基于介电谱测试的牵引变压器绝缘状态评估技术及应用

第1章　概述 1.1　电气化铁路与牵引供电系统 电气化铁路是国家重要的交通基础设施，也是资源节约型和环境友好型的运输方式之一，具有经济便民、全天候运输、运能大、节能减排、高效等特点，在我国综合交通体系中处于骨干地位，加快电气化铁路的发展已经成为社会各方面的共识。一方面，我国已有和正在规划、建设的国内和国际铁路运输通道对于资源、物资的输入与输出，具有重要的经济意义；另一方面，电气化铁路是强化控制和保护领土的*有效的工具之一，其地缘政治战略和国防安全作用毋庸置疑；电气化铁路网是连接各大经济区域之间的大动脉，对建设资源节约型、环境友好型社会和国民经济可持续发展具有重要的政治、军事和经济意义。 从1952年7月1日我国**条电气化铁路（宝成铁路线，宝鸡至凤州段）开始修建，截至2020年7月中国电气化铁路总里程已经累计突破100000km，电气化率达71.9%，位居世界**。我国拥有规模庞大的铁路网络，自2007年实施了第六次全国铁路大提速，铁路基础设施的改善为城市服务业创造了良好的发展环境。同时作为中国对外的一张名片，中国高速铁路在路网建设、科技创新、产业化能力等方面取得了巨大的成就。中国已开通运营高速铁路里程位居全球**，超过世界其他国家高速铁路运营里程的总和。中国高速铁路以“八纵八横”为骨架的网络基本成型，这是世界上规模*大的高速铁路网络，连通覆盖了中国大陆除西藏外的所有省、自治区、直辖市和香港特别行政区。我国高速铁路网络覆盖将进一步扩大，路网结构将更加优化，骨干作用将更加显著，将更好地发挥铁路对经济社会发展的保障作用。 电气化铁路运营的核心保障是牵引供电系统的安全可靠运行，牵引供电系统由牵引变电所、馈电线、接触网、轨道回流线、钢轨等组成，电气化铁路牵引供电系统如图1-1所示。 发电厂或电网输入的电能通过牵引变电所的牵引变压器转换成适合电力机车牵引要求的电能，通过馈电线送到接触网，电动车组受电弓和接触网的滑动接触，牵引电能由接触网进入电力动车组单元驱使牵引列车运行，轨道完成导通回流，通过轨道回流线把导轨中的回路电流导入牵引变电所的牵引变压器。牵引变压器作为牵引供电系统的核心设备，其独*的负载特性，需要更加准确地掌握变压器的绝缘状况，维护和保证其良好的电气和机械性能，减少事故发生。因此，对牵引变压器绝缘状态评估开展研究，对绝缘状况和故障信息进行诊断，掌握牵引变压器的运行状态，制定科学、合理的运行、维护以及更新计划，对提高牵引变压器的可用率和整个电气化铁路的可靠性而言，都具有重大意义。 1.2　牵引变压器结构及接线方式 1.2.1　牵引变压器主要部件及作用 牵引变压器是牵引供电系统的核心设备，主要完成降压和传递能量的作用。将三相电转换成两相电（两供电臂）为电力机车提供电能，同时牵引变压器具有负载率高、负载波动大（甚至会出现单相负载情况）和谐波含量高等负载特性。牵引变压器主要为油浸式变压器，整体结构如图1-2所示，绕组实物图如图1-3所示，它主要由铁心、绕组、油箱、高压套管、油枕、防爆管（压力释放器）、净油器、散热器、呼吸器、温度计（散热风机及控制回路、温度量/电量转换装置）、瓦斯继电器（气体采集器）、油位表、变压器油、分接开关（有载调压装置）等组成。牵引变压器各主要部件及其作用如下。 （1）铁心：是牵引变压器*基本的组成部分之一，由硅钢片叠装而成，牵引变压器的一、二次绕组都绕在铁心上。铁心必须单点接地，其接地引出线通过磁套管从变压器上部引出，在油箱外接地。 （2）绕组：用铜线或铝线绕成圆筒形的多层线圈，分一次侧绕组和二次侧绕组，其都绕在铁心上，导线外边用纸或沙包绝缘。通过改变一次侧绕组和二次侧绕组的匝数达到转换电压的目的。 （3）油箱：是牵引变压器的外壳，内部充满变压器油，铁心与绕组浸在变压器油内。变压器油的作用是绝缘与散热。 （4）高压套管：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。高压套管的作用是绝缘和支撑。 （5）油枕：牵引变压器油因温度的变化会发生热胀冷缩的现象，油面也会因温度的变化而上升和下降。油枕的作用是储油和补油，保证油箱内充满油，同时油枕缩小了变压器与空气的接触面，减慢了油的劣化速度。油枕侧面的油位表还可以监视油的变化。 （6）呼吸器：油枕内空气随变压器油体积的膨胀或缩小，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。 （7）防爆管：装于牵引变压器顶盖上，管口用薄膜封住。当牵引变压器内部发生故障时，油箱内温度升高，产生大量气体，压力也随之增大，油和气体便冲破防爆管口薄膜向外喷出，防止牵引变压器油箱爆炸或变形。 （8）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，流回油箱以降低牵引变压器的温度。为提高冷却效果可采用风冷、强迫油循环风冷、强迫油循环水冷等措施。 （9）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；当牵引变压器内部无严重故障时，接通信号回路。 （10）温度计：用来测量油箱内上层油温，监视牵引变压器是否正常运行。 1.2.2　接线方式 电气化铁路中牵引负荷为单相负荷，因此需要牵引变压器通过电磁感应原理将电力系统的三相电转变为单相电以供电力机车使用。电气化铁路中的供电方式主要包括直接供电方式、吸流变压器-回流线方式（BT方式）与自耦变压器方式（AT方式）三种，直接供电方式和BT方式基本采用三相YNd11接线方式（图1-4），也可采用单相V/v接线方式（图1-5），AT方式主要采用三相变两相的斯科特（Scott）接线方式（图1-6）与V/x接线方式（图1-7）。 1.三相YNd11接线方式 三相YNd11接线方式（图1-4）中，牵引变压器的高压侧通过引入线按规定次序接到110kV或220kV三相电力系统的高压传输线上。变压器低压侧的一个角与轨道回流线连接，另外两个角分别连在母线上。由两相牵引母线分别向两侧对应的供电臂供电，两臂电压的相位差为60°。 设次边两负荷相等，以为基准量，即，得到原边、次边电流关系如下： （1-1） （1-2） （1-3） 2.单相V/v接线方式 将两台单相变压器以V的方式与三相电力系统连接，具体接线：一台变压器的原边一端接A相，另一端接B相；另一台变压器的原边一端接C相，另一端接B相，如图1-5所示。 设变比为K，则原边、次边电流关系如下： （1-4） （1-5） （1-6） 3.Scott接线方式 Scott接线方式可以采用单铁心结构，也可以采用双铁心结构，其接线如图1-6所示。 原边电流关系如下： （1-7） 当次边两相牵引负荷电流相等且两供电臂功率因数相等时，以为参考相量，即，，则得到 （1-8） （1-9） （1-10） 4.V/x接线方式 V/x接线牵引变压器是三绕组变压器，每相有两个次边绕组，次边绕组的匝数是V/v接线牵引变压器的2倍，如图1-7所示。