馬 君

(臥龍電氣銀川變壓器有限公司，寧夏 銀川 750200)

在電氣化鐵路設(shè)計中，各設(shè)計院根據(jù)每條鐵路線路運量情況和線路特點，會單獨提出1條符合線路運行情況的過負荷曲線。根據(jù)參考文獻[1]中規(guī)定，變壓器按圖1所示的典型負荷曲線運行(負載周期約6.0 h)，按環(huán)境溫度30 ℃，繞組熱點溫度不超過140 ℃，頂層油溫不超過105 ℃；同時對圖中的K1也做了規(guī)定：常速單線取0.5，常速復線取0.6，客運線或重載鐵路取0.7～0.8。

圖1 典型負荷曲線

變壓器在計算之初，要考慮用戶提出的負荷曲線要求，在計算出繞組溫升、油平均溫升、頂層溫升及其他基本參數(shù)時，可先核算按負荷曲線運行后各狀態(tài)下的熱點溫度，如果均滿足上述條件，則認為此設(shè)計滿足用戶的過負荷要求。變壓器設(shè)計方案經(jīng)濟性主要決定于電密、溫升限制、損耗等

參數(shù)，其中鐵路牽引變壓器由于特殊的運行狀況需要提前驗算過負荷能力，這就決定于電密及損耗、溫升的計算。

1 變壓器過負荷能力計算

計算變壓器繞組熱點溫度有指數(shù)方程法和微分方程法[2]。由于牽引變壓器負荷情況比較貼切指數(shù)方程中的負荷軌跡，普通電力變壓器過負荷情況比較符合微分方程的計算方式，故牽引變壓器采用指數(shù)方程法計算。

自然油冷卻變壓器穩(wěn)態(tài)熱點溫度計算公式如下：

(1)對應(yīng)于負載系數(shù)K的溫度增加值

(2)對應(yīng)于負載系數(shù)K的溫度減少值：

式中：θh—繞組熱點溫度，℃

θa—環(huán)境溫度，℃；

Δθoi—開始時的頂層油(油箱內(nèi))溫升，K；

Δθor—額定損耗(空載損耗+負載損耗)下頂層油(油箱內(nèi))穩(wěn)態(tài)溫升；

K—負載系數(shù)(負載電流/額定電流)；

R—額定電流時的負載損耗與空載損耗之比；

x—總損耗對頂層油(油箱內(nèi))溫升的指數(shù)冪(油指數(shù))；

y—電流對繞組溫升的指數(shù)冪(繞組指數(shù))

Δθhi—開始時熱點溫度對頂層油溫(油箱內(nèi))的梯度，K；

H—熱點系數(shù)；

gr—額定電流下繞組平均溫度對油平均溫度(油箱內(nèi))的梯度，K。

2 國外標準對過負荷能力的解讀

根據(jù)參考文獻[3]優(yōu)選級別，將過負荷等級分為15個等級，如表1所示；按應(yīng)用類型分別區(qū)分，如圖2-圖5所示。圖中，Ia為初始電流；Ib、Ic為過負荷電流 ；IN為額定電流；ta為電流Ia預(yù)熱周期時間；ta-bc-為冷卻時間；tb、tc分別為過載持續(xù)時間；Δt表示持續(xù)時間。

圖2 測試周期的級別從IA到IF

圖3 測試周期的級別 V,VI,VII

圖4 測試周期的級別VIII,IXA、IXB 和 JP

表1 過負荷等級劃分

圖5 測試周期的級別CN

以上為國外牽引變壓器的過負荷運行歸類，可以看出國外過負荷更為詳細，制造廠家可按相應(yīng)的等級進行變壓器過負荷能力的核算。

3 計算實例

3.1 國內(nèi)鐵路項目

國內(nèi)某條線路用主變壓器的參數(shù)，如表2所示。其過負荷曲線如圖6所示。

表2 參 數(shù)

圖6 過負荷曲線

按參考文獻[1]計算結(jié)果如下從表3來看，繞組熱點溫度最高的是第3個過負荷周波過后，計算結(jié)果為138 ℃<140 ℃，該產(chǎn)品滿足用戶過負荷要求值。

表3 計算結(jié)果

3.2 國外合同產(chǎn)品

國外已供貨某條鐵路線路用主變壓器的參數(shù)如表4所示。

表4 參 數(shù)

在完成100%負載測試后，應(yīng)對變壓器饋入電源，該電流應(yīng)循環(huán)1 h之后，電流應(yīng)增加至額定電流的150%，并保持15 min。在15 min后，應(yīng)切斷電源，并記錄切斷電源的時間。

在完成150%負載測試后，應(yīng)對變壓器饋入電源，該電流應(yīng)循環(huán)1 h之后，電流應(yīng)增加至額定電流的200%，并保持5 min。在5 min后，應(yīng)切斷電源，并記錄切斷電源的時間。

按參考文獻[1]標準計算結(jié)果如下:

150%IN保持15 min以后熱點溫度計算值為高壓110 ℃、低壓93 ℃；

200%IN保持5 min以后熱點溫度計算值為高壓113 ℃、低壓95 ℃；

從計算結(jié)果來看，繞組熱點溫度計算結(jié)果均小于140 ℃，該產(chǎn)品經(jīng)檢測中心過負荷能力試驗，試驗結(jié)果滿足用戶過負荷要求值，經(jīng)國家電氣產(chǎn)品檢驗中心檢驗，結(jié)果見表5。

表5 150%IN試驗值

表6 200%IN試驗值

3.3 國外投標鐵路項目

國外某鐵路線路用主變壓器參數(shù)要求如表7所示。

表7 參數(shù)要求

按設(shè)計數(shù)據(jù)逐一帶入，此計算方案滿足參考文獻[2]中JP級別的過負荷要求，計算結(jié)果見表8。

表8 計算結(jié)果

按24 h計算累積效果，繞組熱點溫度最高為130.2 ℃，投標應(yīng)答過負荷級別為JP級別。

4 結(jié) 論

國外牽引變壓器和國內(nèi)牽引變壓器過負荷要求不太一樣，國內(nèi)具體有專門的負荷曲線要求，根據(jù)參考文獻[4]和參考文獻[5]規(guī)定，只要方案計算時滿足熱點溫度不大于140 ℃就可以認為該方案滿足符合要求，而國外項目在方案核算過程中，需要提交方案滿足哪個級別的過負荷情況，作為評價產(chǎn)品性能的依據(jù)，所有的牽引變壓器方案都需要通過提前計算有效指導設(shè)計參數(shù)的調(diào)整，其中包括電流密度的選取，油流散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計等，依據(jù)此參數(shù)可以采取合理的銅鐵比使變壓器在滿足不同用戶要求的前提下更經(jīng)濟。