鄧云川 劉 梅

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 成都 610031)

電氣化鐵路牽引負(fù)荷受線路坡道、運(yùn)輸組織等因素影響，變化較為劇烈，普遍存在瞬時(shí)或短時(shí)負(fù)荷較大，平均負(fù)荷較小的現(xiàn)象。牽引變壓器安裝容量通常按照滿足瞬時(shí)或短時(shí)負(fù)荷，并考慮一定的過負(fù)荷倍數(shù)來確定。在實(shí)際運(yùn)行中，由于牽引變壓器并未結(jié)合牽引負(fù)荷特點(diǎn)針對(duì)性地提高牽引變壓器的短時(shí)過載能力，導(dǎo)致牽引變壓器安裝容量較大、容量利用率較低、基本電費(fèi)支出較高的不合理情況普遍存在[1-3]。

為提高牽引變壓器容量利用率，降低安裝容量，減少運(yùn)營電費(fèi)支出，目前主要采取了以下措施：(1)研制并應(yīng)用了單相接線、Vv接線等容量利用率較高的牽引變壓器；(2)按最大需量法確定變壓器的基本電費(fèi)。上述措施在一定程度上取得了較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，但并未從根本上解決相關(guān)問題。根據(jù)鐵路部門的資料統(tǒng)計(jì)，目前，全國牽引變壓器的平均容量利用率不足20%。而對(duì)于變壓器而言，當(dāng)其容量利用率為30%～70%時(shí)，變壓器處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)，當(dāng)其容量利用率位于20%～30%或70%～100%時(shí)，變壓器處于不良運(yùn)行區(qū)，而當(dāng)其容量利用率低于20%時(shí)，變壓器處于最劣運(yùn)行區(qū)。因此，亟需解決牽引變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀況較差，負(fù)荷需求與容量配置匹配度較差的不合理現(xiàn)象[4-6]。

牽引變壓器的工作壽命取決于其絕緣系統(tǒng)，而絕緣系統(tǒng)的機(jī)械強(qiáng)度是影響工作壽命的決定因素。當(dāng)絕緣達(dá)到老化終點(diǎn)時(shí)，變壓器將因絕緣系統(tǒng)的機(jī)械強(qiáng)度出現(xiàn)問題而發(fā)生故障。目前，牽引變壓器基本采用油紙絕緣系統(tǒng)，變壓器油作為絕緣和散熱介質(zhì)，充滿油箱。通常采用燃點(diǎn)為165 ℃的礦物油，繞組導(dǎo)體包繞絕緣紙，線圈對(duì)地間以紙板絕緣。牽引變壓器絕緣耐熱等級(jí)為A級(jí)，長(zhǎng)期最高工作溫度為105 ℃，最熱點(diǎn)溫度不超過140 ℃。絕緣壽命的決定因素是絕緣工作溫度，也就是絕緣最熱部分的工作溫度。最高溫度由環(huán)境溫度、繞組平均溫升、繞組最高溫度與平均溫度間的梯度構(gòu)成，目前，牽引變壓器繞組的平均溫升按 65 K控制，頂層油的溫升按55 K控制[7-9]。

為提高牽引變壓器的過負(fù)荷能力，可通過改善牽引變壓器絕緣材料的熱性能，使其能在更高的溫度下工作，同時(shí)維持使用壽命不變。

1 牽引變壓器溫升計(jì)算

牽引變壓器的運(yùn)行壽命可通過蒙托辛格氏法則計(jì)算,即:

壽命=De-pθ

(1)

式中：D——變壓器正常壽命，通常為30 a。

按照維持正常使用壽命的熱點(diǎn)溫度為98 ℃，溫度每增加6 ℃絕緣壽命減少1/2，可得p=0.115 5 ℃，θ=變壓器熱點(diǎn)溫度-98 ℃。

任意負(fù)荷下，變壓器的最熱點(diǎn)溫度為環(huán)境溫度、頂層油溫升加熱點(diǎn)與頂層油溫升之間的溫度差：

(2)

式中：θa——環(huán)境溫度；

Δθor——繞組頂部油溫升；

R——損耗比；

K——變壓器繞組負(fù)載率；

x——油的指數(shù)；

y——繞組指數(shù)；

Hgr——熱點(diǎn)對(duì)繞組頂部油的溫差。

某牽引變電所采用單相牽引變壓器，安裝容量為40 MVA， 1 d負(fù)荷電流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖1所示。

根據(jù)相關(guān)參數(shù)，計(jì)算變壓器頂層油溫升、繞組對(duì)油溫升和最熱點(diǎn)溫度分別如圖2～圖4所示。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖1 某牽引變電所1d負(fù)荷電流實(shí)測(cè)曲線

圖2 頂層油溫升曲線

圖3 繞組對(duì)油溫升曲線

圖4 最熱點(diǎn)溫度曲線

表1 溫升計(jì)算結(jié)果表

牽引變壓器頂層油溫升限值為55 K,繞組溫升限值為65 K。從計(jì)算結(jié)果可以看出，該牽引變壓器雖短時(shí)出現(xiàn)2倍左右的過負(fù)荷，但溫升還有較大富余。

2 牽引變壓器絕緣材料

2.1 液體絕緣材料

大型變壓器基本都采用油作為液體絕緣材料，油在變壓器中主要起三個(gè)作用：一是給各帶電導(dǎo)體提供包圍它們的絕緣介質(zhì)，同時(shí)給設(shè)備內(nèi)部的金屬表面提供一個(gè)保護(hù)層，抑制金屬表面氧化等化學(xué)反應(yīng)；二是作為散熱介質(zhì)，通過油的輻射、傳導(dǎo)、對(duì)流將線圈和鐵心局部溫度較高的部件熱量傳遞到周圍環(huán)境；三是用于指示變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，通過分析變壓器油的物理和化學(xué)狀態(tài)可得到變壓器的診斷信息。

結(jié)合變壓器油的作用，其重要的性能要求有：低粘度、低傾點(diǎn)、高閃點(diǎn)、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、很高的電氣強(qiáng)度。其不太重要的性能要求有：高比熱容、高導(dǎo)熱率、很好的沖擊強(qiáng)度、很高的介電常數(shù)、低溶解能力、低密度、好的熄弧性、無毒、環(huán)保性。

礦物油是目前性價(jià)比最高的變壓器液體絕緣材料，因而得到廣泛采用。為滿足一些特殊場(chǎng)合的特殊需求，硅油、天然脂、合成脂等液體絕緣材料也有被采用。不同液體絕緣材料性能指標(biāo)如表2所示。

表2 不同絕緣油特性指標(biāo)表

2.2 固體絕緣材料

高壓變壓器中的固體絕緣介質(zhì)主要由包繞繞組導(dǎo)體的絕緣紙和繞組對(duì)地絕緣的紙板構(gòu)成。油浸變壓器中的固體絕緣材料一般以纖維素為基礎(chǔ)材料，目前以由未漂白牛皮紙漿制作的纖維素紙和紙板為主。固體絕緣主要起絕緣、機(jī)械強(qiáng)度和耐熱三個(gè)作用，其主要的性能要求有：(1)具有高的絕緣強(qiáng)度；(2)介電參數(shù)與變壓器油的介電常數(shù)接近；(3)低介電損耗因子；(4)不含導(dǎo)電粒子。

為提高絕緣紙的延展性，20世紀(jì)70年代開發(fā)了皺紋紙，后又開發(fā)了彈性更好的高伸長(zhǎng)率CLUPAK紙。為提高絕緣紙的熱穩(wěn)定性，通過在制造過程中添加穩(wěn)定劑開發(fā)了耐高溫紙，又稱熱改性紙。用于絕緣繞組導(dǎo)體和引線的紙品，不提供機(jī)械支撐。絕緣紙板的一個(gè)主要作用是在短路過程中支撐繞組，紙板分為壓光紙板、預(yù)壓紙板和造型紙板三種。此外，目前有廠家生產(chǎn)了一種聚酰芳胺絕緣紙，目前主要有410型和910型，410型為C級(jí)耐熱材料，910型為B級(jí)耐熱材料。不同固體絕緣材料的性能指標(biāo)如表3所示。

表3 不同固體絕緣材料特性指標(biāo)表

3 采用高溫絕緣材料的液浸式變壓器

3.1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

變壓器通過采用高溫絕緣材料，可提高變壓器的過載能力和防火能力，延長(zhǎng)使用壽命。若絕緣液采用合成脂或天然脂，即便發(fā)生泄漏，也可實(shí)現(xiàn)生物降解、綠色環(huán)保。若絕緣紙采用熱改性紙，則可因其具有較好的溫度、水分和氧適宜性，從而進(jìn)一步提高變壓器的整體技術(shù)優(yōu)勢(shì)。為規(guī)范采用高溫絕緣材料的液浸式變壓器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，國際電工委員會(huì)制定并頒布了IEC/TS 60076-14：2009《電力變壓器 第14部分：采用高溫絕緣材料的液浸式變壓器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用》國際標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)引用IEC標(biāo)準(zhǔn)，制定并頒布了GB/Z 1094.14-2011《電力變壓器 第14部分：采用高溫絕緣材料的液浸式變壓器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用》國家標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 絕緣系統(tǒng)分類

根據(jù)不同的高溫固體絕緣材料與高溫液體材料組合，GB/Z 1094.14-2011《電力變壓器 第14部分：采用高溫絕緣材料的液浸式變壓器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用》提出了局部混合絕緣系統(tǒng)、半混合絕緣系統(tǒng)、混合絕緣系統(tǒng)和均勻絕緣系統(tǒng)4種變壓器絕緣系統(tǒng)。

