列车牵引变压器事故分析

列车牵引变压器事故分析摘要：变压器是高压电器的一类，它可以将高压电进行降压处理，从而达到电器使用所需要的电压值。变压器在人们的日常生活中运用十分的广泛——人们的日常生活用电、铁路用电等都有它的身影。牵引变压器是变压器的一种，它将接触网上的电压转化为可供牵引用电设备使用的牵引电压，关系到铁路运输是否正常，是牵引控制系统中的重要组成部分。本文通过例举牵引变压器常见故障以及对已经出现的由牵引变压器导致的事故进行分析，并思考减少故障发生的方法。关键词：牵引变压器组成结构常见故障事故分析设想目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 1一、研究背景与意义： 3二、国内外研究现状： 31、国内研究现状： 32、国外研究现状： 3三、牵引变压器作用及其工作原理： 41、牵引变压器的构造及其作用： 42、牵引变压器电气数据： 53、牵引变压器的工作原理： 54、牵引变压器与其他高压电器的配合： 6四、牵引变压器异常现象： 61、牵引变压器声音异常： 62、正常状态下，牵引变压器上层油温异常升高： 63、轻瓦斯保护动作： 6五、牵引变压器常见故障： 71、牵引变压器内部故障： 7（1）、牵引变压器放电性故障： 7（2）、牵引变压器过热性故障： 7（3）、牵引变压器绝缘性故障： 7（4）、牵引变压器过流故障： 82、牵引变压器冷却系统故障： 8（1）、牵引变压器油泵故障： 8（2）、牵引变压器冷却风机故障： 9（3）、牵引变压器通风支路故障： 93、牵引变压器爆裂故障： 94、变压器切除故障： 9六、G281次动车组事故分析与设想： 91、事故案例： 102、分析： 103、设想： 10七、总结： 11致谢： 11参考资料： 12一、研究背景与意义：铁路是我国重要的交通基础设备，随着我国电气化铁路的迅猛发展，铁路行车的安全性和可靠性提升已经成为铁路发展规划中一个不可忽视的课题，牵引变压器作为列车牵引控制系统的重要部件，对确保铁路安全行车有着至关重要的作用。在我国，每年因列车运行故障而造成的直接经济损失是巨大的，同时，为了确保列车电气设备正常运行而花费的检修维护费用在铁路运输经费中也占据很大的比例。正因如此，提高故障诊断水平，使得故障诊断与维修工作更加高效；对可能出现的故障进行类比排查，减少故障出现的概率，对铁路行业的快速发展有着重大的意义。铁路的出现是为了满足人们的出行需要与物资的快速流通，未来铁路行业的发展要向着高速与重载的目标前行，因此对牵引控制系统的安全性与可靠性会提出更高的要求。牵引变压器作为牵引控制系统的关键设备，其性能的优良直接影响电气化铁路能否安全有效的运行。因此，对牵引变压器实时状态进行记录，确保其工作时处于正常，预防其发生故障，并对常见故障进行分析，提高故障解决效率，对铁路未来的发展有着重要的意义。从目前铁路系统中所发生的事故来看，很多事故都是由于局部问题的扩大而导致的突发事故，但目前对电气设备的运行状态判断的依据主要靠预防实验与司机检修人员的工作经验。由于预防实验周期较长，对实际情况的分析不足，会出现过多的不必要的检修与维护以及司机与检修人员可能存在的与现行列车不符的经验，导致局部问题难以发现，最终造成事故的发生。由于局部问题导致事故发生的情况在牵引变压器事故统计中占据极大比重。正因为此，对变压器状态分析记录得出正常状态范围，再通过在线监控变压器状态与运行情况，提高诊断水平，从而到达避免事故发生的目的。