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供变电 电气化铁道 2023年第3期 30 DOI：10.19587/ki.1007-936x.2023.03.007 卷铁心牵引变压器研制分析和运用 薛卫星 摘 要：在电气化铁路中，列车牵引时耗费电能大，其中牵引变压器的电能损耗不可忽视。为节约电能，根据相关规范要求，结合实际运用需求，提出卷铁心牵引变压器设计要求。采用卷铁心技术，开展牵引变压器结构技术设计和电气技术设计，进行型式试验和特殊试验，并在现场试用。试用结果表明，卷铁心牵引变压器的空载损耗比、噪音、突发短路阻抗优于标准中规定的技术指标，满足设计要求。关键词：牵引供电系统；牵引变压器；卷铁心 Abstract:The train traction consumes a large amount of electrical energy during the train running on the electrified railway,and the electrical energy loss of traction transformers cannot be ignored.In order to save the electrical energy,with conforming to the requirements of relative specification and with connection to the practical application,design requirements for coil core traction transformer are put forward.By application of coil core technology,structural design and electrical design of the traction transformer have been conducted,type test and special test have been conducted and it has been put into service on site.The trial results show that parameters of the no-load loss ratio,noise and sudden short circuit impedance are superior to the those specified in relative standard and conform to the design requirements.Key words:traction power supply system;traction transformer;coil core 中图分类号：U224.2 文献标识码：B 文章编号：1007-936X(2023)03-0030-05 0 引言 电气化铁路牵引供电系统中，牵引变压器将电力系统供给的110 kV或220 kV 三相交流电转换为电力机车或动车组使用的 27.5 kV 单相交流电。在列车处于牵引工况时耗费电能大，而其中牵引变压器的电能损耗不可忽视。按照节能环保要求，研制一种节能型卷铁心牵引变压器非常必要。1 设计要求 根据 GB/T 1094电力变压器系列标准1-6、TB/T 31592021电气化铁路牵引变压器7和JB/T 107762007220 kV 单相牵引变压器8，结合实际运用要求，提出卷铁心牵引变压器正常使用条件和技术性能要求。正常使用条件：（1）海拔高度小于或等于 1 000 m；（2）环境温度最低为25（室外），最高为40；（3）月平均相对湿度小于或等于 95%RH；（4）电源电压的波形应为正弦波，且三相电源电压应近似对称，近似对称意味着连续的最高相间电压与最低相间电压差不应高于 1%，或在异常短期 作者简介：薛卫星.中国铁路上海局集团宁安铁路有限责任公司，高级工程师。（近似 30 min）情况下，不应高于 2%；（5）安装地点最大风速为 35 m/s，覆冰厚度不大于 10 mm，地震引发的地面加速度水平方向低于 3 m/s2，垂直方向低于 1.5 m/s2。