吴光龙



一种新型电气设备故障检修校验装置的设计与应用

吴光龙

提出一种新型电气设备故障检修校验装置设计，并通过一起所用变压器故障检修实例对该设计装置进行应用分析，说明该装置设计在电气设备故障检修中的作用。

故障检修；铁路牵引变；便携式；保护录波

0 引言

铁路是国家重要的交通基础设施，也是资源型和环境友好型运输方式之一，加快铁路发展已成为社会各界的共识。铁路不仅是国民经济发展的大动脉，而且兼具安全、经济、便民、实惠、全天候运输，速度快、运能大、安全舒适、节能省地、减排高效等特点，这些特点决定了其为大众化的交通工具，也决定了其在我国综合交通体系中的重要地位。

电气化铁路牵引变电所设备的安全对铁路牵引供电至关重要。目前电气化铁路牵引变电所易发故障包括电力电缆故障、自耦变压器故障、接触网故障以及绝缘子绝缘能力下降、电能谐波等引起的牵引变电设备故障等，这些故障大多存在一定潜伏时间，若不及时发现和处理，将引发严重事故并伴随重大损失[3～9]。作为铁路运营维护人员，研究和掌握设备运行情况，及时发现和消除故障隐患，提高设备运行质量，对提高牵引供电系统的安全性和可靠性，保证设备正常运行具有重要的实际意义。

本文提出一种综合故障录波、保护、自带电源及后台管理软件等多种功能为一体的电气设备故障检修校验装置，并通过故障检修应用实例分析，说明该装置设计在电气设备故障检修中的作用，与现有常规方案相比具有更好的效益。

1 检修装置设计概述

目前，多数牵引变电所内供电系统虽然已经配备了完善的保护设备和相应设施，但是在发现设备自身故障和检修、校验方面仍然存在薄弱环节，自动化程度低，同时一些测试仪器通常存在功能单一、精度和工作质量差、使用繁琐、性价比低等问题。针对该情况，提出一种基于便携式设计的综合保护录波检修校验装置。该装置设计以高精度、高密度数据采集为检修校验分析基础原理，融合了保护、录波、故障自动判别以及故障自动切除等功能，同时自带压值可调的标准恒压电源、支持自匹配的信号转换器以及功能丰富的后台软件，能够满足大部分电气设备的日常维护、故障检修、故障分析及校验等工作。

装置由可调低压稳压电源、低压断路器、（断路器）控制单元、便携式数据同步录波单元、匹配互感器和后台软件等部分构成。可调低压稳压电源可按需输出稳定电压，回路中串入低压断路器和相应的控制单元，可实现自动保护跳闸，保护回路中设备的安全；便携式数据同步录波单元用于对多路模拟量和开关量进行高时间精度同步录波，与后台软件通信可进行多通道相互关联分析，实现故障自动判别、自动触发故障录波等功能。为保证电气信号检测精度与准确度，同时拓展装置适用范围，装置具备以下技术特性：

（1）便携式数据同步录波单元可实现高频、同步采集32路模拟量和16路开关量通道信号；

（2）便携式数据同步录波单元采用16位高速A/D芯片，每通道采样频率高达10 kHz，开关量分辨率可达0.1 ms；

（3）该装置不仅可监测普通电压、电流等信号，还可实现对电网电能质量的计算监测，包括频率偏差、电压偏差、三相电压（电流）不平衡度、谐波等（表1）；

（4）各种电气信号均可通过匹配合适的互感器转换为3.53 V以下电压信号，并采用该装置进行故障检修；

（5）该装置能够自动判别异常状况，实现故障波形自动记录，触发启动方式多样，包括突变、越限、开关量动作及手动启动等；

（6）便携式数据同步录波单元可接入校时信号，多个采集设备共同构成故障录波系统，适合大规模电气设备及相关系统的测试、检修。

该装置全部采用便携式设计，体积小、质量轻，且能长时间带电带载运行，适合各种检测场合。同时后台软件具备强大的数据分析功能，例如峰值/有效值分析、谐波分析、阻抗分析、相角分析，还具备图形界面处理功能，通过缩放、对比等直观显示数据结果，有利于提高分析速率，提高工作效率。

表1 功能详表

2 应用分析

2.1 故障概况

在对某变电所交直流设备进行检查及缺陷处理时，发现交流屏存在告警信息，在对1#进线电压进行测量时发现B相无电压，值班人员向电调申请拉开所用变隔离开关，对1#自用变熔断器进行检查，发现1RD熔断器熔断。

造成高压熔断器熔断的直接原因是过电压、过电流等，其根本原因可能是铁磁谐振产生的过电压或系统三相对地电容产生充放电等，也可能是其他设备故障造成过电压、过电流[10]。尽管设备告警故障未造成严重后果，但该现象可能成为牵引变压器的安全隐患，而牵引变压器是牵引供电系统与电力系统衔接的重要电气设备，其能否正常运行直接关系到电气化铁路能否安全、可靠和高效地运行，如果按照常规办法处理即对熔断器进行更换后向电调申请合上所用变开关，不进行故障分析，将可能错过消除设备隐患的最佳时机。