二、国内外研究现状：1、国内研究现状：对于铁路机车车辆重要部件故障诊断技术而言，我国的的研究起步较晚。20世纪80年代，为解决轴箱切轴故障，研制了车载红外轴温检测报警装置，取得了良好的效果。90年代后，随着计算机控制系统的大量运用，使得车载系统设备更加复杂。在这种背景之下，相关高校、车厂以及研究所为了全面的对列车关键设备进行自动监测与故障诊断，做出大量工作并取得丰硕的成果。如株洲电力机车研究所开发的多种高速列车行车监测设备。【10】国外研究现状：欧美等发达国家一直非常重视对轨道车辆故障诊断相关技术的研究，其中，以通用电气公司开发的内燃机车故障诊断系统，日木三菱公司开发研制的铁路机车故障诊断系统为主要代表，但美国在该领域拥有以“机车牵引电机控制系统”为代表的专利技术，其相关技术理论亦走在国际前列。目前，列车故障诊断与状态监测系统在国外的很多高速列车上都已采用，德国ICE高速列车自身的自检系统可以对其进行实时的监测与检测，并进行实时记录:法国IGV高速机车车辆采用了光纤通信技术，将列车重要零部件的实时状态信息及时传输到驾驶员操纵室，有利于提前发现设备故障，并及时排除故障隐患和预防事故的发生。【10】三、牵引变压器作用及其工作原理：1、牵引变压器的构造及其作用：牵引变压器主要是油浸式变压器，它由底座固定在列车上，内部包括冷却系统与保护系统等，铁芯、线圈、油箱、防爆管、散热器、呼吸器、油枕等都是其重要零部件，每个零部件都有着不可或缺的作用。油浸式牵引变压器的又可细分，如按照相数可分为三相变压器和单相变压器，按绕组数目可分为双绕组变压器和三绕组变压器。铁芯：是牵引变压器最基本的组成部分之一，它由涂有绝缘漆的硅钢片叠装而成，变压器的一、二次线圈都缠绕在铁芯上。线圈：用铜线或铝线缠绕成圆筒形的多层线圈，有一次侧线圈和二次侧线圈，都绕在铁芯上，导线外边用纸或沙包绝缘。油箱：是牵引变压器的外壳，起到固定支撑的作用。内部充满变压器油，保证铁芯与线圈浸在变压器油内。绝缘套管（高压套管和低压套管）：绝缘套管作用是绝缘和支撑。牵引变压器各侧引线必须使用绝缘套管，为了线圈的引出线从油箱内引到油箱外，使带电的引线穿过油箱时与接地的油箱绝缘。防爆管：装于牵引变压器顶盖上管口用薄膜封住。变压器内部发生故障时，油箱内温度升高，产生大量气体，压力也增大，油和气体便冲破防爆管口薄膜向外喷出，防止变压器油箱产生爆炸及导致变形。散热器：当牵引变压器上层油温和下层油温产生温差时，通过散热器形成油的对流，经散热器冷却后流回油箱以降低变压器温度，使得温度恒定在一定范围以内。为提高冷却效果可采用风冷、水冷、强迫油循环风冷、强迫油循环水冷等措施。油枕：变压器油因温度的变化会发生热胀冷缩的现象，油面也会由于温度的变化而发生上升和下降。油枕的作用就是储油和补油，确保油箱内可以时刻充满油，使铁芯与线圈一直浸入，同时油枕可以缩小变压器与空气的接触面，减慢了变压器油劣化的速度。油枕侧面的油位表还可以监视油位的变化情况。变压器油：变压器油的作用是绝缘、散热、防潮与灭弧等。分接开关：通过改变其接触点，用来调节牵引变压器的输出电压。净油器：使油中的有害物质如水分、游离碳、氧化物等随着油的循环被净油器中的硅胶吸附，保证油的纯净度，使其保持良好的电气及化学性能，延长使用寿命，减少使用频率，降低使用成本。呼吸器：油枕内空气随变压器油的体积膨胀或缩小而发生改变，排出或吸入的空气都经过呼吸器。呼吸器内装有干燥剂（硅胶）来吸收空气中的水分，过滤空气，从而保持油的清洁。瓦斯继电器：装在油箱与油枕的连接管上。当牵引变压器内部发生严重故障时，接通跳闸回路，当变压器内部发生不严重故障时，接通信号回路。瓦斯保护是油浸式变压器内部故障的主保护。信号温度计：用来测量油箱内上层油温，监视变压器是否正常运行。2、牵引变压器电气数据：高压绕组：额定电压：25KV；额定电流：226A额定频率：50Hz；低压绕组：额定电压：1551V；额定电流：910A；额定功率：1411KVA。使用条件：零下25摄氏度到四十摄氏度，相对湿度小于等于百分之九十五。【8】3、牵引变压器的工作原理：电流通过原边绕组时在铁芯中激发磁场，由于电流的方向和大小在不断的发生改变，因此铁芯中的磁场也时刻发生改变。变化的磁场在副边绕组处产生感应电动势，所以尽管两个绕组没有导线连接，副边绕组仍可以输出电流。电磁感应现象是变压器完成工作的基础。牵引变压器的原边绕组跨接于三相电力系统的其中两相，来自接触网的电流发生变化，其产生的磁场变化传输到副边绕组，副边绕组侧产生感应电流，副边绕组与牵引侧母线连接，另一端与轨道及接地网连接。变压器通过改变高压线圈与低压线圈的匝数比，从而达到变换电压的目的，即：U1:U2=N1:N24、牵引变压器与其他高压电器的配合：牵引变压器又称主变压器，是牵引控制系统的重要部件之一。来自接触网的三相交流高压电通过受电弓将电能传导到机车上，在主断路器VCB闭合后，电能经过电流互感器然后进入牵引变压器，牵引变压器将AC25KV/50Hz的一次电压降为AC1850V/50Hz的二次电压，然后经过牵引变流器变流分别传输到电动机变流器与充电机中，成为可驱使牵引电机和负载的电能，满足列车牵引与再生制动以及列车正常用电的需求。四、牵引变压器异常现象：1、牵引变压器声音异常：原因：（1）过电压，过负荷。变压器内、外零部件松动。外部放电。内部接触不良或绝缘击穿放电。匝间短路。分接开关接触不良。2、正常状态下，牵引变压器上层油温异常升高：原因：（1）由于涡流或夹紧铁芯用的穿芯螺栓绝缘损坏。绕组局部层间或匝间短路。分接开关内部接点故障，使接触电阻增大。温度计故障。铁芯叠片短路或检修不当引起铁芯发热。3、轻瓦斯保护动作：原因：（1）变压器滤油、加油或冷却系统未完全密封，使空气进入变压器。温度下降或漏油，使油面缓缓下降。变压器内部故障或局部发热产生少量气体。直流回路绝缘破坏或瓦斯继电器触点粘连导致轻瓦斯保护误动作。五、牵引变压器常见故障：1、牵引变压器内部故障：、牵引变压器放电性故障：绝缘介质中存在放电现象，从而导致牵引变压器使用寿命的减少。正常情况下，放电越弱，变压器使用的寿命就越长。放电现象的出现，会使变压器的绝缘层遭到破坏，从而使得变压器发生故障的概率增大。【1】放电性故障种类：A：局部放电：固体绝缘材料与变压器内部液体之间形成路桥而发生的故障现象。【2】B：低能量放电：一般是火花放电，是一种间歇性放电，通常情况下发生在变压器、互感器或套管中。【2】C：高能量放电：又称电弧放电，通常是突发性的，发生前没有明显的征兆。【2】、牵引变压器过热性故障：当牵引变压器内部发生过热性故障时，由于局部温度较高，从而导致热点附近的绝缘介质发生热分解并析出气体。变压器内油浸绝缘纸，开始热分解时产生的主要气体是CO2，随着温度升高，产生的CO含量也会增多。热点的温度常会从低温往高温逐渐变化，导致绝缘层劣化与热分解，甚至会迅速发展为电弧性热点而造成设备损坏。【1】过热故障的原因：A：变压器的接触点接触不良。【2】B：变压器的磁路发生故障。【2】C：变压器发生导体故障。【2】、牵引变压器绝缘性故障：变压器油是牵引变压器的绝缘材料的一种，变压器油的质量影响变压器的运行质量。在变压器油质量下降后（有水进入变压器内部，造成油的劣化）【2】，绝缘击穿电压大于变压器油的极限电应力后，发生绝缘性故障。【1】、牵引变压器过流故障：通过的电流过大，对牵引变压器造成绝缘损坏，而且引起过流的原因也可能为牵引变压器本身的故障。过流故障可能的原因：A：高压线圈的外层导线烧损。【9】B：引线放电。【9】C：显示的变压器保护电流与实际电流不一致。【9】2、牵引变压器冷却系统故障：牵引变压器的冷却方式可分为四种，油循环自冷、油循环风冷、强迫油循环水冷、强迫油循环风冷。现在主要使用的是强迫油循环风冷。冷却系统的运行：温度继电器通过对油箱内温度的监测，在变压器油温度过高时，由油泵从油箱内完成变压器油的抽出，通过油流继电器控制变压器油在冷却系统中的流速（确保抽出的变压器油均匀受冷），在经过油冷却器的时候，被从冷却风机送出并通过风管与调风栅之后风进行风冷，风冷后变压器油重新变为低温进入油箱。【3】、牵引变压器油泵故障：油浸式牵引变压器的冷却方式是强迫油循环风冷，而要实现强迫油循环风冷，油泵是其中的关键部件。油泵将牵引变压器油箱中的变压器油抽出，使变压器油可以进入之后的风冷环节，在风冷之后，变压器油重新注入油箱中，达到变压器油从高温到低温的转变。当牵引变压器发生油泵故障或其偏离正常的工作状态时，冷却系统无法达到最优的运行，变压器油不能及时有效的降到合适的温度，从而可能引发牵引变压器故障，影响运行安全。【4】、牵引变压器冷却风机故障：冷却风机的电源电压与频率是控制系统根据油温与速度等数据进行自动调节的。当运行时控制系统没有及时改变供电的电源电压与频率时，冷却风机不能达到其额定功率，使得冷却系统没有正常工作，导致冷却系统故障。【5】、牵引变压器通风支路故障：通风支路被堵塞，导致送往油冷却器的风量不足，使得变压器油不能及时冷却，造成冷却系统故障。【5】牵引变压器爆裂故障：牵引变压器线圈短路故障发生后一次侧过流会导致主断路器跳开，箱体内由于事故点瞬间释放很大的能量，变压器油局部分解汽化，产生的气体会使压力骤增至正常工作压力的几十倍，使变压器油产生液态冲击，从而引发爆裂故障。【6】4、牵引变压器切除故障：当高压系统出现故障或监测到牵引变压器起到保护作用时，车载网络系统就会发出变压器降载指令或是切除指令，起到对牵引变压器与其他高压设备的保护作用。可能导致故障的原因：（1）：高压接触器断开。【7】（2）：过压阀故障。【7】（3）：油流开关干涉。【7】G281次动车组事故分析与设想：事故案例：2018年1月25日11时53分，从青岛始发开往杭州东的G281次列车运行途中发生电气设备故障，并冒烟，于是决定临时停靠定远站。进站后列车2号车起火，不久后火势扩大，2号车车体被烧穿，事故并未造成人员伤亡。事故列车编号5522号，隶属于济南铁路局青岛北动车运用所，列车停靠定远站属于上海铁路局管段。根据调查结果显示，2号车底部的牵引变压器是最先发生故障的电气设备。2、分析：事故首先是在2号车的牵引变压器处发生，在事故发生之前，异常现象只有冒烟，并未有异常声音传出，大概率表明是温度的升高。之后2号车出现火灾，亦说明可能是2号车牵引变压器处温度异常升高并无法及时散发进行冷却，当温度达到足够高时，就使得其高于燃点，进而引发火灾。根据温度升高而言，变压器可能出现变压器过热性故障或冷却系统故障，而因为故障发生时并未出现异常声音，即不会发生爆裂故障，变压器过热性故障会析出CO2和CO气体，进而可能产生爆裂事故，从这一点来看，变压器发生过热性故障的可能性较低。