摘要：牵引变压器是牵引供电系统中的核心设备，其接线方式不同。变压器的形式不仅影响变电站主接线和变压器的容量，而且影响变电站的容量。牵引负荷会影响电力系统负荷，也会影响到工程造价的。因此，变压器的选择是牵引供电系统设计中的一个重要环节。
关键词：变压器；过负荷；措施
我国高速铁路牵引负荷存在随机波动性，全天平均负荷率低，但也会出现短时过负载情况，这对牵引变压器的过负载能力提出了很高要求。若牵引变压器容量等级选取过大，不利于牵引变压器容量利用率的提高，也不利于牵引变电所的经济运行。
1动车组牵引系统组成
1.1牵引系统概述
动车组分为2个动力单元：M1+M2，M3+M4。动车组要求的弓网电压为25kV、50Hz的单相交流电，由受电弓从接触网受电、通过VCB与牵引变压器1次侧绕组连接。每个动力单元车中各设一台牵引变压器、两台牵引变流装置及八台牵引电机。牵引变流装置牵引运行时向牵引电动机供电，制动时将制动再生电能反馈回电网，在牵引及再生制动时向主电动机供应电力和制动时电力再生控制之外且具有保护功能。牵引电动机使用3相鼠笼式感应电动机，轴端安装有速度传感器，检测转子频率，并将信息反馈给牵引变换装置、制动控制器。
1.2牵引系统关键部件简述
1.2.1牵引变压器
CRH2A型动车组牵引变压器具有2次绕组为2个独立绕组，每个绕组与一台牵引变流装置连接，使2次绕组具有高电抗和弱藕合性，确保牵引变换装置具有稳定运行的特性。另外，为对应于每个2次绕组的增容，1次绕组配置了2个并联结构的线圈；为了减轻重量，1次，2次线圈采用了铝质线圈；1次绕组接地侧、2次绕组侧及3次绕组侧的绝缘套管采用了耐热环氧树脂将11根铜质中心导线注塑一体成形的端子板。相对于3次绕组侧的一端子使用并引出了2根中心导线的特点。CRH2A型动车组牵引变压器具有壳式变压器结构，油箱分为上下两个部分。油枕与主体箱通过连接孔与主体箱内的油流通，油充填在波纹管的外侧，波纹管的内侧与大气相通。1次绕组高压侧绝缘套管采用耐热环氧树脂注塑成一体形绝缘套管，在变压器主体的前方横向引出，与相邻的高压设备箱内的断路器相连。1次绕组接地侧、2次绕组侧、3次绕组侧的各端均为成一体形注塑形端子板，在侧面引出。
1.2.2牵引变流装置
CRH2A型动车组牵引变流装置用于控制4台牵引电机的电源。其结构简洁，整流器、直流中间电路、逆变器、真空交流接触器等的主电路机器、无触点控制装置、控制电源等控制电路器具均安置在一个箱体内的一箱体构造，从而缩小了安装空间。牵引变流器装置安装在2、3、6、7号车的底盘下。另外，虽然一部分内部装置各自使用了独特的形式，但每个单元均在结构和控制方面确保其互换性。牵引变流装置由单相交流变为直流电力的整流器部分和直流电流变为3相交流的逆变器部分、吸收电压波动获得直流定压的直流电压电路（滤波电容器）部分构成。作为主电路的半导体元器件由于采用了能高速开闭的IGBT或IPM，能减小交流电压波形的失真，由此降低了牵引电机、牵引变压器的电磁噪声，因而减少了转矩波动。
2铁路项目变压器
2.1牵引变压器
