CRH380B(L)型动车组主变压器散热装置维修决策优化研究*

廖小东， 叶 丹， 谢名源， 周 斌

(1 上海铁路局 南京动车段， 南京 210000；2 上海铁路局 车辆处， 上海 200071；3 上海铁路局 高铁运维技术中心， 上海 201812)

随着高速铁路客运专线的不断建成和顺利通车，最高运行速度可达380 km/h的CRH380B(L)型动车组正越来越普遍的运用到全国各个铁路局。CRH380B(L)型动车组每8辆编组配备了2台主变压器，其主要功能是将输入的25 kV高压供电降压后，输出到牵引变流器、辅助变流器、励磁电源、控制电源和旅客列车供电系统等其他用电设备，是列车牵引供电的唯一来源，因此，主变压器功能良好与否严重影响动车组的正常运行。

过热是主变压器一种常见的故障模式，当主变压器散热装置散热效果不良时，主变压器内部温度升高，高温不但加速变压器油的老化和变质，同时使得绝缘材料的纤维形态和分子结构严重受到破坏，导致绝缘材料聚合度降低，抗拉强度下降，加快绝缘材料的老化和分解，降低其电气强度和机械强度，影响绝缘寿命[1]。一旦高温导致主变压器绝缘材料发生击穿，将使得动车组牵引功率下降，甚至主断路器自动断开，造成临修或途停，严重影响动车组的正常运行秩序。因此对主变压器散热装置维修决策进行优化，对保证动车组主变压器散热良好减少过热故障具有重要的意义[2]。

1 动车组主变压器散热装置的结构和散热原理分析

动车组主变压器散热装置由空气过滤器、热交换器、油泵、通风道、冷却风扇、主要框架和冷却剂等组成，其外形如图1所示。

1-防护网；2-空气过滤器；3-冷却器；4-风机外壳；5-风机装置；6-减振栓；7-蝶阀。图1 主变压器散热装置结构图

散热装置布置在主变压器旁边，通过法兰与主变压器连通，主变压器冷却液通过法兰进入散热装置，油泵为油的循环提供充足的动力，将变压器顶层高温油送入冷却管内，使其产生的热量传送给冷却管内壁和翅片，再由管壁和翅片将热量传到空气中[3]。同时，使用冷却风机通过空气过滤器沿垂直于车辆的走行方向从外部抽入冷却空气，将冷空气吹入冷却器管束内，带走从冷却器管束放出的热量，热空气在穿过冷却器后朝着道床向下吹出，使热油加速冷却，冷却后的油从冷却器下端进入变压器下部油箱内，达到降低主变压器冷却剂温度的效果，实现主变压器器身的冷却。一旦冷却系统通风不畅，主变压器的油路热量不能及时排出将会导致主变压器温度过热[4]。通过这种强迫导向油循环风冷方式将高温的主变压器冷却液进行强制风冷，冷却液循环通路如图2所示(箭头方向为冷却液流向)：

1-散热装置；2-补偿器；3-法兰叶；4-油循环泵；5-PT100；6-密封套管；7-膨胀油箱；8-主变压器；9-流量计。图2 主变压器散热装置结构原理图

此外在主变压器散热系统中采取了多种适当的保护措施，保证散热装置的正常运行。包括在冷却回路中为防止过热过载执行温度监测的PT100(温度采集模块)和检查冷却剂流量是否正常而执行流量监测的流量计，以及为检测一次电路接地故障执行的一次隔离监测的补偿器(通过比较外向电流和返回电流进行差动保护)。

2 主变压器散热装置当前维修决策的方案

为了确保主变压器散热装置性能良好，中国铁路总公司在二级修维修卡片当中要求结合I2修使用大功率吸尘器对散热器进行吸尘，结合M1修使用高压水枪对散热器进行冲洗。动车组各级预防修周期表如表1所示：

在实际执行中国铁路总公司关于主变压器散热装置的维修决策过程中发现，柳絮季节内散热器极易脏堵，按照中国铁路总公司要求执行时仍然发生多起牵引变压器油温高故障。如图3所示某铁路局CRH380B(L)型动车组历年主变散热装置脏堵故障统计。

