠運(yùn)行狀態(tài)。電力機(jī)車主變壓器是電力機(jī)車牽引系統(tǒng)中使用的一種特殊變壓器，在運(yùn)行特性與原理上與普通的電力變壓器存在較大差異。在電力機(jī)車高速運(yùn)動中主變壓器會受到強(qiáng)烈震蕩，其內(nèi)部器件更容易產(chǎn)生機(jī)械故障，對變壓器的絕緣水平也提出了更高要求。

1電力機(jī)車主變壓器與一般電力變壓器的區(qū)別

由于電力機(jī)車具有移動性、負(fù)荷大、震蕩多的特點(diǎn)，電力機(jī)車主變壓器在實(shí)際運(yùn)行中與一般變壓器相比有較大的區(qū)別。機(jī)車運(yùn)行中受到外部的沖擊和震蕩使得車載變壓器的正常運(yùn)行受到影響；由于機(jī)車車體內(nèi)非常有限的安裝電氣設(shè)備的空間，對機(jī)車主變的外型尺寸、重量和機(jī)車軸重規(guī)格有著更加嚴(yán)格的限制；機(jī)車作為牽引網(wǎng)供電負(fù)荷隨時移動，給機(jī)車主變壓器供電的接觸網(wǎng)也會有大幅度的變化。

2電力機(jī)車主變壓器的基本結(jié)構(gòu)與原理

2.1主變壓器的結(jié)構(gòu)

本文以HXD3C型電力機(jī)車采用的JQFP-10160/25型主變壓器為例，主變壓器將接觸網(wǎng)的25kV電壓轉(zhuǎn)換為機(jī)車需要的各種等級的低電壓，從而滿足電力機(jī)車各種電機(jī)電器的工作需求。電力機(jī)車采用下懸式安裝的一體化多繞組變壓器，冷卻方式為強(qiáng)迫導(dǎo)向油循環(huán)風(fēng)冷，采用全密封結(jié)構(gòu)。

2.2主變壓器的接線原理

電力機(jī)車的主變壓器繞組的構(gòu)成方式是將尺寸合適的扁銅線或圓銅線繞在鐵芯上，組成鐵芯和繞組，分為高壓繞組和低壓繞組，高壓繞組在外側(cè)與受電弓相連，低壓繞組在內(nèi)側(cè)與車內(nèi)各種電氣裝置相連。

3主變壓器的保護(hù)配置

電力機(jī)車主變壓器是油浸式變壓器，一般可分為正常工作狀態(tài)、不正常工作狀態(tài)和故障狀態(tài)。

主變壓器的不正常狀態(tài)包括過負(fù)荷運(yùn)行、油箱漏油、油位降低和油溫過高等。這些不正常狀態(tài)使得變壓器線圈和繞組過熱，加速絕緣老化。

當(dāng)主變壓器的運(yùn)行已經(jīng)受到嚴(yán)重破壞而不能繼續(xù)運(yùn)行時，變壓器已經(jīng)出現(xiàn)故障狀態(tài)，危害最大的是短路故障。若繼續(xù)運(yùn)行，會影響電力機(jī)車運(yùn)行的可靠性并波及其他用電設(shè)備。

針對電力機(jī)車主變壓器的不正常狀態(tài)和故障狀態(tài)，變壓器一般會設(shè)置多種繼電保護(hù)裝置。當(dāng)變壓器發(fā)生故障時，保護(hù)應(yīng)可靠快速動作；變壓器處于不正常狀態(tài)時，應(yīng)發(fā)出報警信號。

3.1主變壓器主保護(hù)配置

電力機(jī)車主變壓器的主保護(hù)主要反應(yīng)變壓器內(nèi)部的短路故障，動作于斷路器跳閘而將變壓器退出運(yùn)行。主保護(hù)主要由縱聯(lián)差動保護(hù)和瓦斯保護(hù)組成。

3.1.1縱聯(lián)差動保護(hù)

電力機(jī)車主變壓器的縱聯(lián)差動保護(hù)是根據(jù)變壓器進(jìn)出線兩端電流差值而進(jìn)行的保護(hù)，主要反應(yīng)變壓器油箱內(nèi)部故障。

保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生短路時，如圖3（b）所示，流入繼電器的電流I=I'1+I'2≠0，繼電器動作，變壓器兩側(cè)斷路器跳閘，將故障的變壓器退出運(yùn)行。

3.1.2瓦斯保護(hù)

電力機(jī)車主變壓器瓦斯保護(hù)是反應(yīng)油浸式變壓器內(nèi)部故障的一種保護(hù)方式，能夠靈敏反應(yīng)變壓器油箱內(nèi)部的運(yùn)行情況。