2.2 故障查找与处理方案

目前，常用的变压器故障检测方法是测试变压器直流阻抗，可检查绕组接头的焊接质量和绕组有无匝间短路，电压分接开关的各个位置接触是否良好以及分接开关实际位置与指示位置是否相符，引出线有无断裂，多股导线并绕的绕组是否有断股等。但市场现有的直流阻抗测试装置性能不一，对于存在隐患但阻抗变化不明显的变压器，容易造成隐患漏诊。本案例中，首先利用普通阻抗测试装置对变压器绕组直流电阻进行测试。直流电阻测试数据如表2所示。

表2 故障检测前直流电阻测试数据

电气设备试验规程规定：对于1.6 MV·A及以下的变压器，相间差一般不大于三相平均值的4%；线间差一般不大于三线平均值的2%。

高压侧三线实测电阻值的平均值为

AB线与BC线间电阻差为

AC线与BC线间电阻差为

该所用变压器接线方式为三角形顺联接线，如图1所示。

图1 变压器接线

将线电阻换算为相电阻：

对于高压侧绕组的AB线与BC线、AC线与BC线线间直流电阻差值分别为5.3W和5.5W，差值均不大于三线平均值的2%，相间阻抗差值不大于三相平均值的4%，三相基本平衡。考虑到该变压器可能存在性能下降趋势和普通直流阻抗测试装置本身误差等因素，不能直接排除变压器不存在隐患故障点。为探究变压器是否存在故障隐患，采用本文所述新型故障检修装置对其进行检测，检测装置接线及原理如图2所示。

图2 故障检修装置结构及检测原理

装置故障检测工作原理：低压电源为电压值可调的理想稳压低压电源，直接施加在变压器高压侧，用于检测变压器各相电压承受能力，记录工作波形。断路器与低压电源串联，接受控制单元控制，可在故障时迅速切断回路，确保变压器等设备安全。保护控制单元与便携式数据同步录波单元及后台软件通信，用于实现断路器保护动作自动判断和控制。便携式数据同步录波单元通过高频、同步采集变压器各侧各模拟量，记录实验数据，与后台软件通信，实现故障自动判别和数据自动记录。匹配互感器用于将被测信号转换成便携式数据同步录波单元可直接采集的小电压信号。软件后台对便携式数据同步录波单元各模拟量数据进行收集和实时处理，判别异常数据和故障信息，并触发故障录波，同时与控制单元通信，实现自动保护功能，保障变压器设备安全。

检测时，分别对被测相间高压侧施加电压值可调的稳压源，并串联保护断路器，通过匹配互感器（PT、CT等）将被测相别的高压侧电压、高压侧电流、低压侧电压转换成小电压信号并接入便携式数据同步录波单元；搭建保护控制单元与断路器、便携式数据同步录波单元、软件后台的通信链路；通过后台软件对故障触发条件和相关定值进行设定，并启动故障录波程序；然后由低到高逐渐增加稳压电源电压值，电压增至最高后，逐渐减小电源阻抗，直至电压输出最大，阻抗输出最小，并持续一段时间，若未发生保护动作，则手动启动录波，记录此时各监测数据；若在检测过程中发生保护动作或故障录波，则停止增加电源输出，对故障录波数据进行分析。

2.3 故障数据分析

按上述方案依次对变压器高压侧AB、BC、AC线间进行加电源检测及录波，检测过程中，AB、AC两线间高压侧可承受大电流通过，BC线间高压侧承受电流较大时发生保护跳闸动作并触发故障录波。AB、AC线间波形报告及BC线间故障录波图形报告如图3所示（为便于分析，图形处理已剔除涌流成分）。

AB线间波形如图3（a），数据显示高压侧电压为379.454 V（取5个时刻平均值），电流为 1.352 A（取5个时刻平均值），阻抗280.66W，低压侧电压14.397 V，电流持续10 min无异常，波形持续正常，阻抗范围符合相应等级变压器参数。AC相波形如图3（b），数据显示高压侧电压为379.536 V（取5个时刻平均值），电流为 1.350 A（取5个时刻平均值），阻抗281.13W，低压侧电压14.398 V，电流持续10 min无异常，波形持续正常，阻抗范围符合相应等级变压器参数。BC线间故障波形如图3（c），显示在发生故障前，高压侧电压为379.545 V，电流为1.409 A，阻抗269.37W，低压侧电压14.40 V，故障时刻后82 ms发生保护跳闸动作，变压器B相高压侧与电源断开，高压侧电压为0，电流为0，低压侧电压为0。

根据波形报告及数据推断，BC线间在承受电流过程中，因本身已出现阻抗降低，过电流偏大，且过电流过程中加剧了故障，阻抗进一步降低，同时过电流偏大触发故障录波并启动保护动作，从故障录波数据阻抗分析可知，BC线间故障时刻阻抗比检测前测量值偏低。