表1 CRH380B(L)型动车组计划预防修周期表

图3 某局CRH380B(L)型动车组历年主变散热装置脏堵故障统计

由图3可知，2011年至2014年期间，随着该铁路局配属的CRH380B(L)型动车组数量增加，主变压器散热装置脏堵导致的故障也在不断地攀升，说明只根据中国铁路总公司在二级修维修卡片中的主变散热装置维修决策不能满足动车组在运行过程中主变的散热要求。自2015年开始该铁路局在满足中国铁路总公司二级修维修卡片中要求的基础上，对主变散热装置维修措施进行了强化：

(1) 在规定的时期内对主变压器散热装置进行加装滤棉，防止柳絮等异物进入主变压器散热装置系统，影响散热性能。

(2) 对主变压器散热装置加装的滤棉进行定期更换维护，防止滤棉脏堵，影响风道通畅。

(3) 除加装滤棉外，根据不同的季节特点对散热装置使用吸尘器吸污或使用高压水进行冲洗，确保表面清洁，保证进风良好。

主变散热装置维修决策强化措施相关维护周期如表2所示。

通过以上主变散热装置维修决策强化措施，采取加装滤棉和加密清洁周期的方式起到了良好的效果，图3中2015年至2016年由主变压器散热装置脏堵导致的故障大幅度降低，故障数据均控制在个位数以内。

表2 动车段主变散热装置维修决策强化措施

通过强化维修措施取得了良好的效果，有效减少了由主变压器散热装置脏堵导致的故障数，但由主变压器散热装置脏堵导致的故障仍然不可避免的发生从而造成巨大的安全风险，更重要的是以固定周期4天换棉给各动车所带来了巨大的维修工作量。

3 主变压器散热装置维修决策方案优化试验

3.1 主变压器散热装置维修决策方案优化试验方法

随着动车组数字化、智能化、集成化及列车控制网络的发展，动车组关键部件状态监控、车载自诊断功能和远程数据传输功能的不断完善，为动车组状态预防修的实施提供了可靠的数据基础[5]。与制定CRH380B(L)型动车组主变维修决策相关的远程数据均可通过车载信息无线传输系统(WTDS)实时发送至地面服务器并进行下载，其中包括动车组运行时间、车组号、车厢号、速度、环境温度和主变散热装置出口油温，如表3所示为CRH380BL-3501在2017年5月20日部分主变维修决策远程参数。

表3 CRH380BL-3501部分主变维修决策远程参数 ℃

自2016年5月5日起选取该铁路局CRH380B-3727/3728两列动车组为试验对象，试验时间为2016年5月5日至2016年9月30日，自2016年7月9日开始新增2组CRH380BL型动车组，分别为CRH380BL-3525和CRH380BL-3542，试验日期2016年7月9日至2016年9月30日，在试验期间对动车组变压器冷却装置维修作业开展状态修方式的试验。

试验车组在试验期间，动车组牵引变压器散热装置滤棉的更换和散热装置的冲洗遵循如下方案：根据以往生产经验，滤棉是否需要进行更换根据散热风机高速状态下主变冷却油的热平衡温度判断(即主变压器散热装置出口油温)，试验期间按70 ℃作为标准，即当主变压器散热装置出口油温达到或超过70 ℃时安排更换滤棉；散热装置冲洗的时间间隔根据最近一次滤棉更换的时间间隔判断，试验期间按4天为标准，即当滤棉更换时间间隔短于或等于4天时组织冲洗。

CRH380B型动车组为8辆编组，安装了2个主变压器，分别在02和07车；CRH380BL型动车组为16辆编组，安装了4个主变压器，分别在02、07、10和15车。试验期间每日通过车载信息无线传输系统(WTDS)下载4组车主变散热装置出口油温，并提取其最大值。当其中一个车厢的出口油温达到70℃时，为了保证整列动车组的主变压器散热装置散热性能相近，每次更换整组车的滤棉，当达到冲洗条件时同样冲洗整组车散热装置。

