（神华包神铁路有限责任公司内蒙古鄂尔多斯市01700）
摘要：高速铁路和准高速铁路的发展对牵引供电系统的可靠性、安全性提出了更高的要求。牵引变压器是牵引供电系统的关键设备，其性能好坏直接影响到电气化铁道系统能否正常运行，因此提高牵引变压器的可靠性对于电气化铁道的安全运行具有重要意义。而变压器在线监测是提高牵引变压器可靠性的有效方法之一。
关键词：牵引变压器；在线监测；牵引供电系统
为了确保高速铁路安全运行，实时监测牵引变压器运行状态，及时地发现牵引变压器内部故障具有重要的意义。文章在分析牵引供电系统运行可靠性要求和牵引变压器故障诊断要求的基础上，提出了基于DGA技术的牵引变压器在线监测的构想，并设计了相应的TTM-Ⅰ型牵引变压器在线监测系统，实现了对牵引变压器运行状态的不间断监测。现场运行数据与实验室数据的比较验证了该系统的有效性。
一、基于DGA技术的牵引变压器在线监测原理
1.牵引变压器内部故障分析，电气化铁道使用的牵引变压器与普通电力变压器相比，运行环境更加恶劣，要承受经常性的过负荷和短路冲击（一般情况下，瞬时短路70次/a），而这种冲击将导致牵引变压器内部产生很大的电磁感应力，使牵引变压器的机械平衡系统失衡，从而破坏了牵引变压器的磁路、电路和绝缘材料，进而由????积累效应????产生电气损伤，最终影响牵引变压器的正常运行。牵引变压器故障可分为瞬时故障和潜伏性故障，TTM-Ⅰ主要用于监测牵引变压器的潜伏性故障。潜伏性故障可以归结为热故障、电故障和绝缘受潮三大类。当发生过热、放电等故障时，绝缘油发生裂解，产生故障气体，并部分溶解于油中。据统计，牵引变压器的热故障几率远远高于电故障。根据故障气体产生的机理及对多例牵引变压器故障特征气体数据的统计分析，笔者发现牵引变压器故障特征气体具有如下特点:（1）乙炔和氢气是放电性故障的主要特征气体，在过热性故障中，这些气体为次要成分。（2）甲烷和乙烯是过热性故障的主要特征气体，在放电性故障中，这些气体为次要成分。并且随着温度的升高，在氢烃总量中，氢气和甲烷的比例越来越小，乙烯的比例越来越大。在中高温过热故障中，氢气的比例一般都小于15%。（3）乙烷在放电和过热性故障中都占较小的比例，而且两者的差异不大。（4）“绝缘受潮”故障表现为氢含量很大并占主导地位。（5）牵引变压器长期经受过负荷或短路冲击作用，加速了固体绝缘的分解，其表现为CO含量普遍高于普通的电力变压器中CO的含量。TTM-Ⅰ根据牵引变压器故障特征气体的特点，采用了相应的算法，有效避免了由于冲击负荷影响带来的故障误报警。
2.牵引变压器在线监测，可用于牵引变压器在线监测的DGA在线监测方法可归结为4种方法。（1）测量可燃性气体总体积分数。这类装置结构复杂，价格昂贵，不适合用于牵引变压器的在线监测。（2）测量单种气体体积分数。这类装置结构简单，成本低，但容易对高温热故障漏报警。（3）测量几种气体的综合体积分数。这类装置效果良好，结构简单，成本低下。这种方案加以改进，可以用于监测牵引变压器的运行状态。加拿大SYPROTEC的HYDRAN201R装置主要测试氢气、一氧化碳、乙烯和乙炔的综合体积分数，其在电力系统中投入使用多年，有效性已得到了证明。（4）测量多种气体组分的体积分数。这类装置结构相当复杂，稳定性不好，设备成本高，不适合在电气化铁道系统中推广使用。基于上面的分析，牵引变压器的在线监测应采用测量几种气体综合体积分数的方法。TTM-1型在线监测系统主要检测牵引变压器油中氢气、一氧化碳、乙烯和乙炔4种气体的综合体积分数。
（1）
式中，Ф（H2）为氢气体积分数；Ф（CO）为一氧化碳的体积分数；Ф（C2H2）为乙炔的体积分数；Ф（C2H4）为乙烯的体积分数；Ф为前4种气体的综合体积分数。牵引变压器发生放电故障和低温故障时，氢气的含量比较大，因此氢气体积分数的变化就可以很好的反映牵引变压器的状态。但是当牵引变压器发生高温或低温热故障时，氢气的体积分数占氢烃总体积分数的比例较小，尤其在发生高温热故障时，氢气的体积分数不到氢烃总体积分数的15%，温度越高，氢气含量的比例越低。长期的经验表明，当牵引变压器发生高温热故障时，变压器油将产生大量的乙烯，随着温度的升高，乙烯的含量快速增长，当油温超过8000C的时候，牵引变压器油中将产生少量的乙炔。由此可知，乙烯是牵引变压器高温故障的主要成分，因此，本系统把乙烯的体积分数作为综合体积分数中主要的成分之一。国外的在线监测系统也有监测多种气体综合体积分数的，但对乙烯考虑不多，容易对高温故障漏报警，不适合应用在高速铁路牵引供电系统中。牵引变压器高温故障时的各气体组分的体积分数（离线色谱检测值和TTM-Ⅰ显示值）。通过三比值法判断牵引变压器故障为高温故障，根据对总烃量和各种气体组分体积分数的分析，发现牵引变压器故障日益严重，TTM-Ⅰ的显示数据能反映故障的发展，而氢气增长率在此处却不能反映故障的实际发展情况。因此TTM-Ⅰ型优于油中氢气在线监测系统。
二、变压器电气高压试验技术要点