局部混合絕緣系統(tǒng)指位于繞組熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的緊貼繞組導(dǎo)線的絕緣(包括繞組導(dǎo)線絕緣和有必要時(shí)與該區(qū)域中導(dǎo)線接觸的墊塊、撐條和紙筒)采用高溫固體絕緣材料，而在繞組其余部分和其他溫度低的區(qū)域中采用耐熱等級(jí)為105限值的絕緣材料能滿足要求時(shí)，則在這些范圍內(nèi)使用纖維素材料的絕緣系統(tǒng)。半混合絕緣系統(tǒng)指僅在導(dǎo)線絕緣中采用高溫絕緣材料的絕緣系統(tǒng)。混合絕緣系統(tǒng)指所有緊貼繞組導(dǎo)線(裸的或有絕緣)的絕緣(包括導(dǎo)線絕緣和直接與繞組接觸的墊塊、撐條和紙筒)均采用高溫固體材料，僅在溫度低的區(qū)域中采用耐熱等級(jí)為105限值的絕緣材料能滿足要求時(shí)，則在這些范圍內(nèi)使用纖維素材料的絕緣系統(tǒng)。均勻絕緣系統(tǒng)指所有高于常規(guī)絕緣系統(tǒng)溫度的區(qū)域都使用高溫固體絕緣，同時(shí)還使用高溫液體絕緣的絕緣系統(tǒng)。

對(duì)于前3種絕緣系統(tǒng)，變壓器的最高運(yùn)行溫度由液體絕緣材料控制。

GB 1094.2-2013《電力變壓器 第2部分：液浸式變壓器的溫升》將變壓器的頂層油溫升定為60K，按此控制條件，GB/Z 1094.14-2011《電力變壓器 第14部分：采用高溫絕緣材料的液浸式變壓器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用》給出了前3種絕緣系統(tǒng)及常規(guī)絕緣系統(tǒng)的溫升限值和最高過載溫度限值，采用高溫固體絕緣材料后，按變壓器頂層油溫升控制，熱點(diǎn)溫升可增加12～52 K，最熱點(diǎn)工作溫度可提高10～50 K，對(duì)應(yīng)變壓器的過負(fù)荷能力可提高約25%。對(duì)于均勻高溫絕緣系統(tǒng)，國標(biāo)也給出了其溫升限值和最高過載溫度限值，根據(jù)這些限值，可得出采用高溫固體和液體絕緣材料后，熱點(diǎn)溫升可增加32～102 K，最熱點(diǎn)工作溫度可提高10～80 K，對(duì)應(yīng)變壓器的過負(fù)荷能力可提高約57%。

4 高過載牽引變壓器

結(jié)合牽引變壓器的具體技術(shù)需求，本文提出了兩種高過載牽引變壓器方案，分別采用半混合絕緣系統(tǒng)和均勻絕緣系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)。

4.1 半混合絕緣系統(tǒng)

結(jié)合牽引變壓器內(nèi)溫度場(chǎng)的實(shí)際情況，采用常規(guī)礦物油做為液體絕緣材料，對(duì)運(yùn)行溫度高于常規(guī)溫度繞組的導(dǎo)線絕緣采用高溫固體絕緣材料—聚酰芳胺絕緣紙，即僅對(duì)某些繞組或所有繞組的導(dǎo)線絕緣采用高溫材料，而其余絕緣材料均采用常規(guī)絕緣材料。該方案可使?fàn)恳儔浩魈岣咭粋€(gè)容量等級(jí)使用，即(16+16)MVA可滿足常規(guī)(20+20)MVA牽引變壓器的負(fù)荷需求。

4.2 均勻絕緣系統(tǒng)

該方案所有高于常規(guī)絕緣系統(tǒng)溫度的區(qū)域均采用高溫固體絕緣—聚酰芳胺絕緣紙或熱改性紙，由于合成脂或天然脂具有生物降解性、低熱膨脹系數(shù) 、良好的導(dǎo)熱特性、高擊穿強(qiáng)度、受濕度影響小、高燃點(diǎn)、與變壓器其他絕緣材料相互兼容等特點(diǎn)，具有較好的環(huán)保性，因此考慮液體絕緣材料采用合成脂或天然脂。天然脂較合成脂具有更好的經(jīng)濟(jì)性，因此，在 -20 ℃以下的特殊環(huán)境中可優(yōu)先采用天然脂。值得一提的是，合成脂或天然脂由于具有高燃點(diǎn)、自熄滅、溶水性好、可生物降解等特點(diǎn)，在歐美大量應(yīng)用于地下變電站中。均勻絕緣系統(tǒng)牽引變壓器溫升限值如表4所示。

表4 均勻絕緣系統(tǒng)牽引變壓器溫升限值表

采用該方案牽引變壓器的過負(fù)荷能力可提高1.5～2倍。

5 結(jié)束語

上世紀(jì)90年代電氣化鐵路行業(yè)內(nèi)曾研制過高過載低阻抗平衡牽引變壓器，但由于經(jīng)濟(jì)性較差、缺乏標(biāo)準(zhǔn)支撐等原因，未能推廣采用。20年后，隨著技術(shù)的發(fā)展、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的頒布，有必要重新審視相關(guān)技術(shù)，根據(jù)不同線路牽引負(fù)荷的特點(diǎn)，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性等要求，差異化地制定技術(shù)方案，經(jīng)濟(jì)有效地解決牽引變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行較差、容量利用率較低、不合理電費(fèi)支出較多等問題。