[01-2009] Повысить надежность тяговых трансформаторов
 

Повысить надежность тяговых трансформаторов

Выход из строя тягового трансформатора на электровозе переменного тока относится к наиболее тяжелым случаям отказов, зачастую приводящим к браку. В каждом из них необходимо определить вышедший из строя узел, найти причину, которая привела к повреждению данного элемента, и определить виновную сторону для отнесения расходов на устранение неисправности: завод-изготовитель, эксплуатационное или ремонтное подразделение. Высокая стоимость тяговых трансформаторов обусловливает большие затраты на их ремонт.

Выход из строя данного узла часто приводит к срабатыванию реле максимального тока РМТ или сопровождается снятием напряжения в контактной сети из-за отключения автоматической защиты на тяговой подстанции. Однако срабатывание защиты могут вызвать отказы и других элементов электровоза. В связи с этим в деповских условиях необходимо достаточно простыми и объективными методами определить состояние тяговых трансформаторов без их разборки.

К основным характерным неисправностям трансформаторов можно отнести:

- старение и пробой изоляции обмоток. Причиной могут служить недостаточное охлаждение, частые перегрузки, атмосферные и коммутационные перенапряжения;

- межвитковые замыкания в обмотках. Они возникают при разрушении изоляции, деформации обмоток после коротких замыканий (к.з.), резких изменениях нагрузки, перенапряжениях, после снижения уровня масла (до обнажения обмоток). Для витковых замыканий характерны выделение газа, повышенный нагрев трансформатора с характерным бульканьем масла, неодинаковое значение сопротивлений обмоток. При витко-вом замыкании ток в закороченной части обмотки превышает номинальный в сотни и даже тысячи раз. В этих условиях короткозамкнутые витки мгновенно перегреваются (температура за 0,1 — 0,2 с достигает точки плавления), и капли меди с силой разбрасываются по обмотке, попадая на активную сталь, ярмовые балки и бак. Эти шарики меди являются характерными признаками виткового замыкания. При значительных витковых замыканиях срабатывает РМТ;

- обрыв обмоток. Признаки — выделение газа из-за образования дуги в месте обрыва, а также значительное изменение активного сопротивления обмоток (вплоть до бесконечности);

- старение межлистовой изоляции магнитопровода, ее местные повреждения, замыкание отдельных листов. Признаки — увеличение тока и потерь холостого тока, быстрое ухудшение состояния масла, снижение его температуры вспышки, повышение кислотности и снижение пробивного напряжения;

- «пожар» стали — повреждение изоляции стяжных болтов, замыкание листов магнитопровода, касание в двух местах магнитопровода каких-нибудь металлических частей, в результате чего образуются замкнутые контуры для вихревых потоков. При этой неисправности увеличиваются ток и потери холостого тока, повышается температура трансформатора, увеличивается выделение газа;

- ослабление прессовки магнитопровода, свободное колебание крепящих деталей, колебание крайних листов магнитопровода. Признаки — ненормальное гудение, дребезжание, жужжание. Подобное бывает при превышении номинального напряжения.

Рассмотрим обстоятельства,‘приводящие к выходу из строя тяговых трансформаторов электровозов.

При к.з. происходит деформация обмоток. Они сдвигаются в осевом направлении, механически разрушая изоляцию. Обмотки трансформатора изначально имеют некоторые неплотности намотки, неравномерную запрессовку и др. Обмотки стараются делать магнитосимметричными, чтобы минимизировать электродинамические силы, действующие в обмотках и на опоры.
В новом трансформаторе эта несимметрия невелика. После ослабления запрессовки она увеличивается. Возникающие силы разрушают трансформатор и при к.з. могут выходить за предел упругости. Остаточные деформации приводят к изменению изоляционных расстояний, внутренним замыканиям и лавине разрушений, взрыву или пожару. Чаще бывает, что пробой деформированной изоляции происходит не сразу после к.з., а позднее, при перенапряжениях или перегрузках.

