关于HXD3B机车主变压器运用中的故障原因分析

关于HXD3B机车运用中的故障原因分析

摘要：本文通过对HXD3B机车主变压器运用中产生故障问题的质量分析，查找影响主变压器故障的原因，彻底消除既有机车存在的质量隐患。

关键词：HXD3B机车主变压器接地故障调查采取措施

HXD3B机车是近两年来连车公司生产的大功率货运机车，自投入批量生产以来，在天津、沈阳等机务段运用过程中经常出现布赫继电器频繁动作，造成停车故障，为此要求连车公司进行质量问题调查，下面就该主变压器的结构及质量问题调查的结果和采取的措施做具体的汇报：

一、HXD3B机车主变压器的结构

JQFP－11620/25型电力机车主变压器采用下悬式安装方式的一体化多绕组变压器，内装一台牵引变压器和三台谐振电抗器，冷却方式为强迫导向油循环风冷。

1. 主变压器的主要特点：

1. 1采用下悬式安装方式的一体化变压器，强迫导向油循环风冷方式。

1. 2 变压器采用心式卧放结构，A级绝缘，普通矿物油。

1. 3采用全分裂结构，满足总体对主变绕组的电磁疏耦合要求。

1. 4绕组结构采用层式，绕制工艺较为简单。高压绕组导线采用Nomex纸绝缘半硬线，具有耐热等级高，机械强度大的特点，牵引绕组导线采用自粘性换位导线，Nomex纸绝缘。

1. 5高阻抗绕组结构，使变压器内部空间漏磁场很强，大量采用

无磁结构件，油箱内部加磁屏蔽。

1. 6.变压器内部油路采用强迫导向结构。

1. 7为符合整车在-40℃使用的要求，油箱材质采用耐候钢

板。

1. 8全铝板翅式冷却器，变压器与冷却装置分开布置，油循环系统分为两路。

2. 主变压器的接线原理图（见图1）

3. 牵引变压器结构介绍

3.1牵引变压器器身结构介绍

牵引变压器的器身是由铁心、线圈以及上、下铁轭绝缘组成（见图2、3）。

3.2 牵引变压器的铁心

牵引变压器铁心为拉螺杆心式结构，主要组成部分是硅钢图1 主变压器的接线原理图

图2 主变压器的器身 图3 主变压器的器身

片、上夹件、下夹件、拉螺杆等。心柱采用多级近似圆形的截面，直径Φ315㎜；铁轭为矩形截面；为提高强度铁心接缝采用直接缝。心柱硅钢片冲孔,叠片时起定位作用，叠片整齐、工艺简单。心柱两端去级用不锈钢板夹持,铁轭用穿心螺杆使硅钢片与夹件构成一个整体。

上、下夹件由不锈钢板焊接而成。为提高刚度，腹板和肢板之间焊有加强筋，2个上夹件之间和2个下夹件之间用穿心螺杆紧固。为了实现强迫导向冷却，下夹件除用作夹紧铁心外，尚具有集油腔的功能。两个下夹件通过联接管路，使油压均衡，同时提高了夹件的刚度，不易变形。冷却油通过油管进入夹件集油腔，然后再流向线圈各层。上下夹件依靠6根拉螺杆紧固器身。

铁心装配见图4。

图4 牵引变压器的铁心

3.3 牵引变压器的线圈

牵引变压器有左、右柱2个线圈，每柱线圈各有3个牵引绕组以及和其相对应的3个高压绕组，牵引绕组在内，高压绕组在

外。

为了满足高阻抗的要求，线圈采用全分裂结构。6个高压绕组相互并联；6个牵引绕组之间互不相连，相互退耦，尽量减小彼此影响，满足整车对主变压器牵引绕组之间为疏耦合的要求。变压器线圈采用层式结构，绕制较为方便。高压、牵引绕组导线外包绝缘均采用Nomex纸，提高变压器使用寿命，增加线圈机械强度。变压器谐波电流大，为降低绕组附加损耗，牵引绕组采用自粘性换位导线绕制，绕制工艺简单。每个牵引绕组在单独工作状态下，阻抗电压都在48%左右。

3.4牵引变压器的引线

引线结构采用欧洲电力机车主变压器中广泛使用的典型结构（如图6所示）。引线设计结构紧凑，顶上出线，引线不用铜排，采用电缆出线，电流大的引线采用多根并联，可以随意弯曲，占用空间少。引线电缆连接采用冷压接工艺，操作简单。

图5 牵引变压器的引线

变压器内部有2块层压木板作为托板，上面放置各出线端子的导电杆。出线端子的导电杆是由铜板和铜棒焊接而成，导电杆

在层压木板摆放位置靠其上的定位钉定位。由层压木棒构成的引线支架布置在相间位置，引线支架固定采用绝缘螺杆和方形绝缘螺母，拧紧后点上乐泰绝缘胶，防止松动。引线电缆在引线支架中整齐排布，再用热缩带将其与支架绑扎牢固，最后在对应各自端子位置引向导电杆。

引线电缆固定好后，接线端子和导电杆安装牢固，再安装下瓷件和密封圈，接着落箱盖，调整固定后再安装密封圈和上瓷件，最后按力矩要求拧紧上端的紧固螺母，完成引线装配。

2.6油箱及油管路

油箱采用耐候钢板Q-345E焊接结构。4个安装座各用4个M24螺栓把变压器与车体底架连接起来，吊挂式安装要求绝对安全。外部采用槽钢作加强筋，构成网状结构。安装座位置焊有补强板及加强筋。油箱内壁焊接磁屏蔽。在油箱下部装有放油塞，油样活门，注油用活门。油箱见图6。

