浅谈油色谱在线监测装置在高铁牵引 供电系统中的应用

刘 浩

（哈大铁路客运专线有限责任公司）

0 引言

高速铁路的快速发展对牵引供电系统的可靠性、安全性提出了更高的要求。牵引变压器作为牵引供电系统的核心部件，其运行状况直接影响供电系统是否能安全、高效地运行，因此对牵引变压器的运行状态进行实时监测，对电气化铁路的安全可靠运行具有重要意义。采用油色谱在线监测装置能尽早发现设备内部存在的潜伏性故障并实时监测故障的发展情况，不仅能及时发现问题，避免由牵引变压器故障造成的铁路运营事故，同时提高了检修人员的工作效率，而且降低了牵引变压器的维护成本，提高了电气化铁路系统的经济效益。在线监测故障预警也和高铁牵引系统“预防为主，重检慎修”的维护概念相吻合。本文结合牵引变压器的运行特点分析其内部故障，简单介绍油色谱在线监测装置的原理和系统结构，分析油色谱在线检测装置在牵引供电系统中的重要性。

1 牵引变压器运行特点

牵引变压器是一种特殊电压等级的电力变压器，其要不断地承受过负荷和短路冲击，需满足牵引负荷变化剧烈、外部短路频繁的需求。与普通电力变压器相比，由于列车在行进过程中要受到不同速度、重量等工况和弯道、坡道等操作的影响，牵引负荷具有冲击性、随机性和非线性的特点[1]，具体内容如下。

（1）负荷冲击性

由于电力机车牵引的重量、速度及轨道环境不同，线路要求的负载具有较大的幅值变化，如机车在上下坡时可能突然加载或断电运行，这使供电系统的负载突然增高或降低；虽然牵引供电系统的整体平均负载很小，但为了保证电气化铁路运输能力的充分发挥，要求其必须具有高的负载过载系数；我国铁路客货混运的特点使得牵引供电系统不但负载幅值变化大，而且负载周期变化频繁。

（2）负荷随机性

由于列车在运行过程中的加速、恒速、惰性、制动等各种工况以及运行中坡道、弯道、站场、道岔、自然气候、司机操作过程等因素的影响，使牵引负荷随机波动[2]。

（3）负荷非线性

牵引电机使用的直流电是通过交流电全波整流得到的，这是一个非线性过程，故牵引负荷为非线性负荷，牵引电流的波形含有明显的谐波成分。这些谐波会在铁心和绕组中产生大量的附加损耗，引起附加发热，加速油纸绝缘的老化，缩短变压器的运行年限。

由于牵引负荷的以上特点，牵引变压器的绕组温升、绝缘破坏、线圈电磁力、机械摩擦力等都比一般的电力变压器严重，这些特点增大了牵引变压器绝缘故障的概率，降低了绝缘寿命。绝缘状态的迅速老化严重时将造成铁路运输的中断，给安全生产带来巨大损失，所以对牵引变压器内部绝缘情况进行实时监测，及早发现绝缘缺陷并发出警告，降低事故发生率具有重大意义。

2 牵引变压器的故障类型和故障产生的气体

牵引变压器的内部故障主要分为过热性故障、放电性故障及绝缘受潮故障三种。

过热性故障是由于热应力造成的绝缘加速劣化引起的，是牵引变压器最常见的内部故障。变压器在运行过程中，铁心、绕组和钢结构件中均要产生损耗，这些损耗将转变为热量发散到周围的介质中，引起变压器发热和温度升高，缩短变压器的绝缘寿命[3]。

放电性故障是在高电场作用下造成的绝缘劣化所引起的变压器内部主要故障，可分为电弧放电、火花放电、局部放电。电弧放电是一种高能放电，通常发生于线圈匝和层间，其特点是产生急剧且量大。火花放电是一种低能量放电，常发生在高电位的金属部件或高压套管端部存在悬浮电位或者变压器油中含有杂质的情况。当变压器油纸绝缘中含有气隙时，由于气体的介电常数小而击穿场强比油和纸的都低，在运行中常因此而发生局部放电。局部放电会造成变压器绝缘逐步受到侵蚀和损伤。

绝缘受潮故障是变压器内部的油纸绝缘结构吸潮使绝缘材料降解老化、介质损耗增加、绝缘电阻降低，最终会缩短变压器的运行寿命。绝缘中微水含量的不平衡分布会使绝缘中产生气泡，引发局部放电，油纸绝缘中微水的扩散还会加剧油流带电现象。

牵引变压器内部发生不同的故障类型会对应产生不同的特征气体，因此可根据故障气体的成分、含量来判断故障的类型和严重程度。牵引变压器油中溶解气体种类与故障类型的对应关系基本与电力变压器相同，如下表[4]所示。

表 不同故障类型产生的气体

3 油色谱在线监测装置系统介绍

牵引变压器在运行过程中经常会遇到过负荷和频繁短路冲击等情况，这导致其内部绝缘故障的发生率很高。油色谱在线监测装置采用气相色谱法测定变压器油中溶解气体的组分含量，是判断变压器是否存在潜伏性的过热、放电等绝缘故障，以保障供电系统安全运行的有效手段。

油色谱在线监测装置一般由油气分离单元、气体检测单元、数据采集和信号控制单元以及上位机控制单元组成。以TROM-600变压器油色谱在线监测装置为例，其系统结构如下图所示。该系统通过油循环的方式从变压器中获取新鲜油样，可实时反映变压器的运行状态，且不消耗油样，测试后的变压器油可经过排油管路回到变压器中。油气分离单元采用真空脱气的方式，脱气时间快，脱气效率高于95%。通过真空脱气分离出来的故障气体在载气的推动下经过色谱柱，色谱柱对混合气体中不同组分的气体进行分离，这样当不同组分的气体通过色谱柱分离的顺序依次经过传感器之后，传感器就可以检测到各组分气体的含量了。数据采集和信号控制单元的功能是控制系统工作流程、采集有效信号、信号处理和简单的故障诊断[5]。上位机控制单元按照RS485/232通讯方式从数据采集单元获取监测数据，对变压器状态进行分析并报警，为变压器检修提供依据。该系统采用模块化设计，全过程控制系统温度并检测系统压力等变量，对气体进行定量测量，在严寒和低压等极端环境下仍能稳定工作。

图 TROM-600油色谱系统结构图

4 结束语

变压器油色谱在线检测装置可以实现对牵引变压器内部故障状态提早预测，及时发现隐患故障，防止故障向严重程度发展，进而减小高铁牵引供电系统故障引起的风险。通过对牵引变压器运行状态的准确判断，可有计划地对设备进行检修，减轻检修人员的工作压力，提高设备完好率和利用率，降低维护成本，提高牵引供电系统运行的经济性。目前油色谱在线监测装置已经成为变压器日常检修维护最重要的手段之一，未来也会在高铁牵引供电系统中得到广泛的应用。

[1]张志刚. 朔黄铁路牵引变压器在线监测技术[D]. 成都: 西南交通大学, 2012.

[2]张军. 牵引变压器绝缘在线监测系统的开发[D]. 成都: 西南交通大学, 2005.

[3]路长柏. 电力变压器理论与计算[M]. 沈阳: 辽宁科学技术出版社, 2007.

[4]GB/T 7252—2001. 变压器油中溶解气体分析和判断导则[S].

[5]盛进路. 牵引变压器绝缘老化特性及其检测技术的研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2005.