На практике нередки случаи, когда в момент включения главного выключателя защита подстанции снимает напряжение контактной сети, что является признаком выхода тягового трансформатора из строя. Это можно объяснить тем, что в момент включения трансформатора даже на холостом ходу ток, протекающий по обмоткам, может в 6 — 8 раз превысить номинальный.


Кроме того, при включении и отключении трансформаторов возникают значительные внутренние (коммутационные) перенапряжения. Такие перенапряжения возникают также при дуговом замыкании на землю, отключении или включении линий с большой индуктивностью и емкостью, например, системы электроотопления поезда, а также при проезде нейтральных вставок.

Кроме внутренних перенапряжений, возникают также внешние вследствие грозовых разрядов. Если они происходят в непосредственной близости от трансформаторов или линии, к которой подключены, то проявляется индуктивное влияние тока и заряда молнии.

Довольно часто тяговые трансформаторы выходят из строя из-за конструктивных недостатков электрических схем электровозов. В депо Иркутск-Сортировочный, в основном, это было связано со схемами отопления вагонов поезда. При к.з. в цепи отопления электровоза В/165 реле перегрузки обесточивает цепь включения контактора отопления. Он отключается под нагрузкой с повышенным дугообразованием.

В результате контактор либо расплавляется, либо его изоляционная стойка перекрывается. При этом обмотка отопления тягового трансформатора через неисправный контактор получает вторую «землю», соединяясь через кузов электровоза накоротко. В процессе эксплуатации электровозов В/165 это практически всегда приводило к выходу из строя тягового трансформатора. На электровозах ЭП1 блокировки реле перегрузки отопления вагонов введены в цепь удерживающей катушки главного выключателя (ГВ). Поэтому подобные неисправности не наблюдаются. Считаю, что в схему электровоза В/165 необходимо внести аналогичные изменения.

На электровозах В/180Т и В/180С схема отопления вагонов работает от нулевой до 17-й позиции с использованием последовательно соединенных нерегулируемых обмоток тяговых трансформаторов В ней предусмотрено введение блокировок реле перегрузки отопления в цепь включения соответствующих контакторов. Поэтому при срабатывании защиты также происходит перекрытие контакторов, иногда их контакты свариваются, оставаясь включенными. В результате при последующих включениях тяговые обмотки трансформаторов многократно встают на к.з., подвергаясь тепловым и ударным нагрузкам.

В депо Иркутск-Сортировочный данные схемы управления были доработаны: блокировки реле перегрузки отопления ввели в цепь удерживающей катушки ГВ. Кроме того, был исключен набор выше 17-й позиции контроллера при включенном отоплении. В штатном варианте при переходе на 18-ю позицию с включенным отоплением тяговые обмотки трансформатора соединялись накоротко, и зачастую контакты контакторов 31 — 34 приваривались друг к другу.


Сейчас эксплуатируются модернизированные грузовые электровозы В/180Т и В/180С, на тяговых трансформаторах которых дополнительно размещена одна обмотка отопления, которая подключается параллельно нагрузке (проект ПКБ ЦТ МПС Э2281.00.00). Однако в соответствии с данным проектом реле перегрузки отопления настроены на ток срабатывания, который в два раза больше номинального (реле с требуемым током уставки 250 А просто отсутствует).

При капитальном ремонте электровозов на Улан-Удэнском ЛВРЗ вместо общей кнопки включения отопления от двух секций, что было в начальном варианте схемы, в каждой из них устанавливали кнопки индивидуального включения обмоток отопления. Некоторые машинисты считают, что при включении одной обмотки вместо двух затраты электроэнергии на отопление будут в два раза меньше. На самом деле они остаются прежними. Мощность, приходящаяся на одну обмотку, в 2 раза превышает номинальную. В таком режиме она работает продолжительное время (реле перегрузки срабатывать не будет). В результате обмотка может перегреться и выйти из строя.