安装环境条件按 GB/T 26218.120109中污秽等级考虑。技术性能参数主要包括变压器绕组绝缘、温升、短路阻抗和负载损耗、过负荷能力、短路承受能力、声级、局部放电量、空载损耗和空载电流等。对于不同额定电压等级、额定容量、联接组别方式的变压器，各技术性能参数应满足 TB/T 31592021 电气化铁路牵引变压器要求。2 卷铁心技术 卷铁心牵引变压器的核心技术是卷铁心技术。依据计算数据，通过硅钢料带剪切机组将采用晶粒取向的硅钢卷料沿折线剪切为不同尺寸的梯形料带，然后将剪切后的梯形料带通过铁心卷绕机组逐层连续卷绕，制成封闭形铁心，即成型铁心。成型铁心经真空退火炉真空退火后，形成变压器铁心。卷铁心如图 1 所示。卷铁心牵引变压器研制分析和运用 薛卫星 供变电 31 图 1 卷铁心 3 关键技术设计 3.1 结构设计 变压器的结构设计是为了实现电气设计方案确定的性能参数指标，对变压器绕组、铁心、引线、油箱、冷却散热器等部件的结构及部件装配组合关系进行的具体工程设计。3.1.1 铁心 卷铁心牵引变压器与叠铁心变压器相比，卷铁心没有接缝，经过高温退火消除应力，空载损耗和空载电流得到大幅降低；磁路连续无气隙，能保证磁通方向与硅钢带的晶粒取向一致，使材料的优良性能得到充分发挥，具有空载损耗低、空载电流小、运行噪音低、长时耐过负荷裕度高、抗短路能力强等特点。3.1.2 绕组 绕组是变压器的电路部分，由电导率较高的铜导线绕制而成，应具有足够的绝缘强度、机械强度和耐热能力。绕组包括高压绕组和低压绕组。高压绕组采用饼式结构，高、低压线圈油路平行，便于油流循环。采用撑条定位件，锁定高、低压线圈相对位置和同心度。低压绕组采用高强度的自粘性半硬导线绕制，大大提高了变压器短路耐受能力。3.1.3 器身及引线 器身及引线是变压器内部的核心部件。器身由绕组和铁心组成，样机器身为单框双柱式结构，两柱铁心分别设置两组非轴向分裂高、低压绕组。主绝缘采用薄绝缘小油隙的组合绝缘结构，有效提高主绝缘耐电强度。器身端部采用高强度压板和器身锁紧装置，能有效抵御器身轴向分力的破坏作用。引线连接均采用软铜电缆合金铜端子冷压接和单层往复式绕包工艺，且对引线连接处分别用铝箔和屏蔽环进行电屏蔽，杜绝了可能存在的沿面放电隐患。优化了常规的导向油槽布置，提高轴向油流的散热效率。3.1.4 抗短路能力校核 载流导体处在漏磁场中承受电动力的作用，由于短路电动力与短路电流的平方成正比，故短路时绕组所受的电动力为额定时的几百倍。电路电动力计算式为 2dNmr(2)6.470fILFheZ （1）式中：Fr为内线圈的幅向力，N；Lm为线圈平均周长；h 为线圈高度，mm；为线圈匝数；2fd为系数，取决于短路阻抗中电阻与电抗的比值，通常取1.8；IN为线圈额定电流，A；eZ为短路阻抗，%。根据式（1）计算结果，不断优化绕组机械强度和铁心机械强度。加强绕组机械强度的方法为优化区域安匝平衡分布，应用高强度半硬自粘性换位导线，以及充填绕组径向成型件，轴向恒压止回弹等。加强铁心机械强度的方法可采用高强度大板式夹件组成框架结构，在铁心表面涂覆高渗透性的固化剂。3.2 电气设计及校核 变压器的电气设计对于变压器整体性能起着决定性作用，电气设计的核心体现在对变压器内部电场、磁场和温度场 3 个方面的精准计算和校验。3.2.1 电场 变压器在复杂的三维空间内运行过程中会产生电场现象，这些电场是客观存在的，因此需要基于电场的分布和状态进行所有绝缘设计，并对绕组饼间和绕组段间电位振动、极限无局部放电许用电场强度、绕组间纵横向漏磁电抗和线饼的轴向涡流及横向涡流进行计算和校验。（1）绕组段间电位分布计算。利用模拟仿真软件，模拟并计算在全波冲击和载波冲击电压作用下绕组段间电位分布，如图 2 所示。通过模拟仿真计算，不断优化绕组及其绕组段间距离。仿真计算结果表明，绕组段间绝缘满足设计要求。图 2 绕组段间电位分布（2）极限无局部放电许用电场强度计算。利供变电 电气化铁道 2023年第3期 32 用模拟仿真软件计算得到极限无局部放电许用电场强度分布，如图 3 所示。