3.2 主变压器散热装置维修决策方案优化试验结果分析

在试验期间，严格按照每日主变压器散热装置最大出口油温是否超70 ℃要求执行换棉计划，对试验车组的主变压器散热装置滤棉间隔进行统计，如表4所示。

CRH380B-3727和CRH380B-3728为重联车组，所以执行相同的换棉计划。由表4可知，各试验动车组主变滤棉更换间隔受自身性能等因素的影响，存在一定的差距。CRH380B-3727、3728动车组主变散热装置在2016年5月5日至2016年9月30日期间共换棉10次，平均换棉间隔为14.2天；5月5日至6月15日柳絮季节试验车组牵引变压器滤棉更换周期约为11.5天。2016年7月9日至2016年9月30日，CRH380BL-3525动车组主变散热装置共换棉4次，平均换棉间隔为19.5天，CRH380BL-3542动车组主变散热装置共换棉5次，平均换棉间隔为15.6天。

表4 4组试验动车组主变散热装置滤棉更换间隔表

表5 试验换棉与理论换棉工作量对比

由表5可知，从2016年5月5日至6月15日属于柳絮季节，换棉的周期相对较短，自7月9日至9月30日属夏季高温期，由于柳絮的减少，虽然外温较高但换棉周期较柳絮季节仍然较大，表明柳絮对主变压器散热装置滤棉的通风性能存在较大的影响。表4综合体现不管是柳絮季节或是高温季节试验换棉周期均是固定换棉周期4天的数倍以上，最小为8天2倍，最大为37天近9倍。同时换棉工作量均减少70%以上，在保证主变散热装置散热性能良好的基础上，以当天主变压器散热装置出口油温最大值为参考实现散热装置的状态修，能够大大的减少维修工作量，为铁路局节省大量的人力和物力[6]。

4 主变压器散热装置维修决策优化方案的制定

4.1 主变散热装置维修阈值的精确确定

在试验期间，每日对试验动车组运行过程中的交路、速度、环境温度、牵引变压器出口油温进行下载，对4组车温升情况进行分析。提取每日出口最大油温，将第2日的最高油温减去前一日的最高温度，剔除温度下降的数值进行温升趋势性分析，各试验动车车组最大油温温升分布如图4所示。

由图4(a)、(b)、(c)、(d)、(e)可以看出，4组动车组每日温升较大区间均主要集中在2016年4月15日至6月15日柳絮季节期间，其次温升相对较高区间主要分布在8月下旬，与该季节外界环境温度高相关。通过统计主变出口油温温升区间占比，温升在15 K以内的占比达97.83%，15～20 K占比1.6%，20K以上占比0.57%。分析单日温升大于15 K的主变该日油温均达到68 ℃ 以上，主变滤棉趋于脏堵。

当散热装置故障或散热性能不良导致牵引变压器油温异常时，主变压器会产生相应的故障代码，同时伴随输出功率降低等故障，相关逻辑如下：

(1) 当风扇都正常的情况下，主变压器油温达到105 ℃

(2) 当变压器温度大于温度限定值110 ℃时，产生故障代码634D：变压器冷却液温度超过限定值T3，由于变压器过热4QC关闭。

(3) 当变压器温度大于温度限定值115 ℃时，产生故障代码634C：变压器冷却液温度超过限定值T4，真空断路器关闭故障。

主变压器内部的绝缘大部分是A级，A级绝缘的极限温度为105 ℃ ,高于105 ℃绝缘材料会很快老化。滤棉加装期间，根据当油温大于105 ℃时报故障代码634E，及试验跟踪数据单日温升在15 K以内的占比达到97.83%情况，考虑动车组隔日检修情况，选取105 ℃ 减30 ℃(15 ℃乘以2)等于75 ℃作为滤棉更换的报警阀值，为了保留一定的安全余量，选择70 ℃作为滤棉更换阈值，即只要当日主变压器散热装置出口油温最大值≥70 ℃ 时提示结合动车组最近一次检修计划进行更换滤棉。

图4 试验车组每日最大温升分析

4.2 主变散热装置维修决策优化方案的制定

针对牵引变压器温度限定保护控制逻辑，根据对CRH380B(L)型动车组牵引变压器散热装置结构和功能原理的分析，结合几起牵引变压器油温高故障的数据分析，制定了CRH380B(L)型动车组牵引变压器散热装置维修优化方案如表6所示。