Тяговые трансформаторы могут повреждаться из-за неграмотных действий локомотивных бригад. Так, запрещается эксплуатация электровоза не только при неработающем маслонасосе, но и при его пониженной производительности (низком давлении). Однако встречались случаи, когда локомотивы в течение одной поездки, а то и два-три дня эксплуатировались с неработающим маслонасосом, что неотвратимо приводило к перегоранию обмоток тягового трансформатора.

Кроме того, на электровозах ВЛ65 и ЭП1 неоднократно происходили спрессовывания ротора с вала маслонасоса, крыльчатки с вала, излом вала, пробой изоляции статорной обмотки. Это приводило к поступлению значительного количества металлической стружки и копоти в бак трансформатора, что вызывало пробой изоляции его обмоток.

Такие неисправности сопровождаются понижением давления на выходе маслонасоса, а также плавающими значениями давления. При своевременном обнаружении отклонений от нормы достаточно было промыть активную часть трансформатора, чтобы восстановить работоспособность оборудования. Позднее выявление приводило к тому, что приходилось менять все обмотки из-за их необратимого повреждения.

Есть еще одна особенность эксплуатации маслонасосов, которую локомотивные бригады не всегда учитывают.

Согласно действующим рекомендациям, при температуре ниже -15 °С маслонасос следует отключать и прогревать трансформатор на холостом ходу или при половинной нагрузке. На практике иногда работают в тяговом режиме с отключенным маслонасосом в течение длительного времени, визуально контролируя температуру масла по термометру. В результате местные перегревы обмоток могут вывести из строя тяговый трансформатор. Между тем, езда при полной нагрузке с отключенным маслонасосом запрещена.

Нередки случаи выхода из строя тяговых трансформаторов при многократном включении их на к.з. в электрической схеме. Неоднократное срабатывание защиты может привести к необратимым последствиям для трансформатора. Особенно опасно, когда после неудачных попыток установить причину неисправности бригада включает главный воздушный выключатель вручную, что категорически запрещено!

При определении неисправности тягового трансформатора в некоторых депо имеются трудности. Согласно имеющейся технологической инструкции ТИ-709 на ремонт трансформаторов в объемах ТР-1, ТР-2 и ТР-3 предусмотрены следующие испытания: измерение сопротивления изоляции обмоток, проверка электрической прочности обмоток, определение активного сопротивления обмоток и лабораторный анализ трансформаторного масла.

Рекомендуемый для контроля активного сопротивления мост Р-333 не позволяет проводить измерения на сетевой обмотке, так как его показания не стабилизируются, а постоянно «плывут». Указанный в инструкции стенд АИИ-70 для испытаний на электрическую прочность не дает возможности поднять напряжение в сетевой обмотке выше 12... 14 кВ, тогда как даже номинальное напряжение обмотки вдвое больше. Мощность стенда — 2,5 кВт — явно недостаточна для таких испытаний. Поэтому приходится отправлять электровоз с подозрительным трансформатором в другие депо, где есть кенотроны требуемой мощности, или на ремонтные заводы.

Наиболее доступный метод диагностики трансформаторов — измерение сопротивления изоляции обмоток с помощью мегаомметра. Следует учитывать, что оно в значительной степени зависит от температуры, а браковочное значение в паспорте соответствует температуре масла +15 °С. Измеренное сопротивление Яизм. пересчитывают к темпера-туре +15 °С по формуле RM3M. 15 = RM3m-Kt, где Kj— коэффициент пересчета, значения которого приведены в таблице.

Если не вводить температурную поправку, то можно сделать ложный вывод о состоянии изоляции трансформаторов.