从运行环境分析，该故障变压器运行于兰新客专及敦格铁路，由于特殊的地理位置和气候条件，集高海拔、髙寒、昼夜温差大、常年风沙等特点于一体，敦格铁路沙尘天气更为显著，其供电设备运行环境较为特殊，设计采用供电设备室内布置及室外布置2种方式，一些设备在设计时，未充分考虑运行环境的影响，导致供电系统电能质量较差。结合数据分析结果判断，该故障变压器可能由于在运行过程中谐波过电压或该产品的线圈导线在绝缘加工过程中存在缺陷造成高压绕组匝间绝缘损伤导致匝间短路，或由于变压器高压绕组匝数多、线径细，匝间绝缘击穿导致匝间短路，也可能是受严酷的运行环境、较大昼夜温差和空气湿度等综合因素影响，导致变压器B相绕组绝缘性能降低。

为进一步验证数据分析结果，对故障变压器进行返厂跟踪。变压器返厂后进行吊芯检查，发现变压器器身变形，污染严重，高压侧A、C相无明显变形，B相移位变形较为明显，变压器油碳化较严重。这一现象与上述检测结果和数据故障录波报告、分析结果一致，验证了数据分析结果的正确性。

2.4 方案效益分析

按照一般告警事故处理常规做法，发现B相熔断器熔断后对其进行更换，并测量变压器的直流阻抗位于正常范围内（一些站点在处理此类故障时并不对其进行检测），然后向电调申请合上所用变开关。

按照设备实际情况进行推断，该常规处理方案可能造成以下几种后果：

（1）合闸后装置运行一段时间后，熔断器再次熔断，产生告警，设备未发生严重损坏。而熔断器的工作原理是当电流超过规定值时，以本身产生的热量使熔断器熔断，保护电路中的其他设备。新的熔断器熔断需要电流超过限值并且持续一段时间才能发生。而且不排除熔断器熔断后，维护人员更换略大规格的熔断器的可能，综合因素作用，该情况发生概率不高。

（2）合闸运行一段时间后，该故障变压器绝缘性能继续降低，B相承受较大电流，加剧变压器劣化趋势，导致变压器先于熔断器发生损毁。该变压器为银川卧龙公司生产，管内100 kV·A的变压器有9台，50 kV·A的变压器有24台，变压器故障可能会同时引发一系列设备故障。若按照一般告警事故处理常规做法进行处理，则上述（1）情况发生后，可能仍然不会发现变压器故障，更换熔断器后继续运行，直至发生变压器损毁，造成严重事故和损失。综合来看，该情况发生概率较大。

本文提出的装置采用便携式设计，非常适合故障检修、常规巡检等。装置结合了故障录波、保护、阻抗分析等功能，在操作实施上简单易行，在安全性能上表现良好，功能上实现了半自动化，且能够精确检测故障隐患，自动保存故障数据，解决了直流阻抗测试装置在应用中的缺陷，帮助精确定位隐患和故障点，保护设备并减少损失。

3 装置优势分析

该装置在应用时具有如下优势：

（1）同步录波装置采用便携式设计，使用方便；

（2）可同时对16个模拟量和8个开关量进行故障测试。设计完全能够满足电气化铁路牵引变电所各种设备的多个监测点的故障检测和同步录波，同时配有校时输入端子，能够方便用户进行系统较多监测量的检测故障录波；

（3）自带保护跳闸功能，能够自动检测故障，并控制跳闸，及时保护设备安全，减少损失；

（4）能够对一些设备例如变压器等提供可变电源输入，对不同电压、电流过载状态下的设备数据进行检测，降低漏检概率，解决现有普通设备检测缺陷；

（5）装置设计可应用于多种场合、多重电气设备的故障隐患检修，适应性强，便于携带检测；

（6）后台功能设计可拓展，带有谐波分析、相角分析等综合数据分析功能，为故障分析提供了丰富的工具。

4 结语

本文提出一种综合了保护、故障录波、校验、电能质量分析、阻抗检测分析等多种功能于一体的故障检修装置，尤其适用于一次设备故障潜伏期测试检修校验、早期故障及上位演变为保护跳闸事故的故障查修。针对一起铁路牵引变电所的变压器故障导致的告警事件进行应用案例分析，在故障处理和隐患故障查找上表现良好，验证了该装置设计功能。与一般故障检修常规处理方式进行了对比和效益分析，该方案简单易行，装置便于携带，安全性高，漏检率低，综合功能丰富，可用于多种设备的故障检修维护和系统的常规检修。

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A new type of fault inspection and calibration device for electrical equipment is proposed; the application and analysis, made on the basis of an actual example of a transformer fault inspection, show that the design of the device plays important roles on fault inspection for the electrical equipment.

Trouble shooting; railway traction transformer; portable type; protection recording

U226.7

A

1007-936X(2018)02-0024-06

2017-08-09

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.02.006

吴光龙.中国铁路兰州局集团有限公司嘉峪关供电段，高级工程师，研究方向为电力牵引供电运营管理。