可知，通过合理控制电场场强，既保持变压器器身内部各点间足够的绝缘裕度，又使变压器器身内部各点间绝缘裕度满足设计要求。图 3 极限无局部放电许用电场强度（3）绕组间纵横向漏磁电抗计算。利用模拟仿真软件计算得到绕组间纵横向漏磁电抗，如图 4所示。通过仿真计算，该设计不仅满足动车组牵引变并联运行或备用状态等，还考虑了远高于国家标准的严苛要求，实现绕组间纵横向漏磁电抗的不断优化。图 4 绕组间纵横向漏磁电抗仿真计算结果（4）线饼的轴向涡流和横向涡流计算。利用模拟仿真软件计算得到线饼的轴向涡流和横向涡流分布，如图 5 所示。通过不断仿真计算线饼的轴向涡流和横向涡流，获得发生最大涡流的线饼位置，改进油路导油结构，降低绕组的最热点温升。图 5 线饼的轴向涡流和横向涡流分布 3.2.2 磁场 主磁场决定变压器的主要电气性能参数，漏磁场则是影响热稳定和力稳定的源发因素。变压器磁场仿真计算包括主磁场和漏磁场仿真计算。（1）主磁场计算。对于一个已经被设计定型的变压器，当磁路的物理结构保持不变时，变压器的磁通变化将遵循公式 U=4.44fN，式中的某一个参数变化均会引起其他数据发生相应变化。通常情况下变压器的匝数 N、频率 f 不变，所以变压器主磁通的大小只随变压器一次侧电压的大小变化而变化，电压升高主磁通将增大。主磁通由一、二次磁动势共同励磁，一次漏磁通由一次磁动势励磁，二次漏磁通由二次磁动势励磁。变压器投入运行后，无论是空载运行还是带载运行，由于励磁电流在铁心中流通产生的损耗总是存在的，且基本保持不变，而负载损耗即铜耗随着负载电流的增加而增大。变压器无论在高压侧或低压侧进行空载试验，励磁电压都为额定电压，铁心中流通过的磁通大小相等，无论从高压侧还是从低压侧测得的铁心损耗均相同。从高压侧测得并计算得到的励磁阻抗值为归算至高压侧的励磁阻抗值，从低压侧测得并计算得到的励磁阻抗值为归算至低压侧的励磁阻抗值，两者的标幺值相等。利用模拟仿真软件，可计算得到主磁场分布。（2）漏磁场计算。利用模拟仿真软件计算得到漏磁场分布，如图 6 所示。图 6 漏磁场分布 根据变压器绕组的安匝分布，可以计算出变压器内部金属结构件（铁心拉板、夹件）及变压器油箱各点的漏磁通量，由此获得夹件和油箱的最大温升，针对结构件中温升数据，确定是否需要采取油箱磁屏蔽及使用低磁钢板制作结构件等措施，以防止结构件的局部过热，同时降低变压器的杂散损耗。根据变压器绕组的安匝分布，计算出在变压器出口短路情况下的各绕组所有线段受力状况，包括卷铁心牵引变压器研制分析和运用 薛卫星 供变电 33 轴向机械力、辐向机械力、内绕组向内弯曲应力、外绕组向外拉伸应力、垫块压缩应力、端部导线应力、线段侧倒力以及螺旋式绕组的反弹力等，为提高变压器抗短路能力提供可靠的理论依据。3.2.3 温度场 变压器绝缘的老化程度取决于温度和氧的持续作用时间，变压器绝缘所处的温度允许极限值对变压器制造成本和运行可靠性具有重要影响。因此，需对温度场进行模拟仿真计算，包括强迫油循环油流和铁心截面分割计算。（1）强迫油循环油流计算。利用模拟仿真软件计算油循环下各绕组的油流量分配及油道、节流孔流速和绕组对油的平均温升，进而得到温度场分布，如图 7 所示。（a）油流量分配及油道、节流孔流速对油的平均温升 （b）绕组对油的平均温升 图 7 温度场分布 计算油循环下各绕组的油流量分配及油道、节流孔流速和绕组对油的平均温升，合理调整冷却散热器配置、导油孔和油道的规格和位置，合理分配控制油流量及流速，抑制油流带电，提高散热效率，延缓绝缘老化，延长变压器的使用寿命。（2）铁心截面计算。利用模拟仿真软件计算得到铁心截面，铁心及其截面如图 8 所示。（a）铁心 （b）铁心截面 图 8 铁心及其截面 设定铁心在 110%过励磁情形下的铁心内部容许温升和表面容许温升后，计算出满足温升条件的合理的铁心截面，对于保证变压器铁心的正常使用寿命非常必要。4 试验和运用验证 4.1 试验 以型号为QYS-R-(31500+25000)/220的牵引变压器为例，依据相关检验依据及技术合同要求，开展型式试验以及短路承受能力试验、过负荷能力试验等特殊试验，形成试验报告。