图6 牵引变压器的油箱

变压器有两个油路，分别设有PT100温度传感器，检测两个变压器油循环支路的出口油温。端部为进油区,中部为出油区。两个进油区有管路连接，保持两端油压平衡。上部热油在中间被潜油泵抽出，经蝶阀，油流继电器，被强迫风冷却后经油管和蝶阀由油箱两端进入油箱集油腔，再通过夹件集油腔进入器身下压板环形油腔、下铁轭绝缘缓冲分流后进入线圈，在线圈层间流动，

由线圈上铁轭绝缘处流出。电抗器安装板上开有出油孔，按功率损耗比例将冷却油流分流出一部分供电抗器冷却，油箱集油腔引出2根细管至油箱顶部，使热油充分参与整个变压器的油循环（见图7、8、9）。

图7 牵引变压器

图8 牵引变压器下铁轭绝缘

图9 牵引变压器油循环示意图

以上为HXD3B机车主变压器线圈、铁心、引线、油循环的特点。

二、牵引变压器在段运用故障及原因分析

HXD3B机车牵引变压器在段运用以来，经常出现布赫继电器频繁动作，布赫继电器是用来监测变压器内部气体含量和气体流速的，它分为两级，当气体体积达到250~300ml 时报警，为一级保护，当气体流速达到1m/s时跳主断，为二级保护。3B

机车主变压器故障经拆检分析分为3种情况，以下介绍故障原因及采取措施：

1. 变压器夹件与箱体固定座虚接

变压器箱体有4个固定座，与变压器夹件相连，既起到固定作用，又起接地作用。变压器内部漏磁场在变压器器身的夹件产生悬浮电位，而夹件和箱底由于焊接产生变形，如接地不可靠，造成安装时两者接触面恰好为放电间隙时而产生的放电，使油裂解气化产生气体，使布赫继电器动作，这是变压器内部钢结构间的放电。连车公司解决措施是从201台开始在靠近箱体底侧的上

下夹件两端开设螺纹孔，在油箱内壁与之对应的附近位置各增加一个接地座，共4个，用35mm2接地线将夹件和油箱箱壁连接，保障夹件的可靠接地（如图10、11）。对于200号以前的机车，在两年检时进行接地改造，若在段出现气体含量超标，进行返厂改造。

2. 引线固定后与箱盖电气间隙过近

在苏家屯机务段出现两台主变压器A1~A5绕组引出线的汇接端子处绝缘破损，箱盖与其对应位置发生放电熔蚀。现场测量引线放电处的电气距离为34mm，比安全距离要求的38mm略小，这是造成高压引线放电的直接原因。（具体见图12、13）

高压引线距箱盖电气距离的设计值为44mm，设计距离是满足安全距离要求的。造成实际电气距离小的原因如下：1）、引线的汇接端子冷压后产生棱边，端子冷压形成的凹面应与箱盖保持水平放置，而故障点的汇接端子与箱盖垂直，端子棱边与箱盖间

图11 在箱体上焊接接地座图10 在夹件筋板加装接地线

图12 引线端子放电处图13 变压器箱盖放电处

形成尖角放电；2）、由于箱盖的焊接变形，造成箱盖中间部位下凹，也造成了高压引线和箱盖的电气间隙减小。

这种问题共计出现两台，属于个例问题，为避免以后发生该类事故。改进走线方式，去掉走线托架，将引线走到托板下面，完全可以避免该处产生放电故障。

3. 铁心夹板导磁

HXD3B第0130号和第0192号机车主变压器在段反馈布赫继电器频繁动作，进行返厂检查，吊出线圈后，发现铁芯柱的4块不锈钢夹板局部表面发黑，夹板与铁芯柱间的绝缘纸板以及夹板与绝缘筒间的木撑板1/3表面黑糊。从上述现象可以初步判断，由于铁芯不锈钢夹板低温过热，使铁芯柱填充的纸板和木撑板绝缘老化，产生大量气体，因而造成布赫继电器频繁动作保护。

通常导磁金属在磁场作用下，会在本体中产生涡流，大小与其自身的导磁率有关，导磁率高的金属会产生高的悬浮电位，进而产生较大的涡流，涡流损耗使自身发热。而铁芯夹板位于变压器的铁芯和线圈之间，此处的漏磁场较强，设计时夹板选用无磁性钢材料，避免夹板因漏磁产生的涡流过热。

铁芯夹板采用的材质为0Cr18Ni9，按照GB/T 20878-2007《不锈钢和耐热钢牌号及化学成分》中规定该材质为奥氏体型不锈钢，无磁性。

对目前使用的夹板采样送理化中心进行材质分析，材料的化学成分满足国标要求，但铁素体含量为10%~15%。如果不锈钢中铁素体含量较高时，就会具有磁性。因此可以判断故障的根本原因是铁心夹板使用的材料铁素体含量偏高，具有导磁性，在变压器漏磁场作用下产生低温过热，进而造成铁芯纸板绝缘老化。

采取的措施：

3.1 连车公司对夹板进行高温固熔处理，处理后的夹板铁素体含量仅为2％～3％，达到设计要求。

3.2 连车公司将未出厂的共计19台变压器铁芯夹板进行全数更换，保证325号车以后全部是经过高温固熔处理的夹板。

3.3 对已出厂机车主变压器状态进行及时监控，有布赫继电器频繁动作的机车立即返厂检修，对目前运用状态正常的HXD3B机车进行2年检时，根据吊芯检查情况和油样化验的结果判定是否更换。