由于牵引变压器为特种变压器，国内的生产厂家较少．据调查，主要的供应厂家有西变中特、特变电工、中电电气、保定天威保变、云变电气、卧龙银川变压器等。供应的产品涉及电气化铁路牵引使用的各种牵引变压器，如YN，dll牵引变压器、SCOTr牵引变压器、平衡牵引变压器、AT供电自耦变压器、单相牵引变压器，Vv接线牵引变压器等，产品电压等级有110kV、220kV。鉴于国内尚无牵引变压器能效标准，各厂家主要执行《电气化铁路牵引变压器技术条件》（11B／T3159--2007），产品以满足使用需求为主，效率均可达到99．5％。各厂家产品的能效水平相差不大。
2.2配电变压器
配电变压器的生产厂家众多，规模较大的厂家有保定天威、青岛变压器、江苏华鹏、特变电工、中电电气、顺特电气等．其中非晶合金变压器主要生产厂商包括置信电气、中电电气、北京科锐、特变电工、山东达驰等。目前，市场上变压器型号种类齐全。从能效水平角度分，油浸式变压器主要有S9、S10、S11、S13、SHl5等，干式变压器主要有SC9、SCl0、SCll、SCl3、SCHl5等
2.3特种变压器
对于采用NOMEX混合绝缘材料生产的高过载、低阻抗牵引变压器，过负荷倍数可按比普通牵引变压器提高25%考虑，因此可以通过采用特种变压器提高牵引变压器过负荷能力。NOMEX绝缘纸为C级绝缘材料，在220℃温度下连续运行也能保持性能稳定，但由于价格昂贵，考虑到经济因素，可以在牵引变压器绕组高温处采用NOMEX绝缘纸，其余部位采用纤维绝缘纸来增强牵引变压器过负荷能力，提高牵引变压器绕组热点温度的限值，合理利用变压器寿命损失。考虑到国家标准和变压器安全运行准则，对采用NOMEX和纤维绝缘纸的混合牵引变压器，内部温度需预留一定裕度，即油和纤维绝缘材料的温度限值保持不变，变压器绕组热点温度限值可升至160℃，油面温度限值为105℃。由此可以看出，采用混合绝缘牵引变压器可以使其温升和寿命损失实现更好地匹配，有利于提高其过载能力。由于NOMEX绝缘纸价格高昂，采用NOMEX混合绝缘材料生产的高过载、低阻抗牵引变压器还未得到广泛应用，但对其进行进一步研究意义较大。
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3牵引供电系统中电力变压器的连接
3.1单向接线变压器
该变压器应用最为广泛的主要有2类，即纯单向变压器和V/V接线变压器。纯单向变压器是通过在高压变电侧与三相电源中任意2种交流电相接，牵引母线起到衔接作用，并与低压侧绕组首端进行连接，保证电压的稳定输出。为了给供电臂供电，还要将牵引母线的一段连接好，纯单向变压器的最大优势就是能够实现材料的100%利用，这也是因为它通过绕组与侧电源和侧电力机车直接连接作用的结果。而V/V接线变压器利用2台单相接线牵引变压器相互作用，形成V/V形状。这种变压器在接线过程中会出现2个单独的单相，当其中一台变压器出现问题不能正常运行时，另一台变压器就会经过一系列作用完成跨相供电。由此可见，V/V接线变压器能对共同的供电区具有牵引作用，也能使变压器内的容量利用率提高，最高可达100%.
3.2三相接线变压器的连接方式
在一个牵引变电所之内，一般会存在两三台三相接线变压器，组成的变压器组有3组，一次绕组连接在110kV高压侧产生的形状为星形，与牵引网连接的二次侧绕的形状为三角形。而供电臂就是与三角形的2个角分别进行连接，另一侧接在行车轨道上。三角形2个角的轨道电压是不相同的，所以，要进行电分相设置。对于三相变压器而言，根据地区负荷来选择变压器时，牵引变压器中2个绕组就能完全应付负荷。目前，在我国这种连接方式非常普遍，其优点就在于造价低、占地面积小、在三相电力系统中不会引起电流不对称。但它也存在明显的缺点——在三相变压器中不能利用没有连接钢轨的一相容量。
3.3三相接线变压器变压比的计算
三相变压器变比是根据三相变压器原、副绕组产生的感应电动势之比，近似等于原、副绕组上的电压之比，也等于原、副绕组的匝数N1，N2之比，即：
U1/U2≈E1/E2=N1/N2=KU.（1）
式（1）中：KU为变压器的变压比，简称变比，当KU＞1时，变压器降低电源电压，称为降压变压器；当KU＜1时，变压器升高电源电压，称为升压变压器。三相变压器的变流公式为：
I1/I2=U2/U1=1/KU=KI.（2）
举一个实际例子进行说明：已知1台三相变压器的额定容量SN=100kVA、U1N=10kV、U2N=380V、cosΦ=0.8、N2=200，求PN、I1N、I2N、N1.解：PN=SVcosΦ=100×0.8=80kW，I1N=SN/（U1N）=100/（3×10）=5.77A，I2N=SN/（3U2N）=100000/（3×380）=151.8A，或I2N=（U1N/U2N）I1N=（10000/380）×5.77=151.8A，N1=（U1N/U2N）N2=（10000/380）×200=5263匝。从计算过程当中可以看出，三相接线变压器能让电压比计算更加清晰，有助于对供电系统中电力变压器进行深入研究。3Y/△－11主变压器过负荷案例分析Y/△－11主变压器承担单相牵引负荷时，其设计容量利用率为75.6%。两个重负荷绕组电流达到额定值时，轻负荷绕组的电流只达到0.378倍的额定电流，变压器没有达到额定温升，考虑到温度系数后，可在额定容量的基础上再提高11.1%，即其容量利用率为84%。由此看出Y/△－11型变压器容量利用率较低，其过负荷能力较弱，一般为额定容量的1.5倍。
4 V/V主变压器过负荷案例
大准线大红城变电所211馈线供电臂长度19.8km，区间最大坡度5‰，主变压器为Y/Y接线，容量20000+25000KVA，主变压器一次侧额定电流为165A，二次侧额定电流为661A。2016年1月以来，随着运量的不断增加，频繁出现主变压器过负荷告警，或211馈线阻抗II段保护动作跳闸。仅2016年2月1日～15日就发生过负荷告警18次，跳闸2次。
4.1负荷电流分析
通过对过负荷数据进行分析，发现该变电所过负荷电流有以下特点：110kV系统最大负荷电流为304A，持续时间为3min，最大过负荷倍数1.84。过负荷持续时间小于5min。牵引变电所负荷率小于0.5。
4.2馈线跳闸分析
通过对大红城变电所211馈线闸数据的分析，发现211馈线跳闸均为阻抗II段动作，且重合成功。主要有以下特点：跳闸电压值范围为20118～26839V，跳闸电流值范围为813～1155A，电抗值范围5.06～5.08Ω，阻抗角45°左右。
4.3运行温度分析
变压器过负荷运行时，其温升较高，变压器绕组的绝缘老化程度与温度有关，变压器绝缘材料在80℃～140℃范围内，温度比98℃每升高6℃～8℃，老化速度增加一倍，反之降低一倍。Y/△－11型变压器过负荷倍数一般不超过1.5倍，牵引变压器的负荷率一般较低，远小于1，其过负荷倍数及时间允许增加。
结束语
运行中的牵引变电所主变压器容量是固定不变的，但是在运行过程中经常出现运量提升或增加专用线的情况，导致牵引主变压器过负荷。通过上述的分析可以得出，合理确定牵引变压器过负荷倍数，科学的修定保护定值，同时根据线路情况进行牵引供电能力计算，提出合理的车流排放方案，可以最大限度的发挥牵引主变压器的过负荷能力，在完成铁路运输任务的同时保证牵引供电设备的正常运行。
参考文献：
[1]程瑛颖，张永岚，肖冀．牵引供电系统高压侧电流互感器配置［J］．电气技术，2014（2）：25－29．
[2]国家能源局．电能计量装置技术管理规程：DL/T448—2016［S］．北京：中国电力出版社，2017．
论文作者:刘奇光
论文发表刊物:《电力设备》2018年第25期
论文发表时间:2019/1/16
标签：变压器论文; 绕组论文; 负荷论文; 电压论文; 接线论文; 容量论文; 装置论文; 《电力设备》2018年第25期论文;