试验结果表明，QYS-R-(31500+25000)/220 牵引变压器例行试验、型式试验、声级测定、空载电流谐波测量、短路承受能力试验、无线电干扰测量、长时间空载试验、过负荷能力试验、绕组对地和绕组间电容测定、变压器本体上的电容式套管的电容量及介质损耗因数（tan）测量、励磁特性测量、油箱表面热点温升测量、绕组频谱分析测量、油箱机械强度试验的试验结果均符合检验标准和技术服务合同要求，上述试验均合格。4.2 运用效果 该型牵引变压器自 2014 年在山西中南部通道重载铁路安装运行至今，稳定可靠，效果良好，其主要性能指标要求与测得值见表 1。由表 1 可知，QYS-R-(31500+25000)/220 的空载损耗、局部放电、噪声、过负荷能力和短路试验阻抗变化率等主要性能指标均优于标准规定和合同要求。空载损耗比标准要求的下降了 50%以上，噪声仅 47 dB，6 次短路试验后阻抗变化率小于0.1%，优于国家标准中规定（小于 2%）。供变电 电气化铁道 2023年第3期 34 表 1 QYS-R-(31500+25000)/220 型卷铁心变压器主要性能指标要求与测得值 指标名称 TB/T 31592021/JB/T 107762007 要求 合同要求 测得值 空载损耗/kW 54 41 32.4 局部放电/pC 200 200 50 噪声/dB 92（声功率级）62（声压级）47（声压级）69（声功率级）过负荷能力 TB/T 31592021 中 过载曲线 TB/T 31592021 中 过载曲线 优于标准 短路试验阻抗变化率/%2 2 0.1 5 结语 为实现节能环保目标，根据 GB/T 1094，TB/T 31592021 和 JB/T 107762007 要求，结合实际运用需求，提出卷铁心牵引变压器设计要求。采用卷铁心技术，开展牵引变压器结构技术设计和电气技术设计，进行型式试验和特殊试验，并在现场试用。试用结果表明，现场应用的卷铁心牵引变压器的空载损耗比、噪音、突发短路阻抗优于标准中的规定指标，满足设计要求；相比标准，每台QYS-R-(31500+25000)/220 牵引变每年可节电 18万 kW h，减少约 57 t 标准煤消耗，减少 155.7 t 二氧化碳排放，能够起到节能环保的作用。参考文献：1 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 1094.12013 电力变压器 第 1部分：总则S.北京：中国质检出版社，2018.2 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 1094.22013 电力变压器 第 2部分：液浸式变压器的温升S.北京：中国质检出版社，2014.3 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 1094.32017 电力变压器 第 3部分：绝缘水平、绝缘试验和外绝缘空气间隙S.北京：中国质检出版社，2017.4 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 1094.52008 电力变压器 第 5部分：承受短路的能力S.北京：中国标准出版社，2008.5 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 1094.72008 电力变压器 第 7部分：油浸式电力变压器负载导则S.北京：中国质检出版社，2008.6 国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会.GB/T 1094.102022 电力变压器 第 10 部分：声级测定S.北京：中国质检出版社，2022.7 国家铁路局.TB/T 31592021 电气化铁路牵引变压器S.北京：中国铁道出版社，2022.8 中华人民共和国国家发展和改革委员会.JB/T 107762007 220 kV 单相牵引变压器S.2007.9 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 64512015 油浸式电力变压器技术参数和要求S.北京：中国标准出版社，2015.收稿日期：2023-04-19 （下转第 29 页）18 宋平岗，林家通，李云丰，等.