Для расширения технологических возможностей диагностики трансформаторов в депо Иркутск-Сортировочный освоен метод измерения активного сопротивления обмоток постоянному току по падению напряжения (рис. 1). Их следует проводить после двенадцатичасового отстоя трансформатора. Искомый параметр определяют делением падения напряжения на обмотке на величину протекающего тока (10... 15 А). Длительность замера — не более 20 с. При измерениях надо фиксировать температуру обмоток Т, которая соответствует температуре верхних слоев масла. Результаты приводят к температуре 75 °С, умножив на коэффициент пересчета К = 310/(235+Т). Полученные значения сравнивают с паспортными на данный тяговый трансформатор. Допускаемое отклонение — не более 5 %.

Серьезные отказы тяговых трансформаторов происходят из-за неисправности магнитопроводов. В магнитопроводе трансформатора при его работе возникают потери энергии на гистерезис и вихревые токи. Они существенно возрастают из-за распрессовки магнитопрово-да и нарушения изоляции между листами стали. Токи холостого хода значительно увеличиваются.

На рис. 2 представлена схема измерения тока холостого хода. При этом все обмотки трансформатора, кроме тяговой, должны быть разомкнутыми. Допустимое отклонение по сравнению с нормируемым значением — не более +30 %. В заводских проводиться при номинальных напряжениях обмоток, но в деповских условиях источник питания напряжением порядка 2,5 кВ достать довольно проблематично.

Для различных типов трансформаторов нормируемое значение тока холостого тока при напряжении 220 В можно получить статистически после нескольких измерений на исправных трансформаторах. На ремонтных заводах имеются методики пересчета результатов к данным, получаемым при испытании на 2,5 кВ, которые и указаны в паспорте на трансформатор.

В депо Иркутск-Сортировочный опробован и освоен способ измерения тока холостого хода непосредственно на электровозе, находящемся под контактным проводом. На заземляющей шине сетевой обмотки тягового трансформатора размещают токоизмерительные клещи так, чтобы они не касались других элементов, и из коридора при закрытых шторах ВВК можно было наблюдать за показаниями цифрового индикатора клещей. Измеренные значения не должны превышать 1,2 % от номинального значения тока на этой обмотке. Способ довольно прост и эффективен. Но не следует пробовать завешивать клещи на сетевую шину, идущую на крышу электровоза — очень опасно. В лучшем случае прибор просто сгорит.

В условиях депо можно проверять тяговый трансформатор номинальным напряжением при отсутствии кенотрона требуемой мощности. Для этого используют имеющиеся установки для сушки тяговых двигателей (их обдув вентиляторами электровоза). Такие установки имеют достаточную мощность и систему защиты от к.з. Подсоединяясь непосредственно к обмотке собственных нужд либо к подкузов-ным розеткам локомотива, можно получить номинальное значение напряжения (либо близкое к нему) за счет обратной трансформации на сетевой обмотке.

Подключенные к обмоткам штатные ограничители перенапряжений защитят их от коммутационных бросков напряжения Однако не следует проводить такие испытания напряжением выше номинального, так как при проверке электрической прочности его необходимо повышать плавно, а не ступенями.

Одна из причин выхода из строя трансформатора — увлажнение бумажной изоляции. Вода попадает в бак трансформатора из окружающей атмосферы, а также в результате разложения самой бумаги. Кислород в сочетании с водой, содержащейся в бумажной изоляции, уже в объеме 2 % резко ухудшает ее состояние. Бумага теряет гибкость и сопротивление на разрыв.

При механическом воздействии (например, к.з.) бумага разрывается, что ведет к электрическим пробоям. Более 99 % воды в трансформаторе находится в бумажной изоляции, так как растворимость воды в масле очень мала. Бумага адсорбирует воду до 10 % своей массы. Оценить увлажненность изоляции позволяет коэффициент абсорбции. Для его определения следует с помощью мегаомметра дважды измерить сопротивление изоляции обмотки — через 15 и 60 с после приложения напряжения. Отношение результата второго измерения к первому и есть коэффициент абсорбции.