1.试验前期的准备工作。由于电力行业本身就具有一定的危险性，电气高压试验也不例外，试验过程极为复杂。既要保证电气高压试验的安全性，又要保证试验结果的准确性，这就要求试验人员归纳以往的操作经验，做好试验之前的准备工作，具体内容如下：首先，需要保证变压器处于正常运行状态，最好是对变压器进行全方位的检查，确保运行可靠；其次，根据试验内容，对其中的影响因素，如试验环境的温湿度、实验对象的绝缘性、试验电压、电流等因素进行综合考虑，制定合理的试验方案，经过多次推敲之后确定最终执行方案。需要特别注意的是当电力变压器的容量较大时，需要选择与其配套的电源装置，以此，确保试验安全。
2.注重变压器高压试验的安全保障措施。针对电力变压器的电气高压试验，在试验中难免遇到高强度的电压和电流，为了避免试验人员的人身安全受到危害，需要在试验之前采用一定的保护措施。具体内容如下：试验前期需要根据试验内容制定安全试验的方案，这个方案除了要保证试验结果准确之外，还需要对试验中的安全隐患问题进行充分考虑，确保试验安全。要求试验人员严格按照方案执行，对于那些安全意识薄弱的人员进行安全教育，以此保证试验操作人员的人身安全；对试验所需设备检查全面检查，避免在试验的过程中由于设备问题导致的安全风险以及试验结果出错等问题；由于错误的接线方式不仅会多试验结果造成影响，还能能引发设备损坏或者触电的安全事故，为此在试验前，需要对检测对象的接线进行全面检查；在试验过程中释放的高压很容易威胁人身安全，为此，要在场地周围设置警示牌，避免闲杂人等靠近，必要时可以布设防护网将实验区域隔离，避免造成人员伤亡。
3.加大对变压器工频高电压的分析。变压器的工频高电压可以分为一般容量和大容量两种设备。如果选择的设备容量与电源能够承受范围的容量不符，那么就会影响试验的正常进行，最终得到的试验数据也不会准确。这就要求在进行电气高压试验之前，对现场情况进行实时了解，选择与设备容量匹配的电源设备，确保试验的顺利运行和最终的数据可靠性。
4.重视软件的开发与创新。电力电压器电气高压试验对用户的用电安全和供电质量具有一定影响。为此，在试验过程中，可以充分考虑用户的用电需求，并且研发一款具备信息录入管理功能的软件，对用户用电需求进行收集的同时，将试验信息录入其中，让电力系统的相关维修人员可以介于此对设备的运行状况以及用户需求进行了解，并且制定合理的处理方案，确保为用户提供放心安全的高品质供电系统。
三、牵引变压器绝缘在线检测技术
1.油气分离技术，在当前技术条件下，在线检测技术中普通使用油气分离技术，这项关键技术的优势是可以在很短的时间内将发生绝缘故障的气体从变压油中分离出来，通过对气体的分析可以实时监测到变压器的运行状态。因此，油气分离器技术被广泛使用。油气分离装置具有很多优点，能保证运行的稳定性能，但是也一定弊病，如选择效果和造价成本高。所以对于牵引变压器的在线检测不适合使用传统的油气分离装置。为了消除上述缺陷，近年来开发出一种特殊的油气分离装置，对透气原理也进行了深入研究。油气分离技术根据取气方法的不同可以分为三类，分别是使用高分子化合物的定向膜分离、真空模式下的取气、油中加气。其中平板类的定向分离膜、毛细化管柱器、血液用透析分离装置、中空化纤维分离装置都是高分子定向分离膜的具体应用。对于真空模式下取气和油中加气在相关的技术文献中有详细的研究。
2.气体分离技术。在线检测技术的关键是提高气体的检测灵敏度，最有效的措施是对气体的成分实施有效地分离。当前普遍采用气相色谱柱。气相色谱柱有两种方式，包括填充柱和空心毛细管柱。柱管与化学药剂是基本组成部分。变压器的油品气相色谱分析通常采用填充柱。检测过程中要制备色谱填充柱。通过情况下要经过固定相的选择、柱管的弯曲、固定相的装填，性能检测等环节。依据色谱柱气体分离标准，色谱柱的分离效果和固定相的性质有关，还与使用量、颗粒度，柱管的外形，装柱的操作，参数选择等有直接的关系。
3.气敏传感器技术，传感器安装在在线检测系统的检测端，它的性能状况会直接影响检测效果。传感器选用要考虑灵敏程度、动态响应范围、频响效果、相的位移、检测灵敏度、使用环境等多种因素。变压器工作在高电压、强电磁的作用下，传感器的抗干扰性要能保证。信号的灵敏度要高，信号的转换不能失真。传感器的选型非常重要，会影响到检测装置的使用效果和使用周期。在牵引变压器在线检测过程中，气体的检测呈多样化，并要保证方便，快捷，准确，检测出的信息要能以电信号的形式传输，便于计算机的识别。气体传感器在使用条件上有一定限制，传感器会受到外界的作用，导致输出的信号不稳定。温度和湿度都会产生一定影响。所以要保证传感器的稳定性和灵活性，使用环境非常重要。
牵引变压器是机车供电系统的重要部件之一。通过检测技术，可以及时发现牵引变压器在运行存在的问题，从而可以保证铁路的安全运营。对牵引变压器进行检测，可以及时发现变压器存在的问题，消除由于牵引变电设备产生故障引发的铁路运营事故。
参考文献
[1]李博.牵引变压器故障分析.2015.
[2]刘瑞君.变压器油中溶解氢气在线监测仪的研制.2016.
[3]贾梦瑶.关于变压器油中溶解气体在线监测的综述.2013.