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行业知识

车载变压器故障预测与健康管理的思考与展望

作者:安徽薹戈电子点击:321 发布时间:2023-02-13

车载变压器故障预测与健康管理的思考与展望

研究背景

随着我国高速重载铁路的发展,动车组与电力机车运行的可靠性已成为铁路相关运营维护部门面临的巨大挑战。由于动车组与电力机车需要车载变压器提供动力,因此一般将车载变压器安装于动车组或机车车底。相比普通电力变压器的静态运行状态,车载变压器随列车长期处于动态运行状态,使得其运行条件、工作环境均与普通电力变压器截然不同,且经常会遭受过电压、过电流、负载冲击、散热不良、高次谐波、机械振动等恶劣运行工况与运行环境的影响,长期的累积作用,使得车载变压器绝缘性能下降,出现诸多故障,甚至击穿烧损,进而造成不必要的人员伤亡与经济损失。

另外,为适应其特殊的运行条件与应用条件,车载变压器在安装方式、油纸绝缘系统、铁芯、绕组分布、油箱结构等与普通电力变压器不同,使得其在正常状态与故障状态所表现出的特征也不同,且现有车载变压器诊断评估中大多采用普通电力变压器的分析方法,使其进行车载变压器故障诊断的指向性不强。因此,如何开展车载变压器的PHM技术,成为亟待解决的难点问题。

主要内容

针对目前车载变压器故障预测与健康管理(prognostic and health management, PHM)研究存在的关键问题,梳理了车载变压器 PHM 的体系结构及工作流程(图1、图2),阐明了 PHM 各周期间的逻辑关系,分析了国内外车载变压器状态监测、状态评估、故障诊断、故障预测与维修决策等方面的研究现状及存在和待解决的问题,并探讨了未来开展车载变压器 PHM 值得继续研究的方面,实现动车组与电力机车实时监测、科学评判、精准维修提供理论依据。

后续研究

(1)网压波动与激磁涌流。动车组与电力机车频繁的启动、运行、制动及动车组与机车运行数量变化时,车载变压器不断地承受过电压冲击。一方面,如此频繁、集中的重复作用使Nomex纸纤维结构劣化,产生新生物质附着在绝缘纸表面,加深表面结构的粗糙度,给车载变压器油纸绝缘系统带来损伤。另一方面,在车载变压器高压绕组上产生十分复杂的电磁振荡过程,使得高压绕组局部电场严重畸变,其引入的空间电荷累积效应导致其绝缘损伤,甚至失效。此外,还会使车载变压器铁芯磁密大大增加,励磁电流大幅增加,致使车载变压器的绝缘电气性能降低,严重时烧毁车载变压器。

(2)散热不良与高次谐波引起的过热问题。动车组与电力机车车载变压器一般安装于机车车底,受机车轴重与安装位置的严格限制,其通风、冷却装置极易处于环境温度高、散热片被灰尘覆盖的环境下,使得车载变压器散热不良,引起过热,不仅使绝缘油老化变质,也会破坏Nomex纸的纤维形态和分子结构,加速其老化分解,降低机械强度和电气强度,影响其绝缘寿命。另外,牵引变流器与牵引电机作为车载变压器的负载,使得牵引绕组中含有较大的高次谐波。其不仅使车载变压器的电压发生畸变,产生高频次、大幅值谐波过电压,且使得车载变压器内部产生谐波损耗,累积的热量使车载变压器温度升高,加速绝缘系统老化,从而加快局部放电的发展。(3)运行环境问题。车载变压器较一般电力变压器工作条件恶劣,除了受到网压波动、激磁涌流、散热不良、谐波等运行条件的影响,还要承受来自走行部三个方向的较大机械振动冲击。(4)车载变压器的大数据问题。综合考虑网压波动、激磁涌流、散热不良、谐波及运行环境等影响因素,结合车载变压器结构,通过仿真和试验等方式主要研究车载变压器绝缘故障特征及性能指标,初步确定其绝缘性能为状态监测项点。主要监测指标包括油中溶解气体、入库检测数据和绝缘油试验数据等跟踪实验数据,振动信号、运行温度、电流、电压等车载监测/检测数据,大修、中修、小修/辅修等历史失效数据,负荷、环境温度等运行数据及多物理场数字仿真数据。利用各种先进的传感器及终端,采集反映车载变压器状态的静态/动态的多源、异构数据,呈现车载变压器大数据多维特征。

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