В случаях сильного увлажнения показания мегаомметра быстро устанавливаются, и коэффициент абсорбции близок к единице. При малом увлажнении он может достигать 2. После заводского ремонта коэффициент абсорбции не должен быть менее 1,3. Более достоверно увлажненность можно оценить с помощью моста переменного тока, измерив тангенс угла диэлектрических потерь. Если он выше номинала в 1,5 раза, то изоляцию следует признать неполноценной.

Повреждения тягового трансформатора, как правило, приводят к выделению различных газов. По ним можно определить вид неисправности. Так, разрушение твердой изоляции (перегревы, старение изоляции, частичные разряды в изоляции) сопровождается выделением углекислого газа и окиси углерода. Опасно, если концентрация углекислого газа более 1 %.
Перегрев металла и частичные разряды в масле (повреждения токоведущих частей, магнитопровода и конструкционных частей, в том числе с образованием короткозамкнутых контуров и др.) приводят к выделению этилена и ацетилена. Дополнительное подтверждение неисправности — увеличение со временем концентрации газов. При комплексном анализе в лаборатории определяют содержание углекислого газа, окиси углерода, водорода, метана, ацетилена, этилена, этана, кислорода и азота.

Тенденции развития техники и технологии приводят к необходимости ввести мониторинг тяговых трансформаторов локомотивов — непрерывный автоматический контроль текущих электрических, механических, температурных и иных параметров. Его задача — повышение надежности обслуживания «по состоянию» за счет индикации аномальных отклонений контролируемых параметров (либо предельных), выявление неисправностей, вызывающих эти отклонения на ранних стадиях их развития, и своевременное реагирование. Плановое обслуживание, зачастую, экономически нецелесообразно, так как по статистике надежность оборудования после проведенных профилактических работ уменьшается из-за вмешательства человека.

Для тяговых трансформаторов можно выделить ряд функций мониторинга, например, контроль следующих параметров:

- перегрузки с фиксацией амплитудных значений токов и напряжений;

- температуру наиболее нагретой точки обмоток и масла; f состояние изоляции;

- влагосодержание масла и твердой изоляции;
-состояние системы охлаждения
— измерение токов двигателей вентилятора и мотор-насосов, направление вращения и давление масла на выходе мотор-насоса;
- вибрация подшипников мотор-насоса;
- вибрация и шум для оценки системы прессовки трансформатора;

- состояние высоковольтных вводов;
- содержание газов, растворенных в масле;

- загрязнения в масле;
- уровень масла;

- формирование сигналов-предупреждений; г создание и хранение базы данных.

Сейчас сопротивление изоляции обмоток проверяют в лучшем случае раз в год на ТР-2. В депо Иркутск-Сортировочный при ТР-2 только один раз выявили пониженное сопротивление изоляции между тяговыми обмотками. Все остальные неисправности тяговых трансформаторов проявлялись в процессе эксплуатации после практически полной потери работоспособности. Иными словами, существующая плановопредупредительная система ремонта тяговых трансформаторов малоэффективна.

Появление таких систем управления, как МСУД позволяет решить ряд задач мониторинга. Часть параметров можно отслеживать с помощью смонтированных на локомотиве датчиков тока, напряжения, температуры, давления. Другие — проверять при ТО-2 с использованием аппаратуры ПТОЛ (тепловизионных и вибродиагностических систем), вводя полученные данные в МСУД.

Использование подобных систем мониторинга позволило бы существенно сократить число отказов тяговых трансформаторов, препятствуя развитию неисправностей до необратимого состояния. Сам тяговый трансформатор следует оснастить необходимыми датчиками. Система управления должна обеспечивать анализ получаемой информации и выдавать сигналы о появлении предотказной ситуации. Хочется надеяться, что подобные системы мониторинга появятся в скором времени на электровозах. Слово за разработчиками новых локомотивов

Инж. В.В. БОНДАРИК, депо Иркутск-Сортировочный Восточно-Сибирской дороги

Тема перенесена
 

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin