牵引变压器是动车组牵引供电系统的核心设备，变压器油是保证牵引变压器正常运行的关键材料，起到绝缘、散热、消弧等重要作用。在变压器运行过程中，变压器油随着运行时间的增加，会逐渐老化和分解，产生少量的低分子烃类（乙炔、甲烷、乙烯等）及一氧化碳、二氧化碳和氢气等气体，并多数溶解在变压器油中，一旦变压器过热或发生放电故障时，就会加快这些气体的产生速率。通过定期分析溶解于变压器油中的气体及成分，能够在早期发现变压器内部的潜伏性故障并能及时做出判断[1]。
2019年起，某铁路局动车段陆续发现13台主变压器油乙炔气体超过注意值（5μL/L）。乙炔作为可燃气体，可引起变压器内部局部过热，严重影响变压器设备的运行，极端情况下还会引发变压器爆炸。为进一步排查问题，消除隐患，通过拆解、放电模型仿真分析、清洗过滤等方式，确定了乙炔超标的原因，制定相应措施，乙炔超标问题得到改善。
1 变压器油中溶解气体分析技术简介
油中溶解气体分析技术（Dissolved Gases Analysis,DGA）是变压器状态监测、故障预测和故障诊断时最常用的方法[2],IEC 60567—2011《注油电气设备气体抽样以及游离和溶解气体分析指南》和IEC 60599-1999《使用中的浸渍矿物油的电气设备溶解和游离气体分析结果解释的导则》等国际标准及DL/T 722—2014《变压器油中溶解气体分析和判断导则》等国内标准都对变压器油中溶解气体分析方法进行了规定。
动车组主变压器为牵引变压器，与电力系统固定式变压器相比，在运用工况上差别较多。参照固定式变压器用油的运用维护管理规则，铁路部门提出了动车组变压器油的化验指标[3]，见表1，各动车段均按照此指标进行化验管理。
2 故障原因分析
分析了超标变压器油的气体特点，对相关变压器进行了分解检查，结合对造修工艺和质量控制检查，分析了乙炔超标的原因及形成机理。
2.1 变压器油化验分析
按照DL/T 722—2014标准对6台主变压器油进行了气体分析，结果见表2，从表中数据可以看出，溶解气体分析结果显示主要是乙炔气体超标。
根据特征气体法判断，乙炔含量较高时，可能的故障类型为：油中火花放电、油中电弧、油和绝缘纸中电弧。
根据三比值法[4],6个样品的5种气体（C2H2、C2H4、CH4、H2、C2H6）的三对比值（C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6）的编码组合均为（1,0,2），故障类型初步判断为电弧放电。
2.2 动车组运用情况分析
发生乙炔超标的动车组，在各铁路局均有发现，运用线路范围广，运用环境无一致性，一年四季均有发生。各动车段均未对主变压器进行检修，因此故障与运用环境、运维无关。
2.3 变压器检查分析
2.3.1 变压器结构设计分析
牵引变压器引线分为牵引绕组引线和高压绕组引线，其中牵引绕组引线采用矩形铜排，高压绕组引线采用圆形铜棒或铜电缆绞线，在铜排和铜棒等导体表面包扎绝缘纸防护，并用固体绝缘件对其进行夹持和固定。各绕组的出头与铜排或铜棒通过焊接的方式连接后包扎绝缘纸进行防护，见图1、图2。
牵引绕组铜排引线末端为铜编织软线连接，最终使用螺栓和低压套管连接在一起；高压绕组通过铜棒连接铜电缆绞线，最终使用接线端子和高压套管连接在一起。上述引线设计方式，在机车、动车组等变压器上均广泛应用。
2.3.2 变压器拆解检查分析
对13台乙炔气体超标的主变压器进行拆解检查，发现主变压器箱体内铁心压梁、线圈等器身外表面有少量金属碎屑，高低压引线布置侧的引线护板和油箱壁有轻微放电痕迹，
2.3.3 金属碎屑材质分析
对发现的金属碎屑进行了取样，通过能谱对金属碎屑成分进行了分析，化验结果见表3，显示其主要成分为铝。
2.4 变压器造修工艺及工序质量控制分析
由于主变压器仅有冷却单元油散热器使用铝材制作，并与主变压器油箱内部联通，通过对冷却单元制造过程的排查，确定铝屑来源于冷却单元油散热器封头和法兰打磨修复过程，由于未对法兰口进行防护，且后续未清理，导致打磨产生的铝屑通过法兰口进入散热器内部。
变压器油在变压器内部的循环示意见图5：变压器油经过出油口、油泵和冷却系统后，回到进油口，之后变压器油经导向进入封油腔后，再进入线圈内部，之后从绕组另一侧进入到油箱。
如图6所示，由于冷却系统在加工时带有少量铝屑，主变压器正常运行过程中，随着主变压器油流至油箱顶部及油箱侧壁高压引线附近的高场强区域，形成悬浮带电，引发了铝屑与油箱壁之间的随机性轻微放电。
2.5 乙炔产生机理分析
2.5.1 关于铝屑参与放电的理论计算以及仿真分析
根据电场理论，当平板电极间只含有一种绝缘介质时，其电场为均匀电场，其平均场强E0=U/d。其中，U为平板电极间电压，d为电极间距离。当其局部含有铝屑等杂质时，会引起均匀电场的畸变。
假设铝屑为球形，按圆柱坐标考虑球外场强，其场强E1max最大值为
其中：ε1为原介质的介电常数，ε2为铝屑的介电常数（无穷大）。
这些混入的铝屑还要向高场强区移动。对于均匀电场和不均匀电场的电力线分布示意见图7。
根据以上理论，利用仿真软件对铝屑位于不同位置时的油中场强分布规律进行了分析。
仿真初始条件设置为：铝屑为半径1 mm球形，高压引线为10 mm铜棒外包3 mm芳纶纸。油箱壁电位设置为0 kV，初始高压引线电位设置为70 kV时的场强分布，仿真模型见图8。铝屑在电场中的不同位置如图9所示。
通过上述分析，无论铝屑位置如何，路径上的铝屑会使其附近的场强发生畸变，两端都会观察到明显的电场强度提升。进一步分析，当铝屑距离油箱壁小于0.5 mm时峰值电场强度会超出变压器油的介电强度，会有放电风险，见图10。原因为：由于油箱壁为零电位，当铝屑越靠近油箱壁时，铝屑会对油箱壁出现尖端放电效应，但该过程放电量极小，且随着油中的铝屑减少，发生放电的概率也越低。
2.5.2 乙炔产生的机理
牵引变压器采用KIX45号矿物油（后续均以变压器油替代），该油是将石油中的润滑油馏分进行各种化学和物料精制后，加入一些添加剂而制成的一种矿物油，是由许多不同分子量的碳氢化合物分子组成的混合物。分子中含有CH3、CH2和CH化学基团，通过碳原子连接成碳链或碳环，也有与其他元素原子连接成的杂环。当变压器内部发生电或热故障时，在电、热、机械应力和氧、水分及铝屑的作用下，这些碳氢化合物将发生裂解，某些C—H键和C—C键断裂，生成不稳定的H、CH3、CH2、CH、C等自由基，这些氢原子或自由基通过复杂的化学反应迅速重新化合，最终生成氢气和低分子烃类气体，如甲烷CH4、乙烷C2H6、乙烯C2H4、乙炔C2H2等，也可能生成碳的固体颗粒及碳氢聚合物（X-蜡），沉积在设备内部，油的氧化还会生产少量的CO2和CO等。
2.6 故障原因小结
通过上述分析，认为引起变压器油乙炔超标的原因为：变压器冷却单元油散热器封头和法兰打磨修复过程中，未防护且未清理，导致打磨产生的铝屑通过法兰口进入散热器内部，部分进入变压器高压引线侧，形成的悬浮颗粒游离在油箱壁与引线护板之间，在高场强下铝屑对油箱壁轻微放电，变压器油受放电影响产生乙炔。
3 处置措施及效果
3.1 处置措施
为最大程度确保产品安全使用，减少故障的发生，对相关主变压器采取如下处置措施。
3.1.1 变压器油化验结果分级处置
(1）当检测出φ(C2H2)≤5μL/L时，由配属路局结合三级修（M3）或80万km（以先到为准）进行常规取样化验。
(2）当检测出5μL/L<φ(C2H2)≤10μL/L且φ(总烃)≤150μL/L时，由主机企业组织每40万km进行一次油样化验，进行跟踪。
(3）当检测出10μL/L<φ(C2H2)≤20μL/L且φ(总烃)≤150μL/L时，由主机企业组织每运行10万km后取样化验，连续化验2次，如乙炔值连续增长（每次增长超过3μL/L），则需要将主变压器下车检修，如乙炔值增长未达到上述标准，由主机厂组织每40万km进行油样监控，结合最近三级修进行变压器油过滤处理。
(4）当检测出φ(C2H2)>20μL/L或φ(C2H2)>5μL/L且φ(总烃)>150μL/L时，由主机企业组织主变压器下车检修。
3.1.2 变压器检修处置措施
对所有装配该冷却单元的主变压器结合最近的四、五级修程进行深度检修，冷却单元结合最近的四、五级修程采用煤油清洗→过滤→烘干→水清洗→过滤→烘干的方式进行彻底清洗。
对前期拆解修复的13台主变压器进行后续跟踪，确认检修效果。
3.2 处置效果
对2019年下车拆解的13台主变压器进行跟踪，处置前后的变压器油乙炔含量见表4。
13台主变压器经过整治，主变压器乙炔值超标（体积比超过5μL/L）的由13台降低到5台，5台仍超标的主变压器乙炔值稳定在10μL/L以内，整体处置效果良好。
在2023年，某铁路局动车段又发现几台变压器存在乙炔超标问题，经分解检查、变压器油化验后，确定的原因：一是变压器未经处置；二是处置后的变压器仍存在体积较小的金属碎屑。
4 优化方案
针对变压器仍存在乙炔超标的问题，提出了进一步的优化方案：
(1）经过一轮清洗后，对仍存在少量铝屑的主变压器，结合四、五级修进行第二轮铝屑清洗，优化过滤装置的滤网密度，将目前精滤滤网密度由20μm提升至最高等级5μm，降低乙炔产生概率。
(2）提高主变压器油的出厂乙炔体积比含量内控检测标准，由小于1μL/L改为小于0.5μL/L。
(3）高级修时升级深度清洗工艺，清洗时拆除变压器器身上原有的防护纸板，对器身更好清理，再装配时更换新的纸板。
5 结论
13台主变压器油乙炔气体超过注意值的原因是变压器内部冷却单元修复过程处置不当，导致残留铝屑进入散热器引起放电，从而产生乙炔。经处置后，乙炔气体含量明显下降或呈稳定趋势，处置效果良好。
乙炔气体超标，仍是动车组主变压器油化验超标的主要问题，后续应从变压器设计、运用检修规范等方面进行深入研究。