采用 MMC-RPC 治理牵引供电系统负序和谐波的 PIR 控制策略J.电工技术学报，2017，32（12）：108-116.19 慕玫君，林飞，杨中平，等.基于多重化电流跟踪控制的电力机车辅助变流器抑制车网谐振的方法J.电工技术学报，2018，33（s1）：139-148.20 林国松.牵引供电系统新型保护与测距原理研究D.成都：西南交通大学，2010.21 申冀苏.牵引变电所馈线保护装置误动事件分析J.电气化铁道，2020，31（1）：71-73.收稿日期：2022-10-08 考虑牵引负荷动态特性的牵引网高阻接地保护方案 徐力军 供变电 29 表 5 不同容量下保护动作边界 容量/MA V 传统距离保护整定值/固定整定边界距离段保护整定值/考虑牵引负荷动态特性的 三段式距离保护整定值/空载 轻载 中载 重载 25 18.44 79.81 72.01 243.21 121.6 79.81 31.5 64.34 193.02 96.51 64.34 50 39.9 121.61 60.8 39.9 75 26.6 81.07 40.53 26.6 从表 5 可以看出，无论是传统二段式距离保护还是固定整定边界的保护，均有随着牵引变压器容量的扩充而出现高阻接地故障拒动的可能，而本文所提的考虑牵引负荷动态特性的三段式距离保护对不同容量下牵引供电系统保护动作边界的整定，均不会因重载负荷而造成误动，可以有效提高牵引供电系统可靠性。4 结论 本文针对高速铁路 AT 供电方式牵引网高阻接地故障时传统保护拒动问题，详细分析其原因并提出一种考虑牵引负荷动态特性的牵引供电系统高阻接地故障保护方案，结论如下：（1）通过理论推导说明了全并联 AT 供电牵引网断线接地故障呈高阻特性，利用接地短路、断线接地情况下的阻抗特性揭示了断线接地故障容易引起馈线保护装置拒动的原因。（2）提出的距离后备保护能准确区分高阻接地故障特性和牵引负荷动态特性，保证馈线保护装置动作的可靠性；与传统距离保护配合形成一种三段式保护方案，保证馈线保护装置的选择性。（3）采用的通信网络可利用既有远动系统，无需重新装设通信网络，建设成本较低。（4）所提新方案不受牵引变压器容量和线路阻抗大小的影响，同时可对未来牵引供电系统扩容改造后的馈线距离保护边界修正提供理论基础。参考文献：1 高仕斌.高速铁路牵引供电系统新型保护原理研究D.成都：西南交通大学，2004.2 徐红红，陈小川，张雷，等.全并联 AT 供电牵引网断线接地阻抗计算与分析J.继电器，2008，36（2）：6-9.3 左才，陈小川，李波.客运专线牵引网保护方案设计J.电气化铁道，2010（3）：9-10.4 段少卿.全并联 AT 供电牵引网继电保护方案研究D.石家庄：石家庄铁道大学，2019.5 王浩民.大秦线牵引供电系统高阻接地问题探讨J.科技情报开发与经济，2009，19（28）：157-159.6 高艳平，陈林，杨健.郑武线馈线保护存在问题分析及改进措施J.电力科学与工程，2006（3）：41-43.7 傅祺.牵引供电系统高阻接地故障分析与保护整定研究J.电气化铁道，2020，31（5）：36-38+45.8 安林，王军，李钢，等.电气化铁路自耦变压器供电接触网断线接地故障的识别J.电力系统自动化，2010，34（23）：92-96.9 刘尧，金能，邢家维，等.基于割电流的配电网选择性快速辅助保护方法J.电工技术学报，2018，33（20）：4888-4900.10 刘淑萍，高仕斌.Scott 接线变压器后备距离保护研究J.电力系统保护与控制，2013，41（23）：109-114.11 孙兴虎.牵引网保护整定计算的探讨J.电气化铁道，2019，30（s1）：119-124.12 刘建华，沈松伟，周明平，等.一种新型城市轨道交通馈线电流保护方法J.电力系统保护与控制，2016，44（22）：84-89.13 李博.地铁直流供电系统模型及保护特性分析D.广州：华南理工大学，2018.14 张天宝.电气化铁道变电所馈线保护研究D.济南：山东大学，2006.15 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