电力机车主变压器的保护配置与绝缘特性分析

学术论文 2018-02-11 10:18:16
    0引言
    近年来,我国的铁道电气化技术快速发展崛起,电力机车已成为越来越重要的交通运输工具。而作为电力机车的动力来源,机车装载的主变压器的工作状态对电气化铁路的正常运行有着非常重要的影响,是电力机车的核心设备,直接关系着机车的牵引供电系统是否处于安全可靠运行状态。电力机车主变压器是电力机车牵引系统中使用的一种特殊变压器,在运行特性与原理上与普通的电力变压器存在较大差异。在电力机车高速运动中主变压器会受到强烈震荡,其内部器件更容易产生机械故障,对变压器的绝缘水平也提出了更高要求。
    1电力机车主变压器与一般电力变压器的区别
    由于电力机车具有移动性、负荷大、震荡多的特点,电力机车主变压器在实际运行中与一般变压器相比有较大的区别。机车运行中受到外部的冲击和震荡使得车载变压器的正常运行受到影响;由于机车车体内非常有限的安装电气设备的空间,对机车主变的外型尺寸、重量和机车轴重规格有着更加严格的限制;机车作为牵引网供电负荷随时移动,给机车主变压器供电的接触网也会有大幅度的变化。
    2电力机车主变压器的基本结构与原理
    2.1主变压器的结构
    本文以HXD3C型电力机车采用的JQFP-10160/25型主变压器为例,主变压器将接触网的25kV电压转换为机车需要的各种等级的低电压,从而满足电力机车各种电机电器的工作需求。电力机车采用下悬式安装的一体化多绕组变压器,冷却方式为强迫导向油循环风冷,采用全密封结构。
    2.2主变压器的接线原理
    电力机车的主变压器绕组的构成方式是将尺寸合适的扁铜线或圆铜线绕在铁芯上,组成铁芯和绕组,分为高压绕组和低压绕组,高压绕组在外侧与受电弓相连,低压绕组在内侧与车内各种电气装置相连。
    3主变压器的保护配置
    电力机车主变压器是油浸式变压器,一般可分为正常工作状态、不正常工作状态和故障状态。
    主变压器的不正常状态包括过负荷运行、油箱漏油、油位降低和油温过高等。这些不正常状态使得变压器线圈和绕组过热,加速绝缘老化。
当主变压器的运行已经受到严重破坏而不能继续运行时,变压器已经出现故障状态,危害最大的是短路故障。若继续运行,会影响电力机车运行的可靠性并波及其他用电设备。
    针对电力机车主变压器的不正常状态和故障状态,变压器一般会设置多种继电保护装置。当变压器发生故障时,保护应可靠快速动作;变压器处于不正常状态时,应发出报警信号。
    3.1主变压器主保护配置
    电力机车主变压器的主保护主要反应变压器内部的短路故障,动作于断路器跳闸而将变压器退出运行。主保护主要由纵联差动保护和瓦斯保护组成。
    3.1.1纵联差动保护
    电力机车主变压器的纵联差动保护是根据变压器进出线两端电流差值而进行的保护,主要反应变压器油箱内部故障。
保护范围内发生短路时,如图3(b)所示,流入继电器的电流I=I'1+I'2≠0,继电器动作,变压器两侧断路器跳闸,将故障的变压器退出运行。
    3.1.2瓦斯保护
    电力机车主变压器瓦斯保护是反应油浸式变压器内部故障的一种保护方式,能够灵敏反应变压器油箱内部的运行情况。
    瓦斯保护根据气体浓度不同分为轻瓦斯和重瓦斯两种情况。当气体继电器中的气体积聚容量为250~300cm3时,轻瓦斯动作于发出报警信号;当变压器油从油箱内流向油枕的速度为0.6~1.5m/s时,重瓦斯动作于断路器跳闸并发出报警信号。
    3.2主变压器后备保护配置
    当电力机车主变压器主保护拒动时,由后备保护带一定的延时动作,使得主变压器退出运行。
    3.2.1接地保护
    接地短路的后备保护用于反映外部接地短路引起的主变压器过流及作为变压器内部接地短路的后备。
    3.2.2油温高保护
    主变压器的油温高保护又称过热保护,当主变压器的油温超过100℃时,保护动作于延时发出告警信号,并封锁主变压器,停止功率的输出。
    3.2.3压力释放保护
    电力机车主变压器中当油箱内部压力超过允许值时,压力释放阀动作发出告警信号。
    3.3主变压器励磁涌流的特性
    变压器空载合闸或外部故障切除时出现的电流可达到额定电流的4~8倍,电流幅值可达500~600A,使得绕组变形,对绝缘造成很大的影响,常导致变压器的纵联差动保护误动作。当暂态部分增大时,变压器的铁芯饱和,而铁芯的构成材料具有非线性,铁芯饱和时,励磁电感减小,电流激增,产生大的励磁涌流。
电力机车主变压器空载合闸时产生的励磁涌流主要有以下三个方面的特性:
    (1)变压器合闸初相角
    (2)励磁涌流的大小与铁芯剩磁的大小和方向成正比。剩磁越小,励磁涌流的大小也越小;当剩磁的方向与输入电压产生的磁通方向相反时,励磁涌流也越来越小;
    (3)励磁电流大小还与电压幅值有关,两者成正比关系,电压越大,励磁电流也越大。
    4主变压器的绝缘特性分析
    安装在电力机车上的主变压器在长期运行过程中,绝缘经年老化,绕组逐渐损耗产生热量,主要因素是绕组最热点的温度。由于绕组发热,绕组上的绝缘纸裂解出一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)溶解在变压器油中。随着温度的升高,加重绝缘纸的老化,当发生外部短路或受到电磁机械力等作用时,絕缘纸将破损,最终导致绝缘击穿。由于绝缘发生了老化,使得变压器的电气强度降低,而机械强度明显下降。因此,研究老化的重要依据之一就是机械性能变化的程度。
    进行绝缘耐压试验,在运行中的电力机车主变压器中抽取样本,分析油中气体的含量进而判断电力机车主变压器的绝缘老化程度,绝缘试验的具体过程为:
    测出溶于变压器油中气体的含量,然后计算汇总机车主变压器中绕组使用绝缘纸的总量,计算出每克绝缘纸中一氧化碳和二氧化碳(CO+CO2)的产生量,可以得出以下结论:
    (1)当CO+CO2产生量值低于0.45ml/g时,可认为主变压器的绝缘正常;
    (2)当CO+CO2产生量位于0.45~1.85ml/g时,可认为主变压器的绝缘存在异常;
    (3)当CO+CO2产生量高于1.85ml/g时,则认为主变压器的绝缘处于危险状态。
    5结论
    本文对电力机车主变压器进行了简要介绍,说明了主变压器在电力机车中的重要作用;分析了电力机车主变压器的继电保护配置与空载合闸时的工作特性;最后利用绝缘击穿实验对变压器内部的绝缘能力进行了分析,为下一步分析电力机车主变压器各种故障的特征及产生原因奠定了基础。
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