表6 主变散热装置维修措施优化方案及预警方法

为了加强安全风险控制，增加当日立即组织更换滤棉决策。滤棉加装期间，上线动车组任一主变压器实时出口油温达到90 ℃时，提示当日立即组织换棉。若动车组当日没有检修计划或在异地存放，只需将对应主变压器所在的车厢滤棉进行撕除，回动车所后对整个动车组滤棉进行更换。

4.3 主变散热装置维修决策优化方案的验证

根据表6中4条主变维修决策要求，开发出集维修决策实时自动报出、故障查询及人工处理回填功能一体的系统，将实时出口油温数据接入系统中并进行自动计算，各动车运用所只需登入网页版系统即可查询当日主变散热装置维修计划，系统界面如图5所示。为了对已制定的主变散热装置维修决策优化方案进行验证，现将优化方案在某铁路局的两个动车运用所共69组列车上进行试运用，随机选取其中的20组动车组，记录在2017年4月15日至2017年5月15日执行的结果，各组车换棉时间、间隔及工作量统计如表7所示。

由表7可知，由于各动车组相互之间的差异以及运行交路的不同等因素影响，换棉间隔天数具有一定的差别，换棉最小间隔为5天，最大间隔为21天。其中换棉工作量节省45%以上的动车组达到100%，节省60%以上的达到65%，节省70%以上的达到15%，大幅度减少了各动车所的主变压器散热装置维修工作量。

图5 主变散热装置维修决策系统

车组号第1次换棉日期间隔天数/d第2次换棉间隔天数/d第3次换棉间隔天数/d第4次换棉实际次数/次理论次数/次减少工作量/%CRH380B-58492017-04-1962017-04-2872017-05-0982017-05-0847.546.67CRH380BL-35032017-04-1892017-04-2782017-05-0562017-05-1147.546.67CRH380BL-35082017-04-18102017-04-28102017-05-0862017-05-1447.546.67CRH380BL-35122017-04-17122017-04-2962017-05-0592017-05-1447.546.67CRH380BL-35142017-04-1962017-04-2582017-05-0382017-05-1147.546.67CRH380B-35952017-04-21112017-05-0272017-05-0962017-05-1547.546.67CRH380B-57542017-04-2092017-04-2982017-05-0762017-05-1347.546.67CRH380BL-35012017-04-20162017-05-06102017-05-1637.560.00CRH380BL-35022017-04-1992017-04-28102017-05-0837.560.00CRH380BL-35112017-04-17102017-04-27122017-05-0937.560.00CRH380BL-35152017-04-18112017-04-29102017-05-0937.560.00CRH380B-35942017-04-21112017-05-0272017-05-0937.560.00CRH380B-36332017-04-24132017-05-0782017-05-1537.560.00CRH380B-36452017-04-2372017-04-30112017-05-1137.560.00CRH380B-56422017-04-1862017-04-24122017-05-0637.560.00CRH380B-56482017-04-21152017-05-0672017-05-1337.560.00CRH380B-57352017-04-23132017-05-0682017-05-1437.560.00CRH380B-56412017-04-20132017-05-0327.573.33CRH380B-57342017-04-23212017-05-1427.573.33CRH380B-58482017-04-21152017-05-0627.573.33

5 结束语

当前主变压器散热装置维修决策仍然存在较高安全风险和维修工作量大的特点，对动车组主变压器散热装置出口油温每日最大值进行分析，选取实际上线运行动车组进行主变压器散热装置维修决策优化试验研究。最终制定以主变压器散热装置出口油温达70 ℃为更换滤棉和90 ℃为当日立即组织更换滤棉等4条维修决策的主变散热装置维修决策优化方案。

通过对优化方案的验证，对4天固有维修周期对比，安全风险控制灵活性较高，且维修工作量大幅度减少。在优化方案验证的过程中，随机选取的20组动车组换棉工作量均节省45%以上，大量节省维修部门的人力物力和财力。通过实时参数实现动车组部件状态修，对于提高牵引变压器维修部门的工作效率和我国列车故障预警技术具有重要的意义。

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