瓦斯保護(hù)根據(jù)氣體濃度不同分為輕瓦斯和重瓦斯兩種情況。當(dāng)氣體繼電器中的氣體積聚容量為250～300cm3時，輕瓦斯動作于發(fā)出報警信號；當(dāng)變壓器油從油箱內(nèi)流向油枕的速度為0.6～1.5m/s時，重瓦斯動作于斷路器跳閘并發(fā)出報警信號。

3.2主變壓器后備保護(hù)配置

當(dāng)電力機(jī)車主變壓器主保護(hù)拒動時，由后備保護(hù)帶一定的延時動作，使得主變壓器退出運(yùn)行。

3.2.1接地保護(hù)

接地短路的后備保護(hù)用于反映外部接地短路引起的主變壓器過流及作為變壓器內(nèi)部接地短路的后備。

3.2.2油溫高保護(hù)

主變壓器的油溫高保護(hù)又稱過熱保護(hù)，當(dāng)主變壓器的油溫超過100℃時，保護(hù)動作于延時發(fā)出告警信號，并封鎖主變壓器，停止功率的輸出。

3.2.3壓力釋放保護(hù)

電力機(jī)車主變壓器中當(dāng)油箱內(nèi)部壓力超過允許值時，壓力釋放閥動作發(fā)出告警信號。

3.3主變壓器勵磁涌流的特性

變壓器空載合閘或外部故障切除時出現(xiàn)的電流可達(dá)到額定電流的4～8倍，電流幅值可達(dá)500～600A，使得繞組變形，對絕緣造成很大的影響，常導(dǎo)致變壓器的縱聯(lián)差動保護(hù)誤動作。當(dāng)暫態(tài)部分增大時，變壓器的鐵芯飽和，而鐵芯的構(gòu)成材料具有非線性，鐵芯飽和時，勵磁電感減小，電流激增，產(chǎn)生大的勵磁涌流。

電力機(jī)車主變壓器空載合閘時產(chǎn)生的勵磁涌流主要有以下三個方面的特性：

（1）變壓器合閘初相角

（2）勵磁涌流的大小與鐵芯剩磁的大小和方向成正比。剩磁越小，勵磁涌流的大小也越??；當(dāng)剩磁的方向與輸入電壓產(chǎn)生的磁通方向相反時，勵磁涌流也越來越??；

（3）勵磁電流大小還與電壓幅值有關(guān)，兩者成正比關(guān)系，電壓越大，勵磁電流也越大。

4主變壓器的絕緣特性分析

安裝在電力機(jī)車上的主變壓器在長期運(yùn)行過程中，絕緣經(jīng)年老化，繞組逐漸損耗產(chǎn)生熱量，主要因素是繞組最熱點(diǎn)的溫度。由于繞組發(fā)熱，繞組上的絕緣紙裂解出一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）溶解在變壓器油中。隨著溫度的升高，加重絕緣紙的老化，當(dāng)發(fā)生外部短路或受到電磁機(jī)械力等作用時，絕緣紙將破損，最終導(dǎo)致絕緣擊穿。由于絕緣發(fā)生了老化，使得變壓器的電氣強(qiáng)度降低，而機(jī)械強(qiáng)度明顯下降。因此，研究老化的重要依據(jù)之一就是機(jī)械性能變化的程度。

進(jìn)行絕緣耐壓試驗(yàn)，在運(yùn)行中的電力機(jī)車主變壓器中抽取樣本，分析油中氣體的含量進(jìn)而判斷電力機(jī)車主變壓器的絕緣老化程度，絕緣試驗(yàn)的具體過程為：

測出溶于變壓器油中氣體的含量，然后計算匯總機(jī)車主變壓器中繞組使用絕緣紙的總量，計算出每克絕緣紙中一氧化碳和二氧化碳（CO+CO2）的產(chǎn)生量，可以得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)CO+CO2產(chǎn)生量值低于0.45ml/g時，可認(rèn)為主變壓器的絕緣正常；

（2）當(dāng)CO+CO2產(chǎn)生量位于0.45～1.85ml/g時，可認(rèn)為主變壓器的絕緣存在異常；

（3）當(dāng)CO+CO2產(chǎn)生量高于1.85ml/g時，則認(rèn)為主變壓器的絕緣處于危險狀態(tài)。

5結(jié)論

本文對電力機(jī)車主變壓器進(jìn)行了簡要介紹，說明了主變壓器在電力機(jī)車中的重要作用；分析了電力機(jī)車主變壓器的繼電保護(hù)配置與空載合閘時的工作特性；最后利用絕緣擊穿實(shí)驗(yàn)對變壓器內(nèi)部的絕緣能力進(jìn)行了分析，為下一步分析電力機(jī)車主變壓器各種故障的特征及產(chǎn)生原因奠定了基礎(chǔ)。

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