因此导致该事故的原因极大可能为冷却系统故障。在牵引变压器中，变压器油、散热器、油泵等部件都是与冷却息息相关的组成部分。3、设想：该事故的发生一定程度上可以说是在温度异常时并未及时发现导致，那么在这一方面，是否可以使温度变化及时呈现在司机操作室中，让司机可以及时了解情况并进行正确的处理。要建立牵引变压器与司机控制室的连接，即牵引变压器温度异常现象可以在MON屏上显示。首先需要在系统中建立关于牵引变压器温度异常的信息，使得故障发生时，MON屏上会产生警示，司机可通过点击MON屏上的“故障详情”键，了解出现的问题。其次是温度异常的反馈，在牵引变压器处安装一种温度继电器，在其达到一定温度的条件下，温度继电器产生动作，并将报警信息通过与列车信息系统的连接，发送至司机控制室的MON屏上。铁路的初心是为人民服务，因此在发生事故时，乘客的安全对铁路人来说是至关重要的，在报警信息发送至司机处时，司机需进行判断是否可以继续行车。在保证安全的前提下继续进行行车，应该对该故障变压器进行切除，防止其工作而导致温度继续升高。因此，司机可在MON屏上进行操作，首先司机通过远程控制指令先断开VCB，降下该牵引变压器回路上的受电弓，之后换弓运行，升起另一受电弓并对VCB进行闭合处理，从而断开该牵引变压器，使得其温度不会继续升高。在不影响继续行车和安全性的条件下，然后司机告知随车机械师发生的故障情况，由机械师使用检修设备对可能故障的牵引变压器进行检测，逐一排查可能导致故障产生的零部件，发现问题并进行解决。如确定问题不能在车上解决时，送回段内进行检修作业，将故障情况与记录进行对接，由段内检修人员对该牵引变压器拆除并进行相应的实验检查，对故障部位进行更换处理。确定温度继电器报警的温度，必须经过多次变压器检测，记录出正常工作状态下牵引变压器温度的波动范围，进行统计绘图结合算法找出两个科学的温度临界点，当实时温度不在两波动点以内时，让温度继电器产生动作并报警。七、总结：突发性故障出现的频率在牵引变压器导致的事故中占据重大比重，减少突发故障的发生对铁路运行安全而言是关键的。所以提前对牵引变压器各部件运行时正常状态进行统计分析，建立牵引变压器各部件状态曲线范围，通过用测量检测设备不定时检测对比该曲线范围，对可能出现的故障进行提前预防，增加安全系数，减少故障发生率以及避免不必要的检修工作，节省费用与时间。【11】致谢：时光匆匆，转瞬即逝。三年的大学生涯，充满欢乐，遨游在知识的海洋，不断扩充我们对专业的理解与认知。论文即是对我们学习的一种检测，一种总结。论文的写作过程，不像之前想象的那么容易，论文题目的确立、资料的收集与整理、内容的扩充与整改以及对其进行查重修改，都像是一道石门，只有不断的推动，才可能走到另外一面。过程充满艰难，唯有努力方有收获。在这期间，指导老师姚老师给予了我重要的帮助，首先在论文题目的确立方面，之前的我不能明确我要的方向，一会这一会那，不能明确自己的目标，是老师的指点——论文的目的是要使自己获得知识，对未来可能有所帮助，并帮我分析了我想的各个题目对我的意义，最终使我明确目的。其次，老师对我们论文资料的收集格外重视，告诉我们资料可以帮助我们更好的吸收前辈的意见，吸收他们的思想，对自己进行补充。未防止我们遗忘所选择资料的目的，更明确了我们要将所选资料的目的在最后进行标注，使我们可以更好的利用资料。老师的催促和叮咛，使得论文可以及时的完成，不然按照我拖拉的个性，可能会推脱多日。在这还要感谢任课老师的教导，没有之前老师孜孜不倦的教导，专业知识方面的了解