节能型卷铁心牵引变压器的研制与应用
高仕斌1 , 江俊飞1 , 周利军1
王东阳1 , 李锦平1 , 吴志强2
(1.西南交通大学电气工程学院；
2.常州太平洋电力设备(集团)有限公司)
摘 要：牵引供电系统负荷为间歇性负荷,使得牵引变压器空载损耗成为系统主要损耗之一,为降低牵引供电系统运行损耗,提高其运行经济性,研究开发节能型牵引变压器具有重要意义。本文所述节能型牵引变压器以卷铁心结构为基础,采用V/X 接线形式,重点研究了卷铁心结构及油道设置方案,主绝缘设计及过负荷温升控制方案,同时突破了大容量卷铁心卷绕、拼装、退火及其线圈一体化绕制等关键技术,是世界罕见的220 kV 级卷铁心牵引变压器。该样机通过了国家变压器质量监督检验中心试验,符合国家及行业相关标准,其试验结果与传统叠片式铁心牵引变压器相比,空载损耗下降44.2%,噪声值下降30.9%,节能降噪效果良好。
关键词：节能;卷铁心;牵引变压器;空载损耗
牵引变压器是牵引供电系统中能量传输和转换的核心设备,但因受到牵引负荷特性的影响,牵引变压器长期处于空载状态。据统计,一般情况下电气化铁路的平均负载系数为0.3~0.6,在重载情况下复线的平均负载系数最高只有0.5~0.6,单线的空载运行时间常常高达40%~50%,这使得空载损耗占牵引变压器总体损耗的很大一部分[1-3]。随着国家节能减排发展战略的实施,节能型变压器正成为未来的发展趋势。
非晶合金变压器和常规卷铁心变压器是当前发展前景较好的节能型变压器,非晶合金具有高磁导率、低损耗等优点,但其对机械应力较为敏感,且热稳定性能欠佳,较难应用在大型铁心中[4-6];常规卷铁心变压器在硅钢片的基础上,以其先进的结构和在降低空载损耗上表现出的优异性能,是目前节能型牵引变压器的首选[7]。
卷铁心是由若干根一定形状的硅钢片带料连续卷制而成,充分利用硅钢片的取向性,且料带连续绕制无接缝,整个磁路中空气隙较少,卷绕紧密,磁阻小、损耗低。相比叠片式铁心,其制备工艺较复杂,但其角重较小,节约材料,同时空载损耗以及空载电流能够得到大幅减小[8-11]。然而,受加工工艺限制,目前卷铁心变压器电压等级都局限在35 kV 级以下,对于220 kV 级牵引变压器,卷铁心技术的应用尚属空白。
本文所述变压器突破了大吨位卷铁心卷绕、退火、油道设置难、绕线复杂等关键技术,是世界上罕见的220 kV、31 500+25 000 kVA 组合式牵引变压器。国家变压器质量监督检验中心的试验表明:该变压器空载损耗为32.4 kW,比普通变压器降低45%。目前,该节能型牵引变压器已在中南通道王家庄牵引变电所投入运用,并通过了国家机械工业联合会新产品鉴定,结论为国际领先。
1 变压器铁心、主绝缘设计及过负荷温升控制
本文研制的牵引变压器主要技术参数如下,表1为该牵引变压器容量:
（1）结构形式:组合式(2 台单相变压器放置于同一油箱中组成三相V/X 连接牵引变压器);
（2）电压组合:220 kV/2×27.5 kV。
1 .1 铁心结构设计
牵引变压器由2 台单相三绕组变压器构成,每相有2 个二次绕组,置于同一油箱中,组成V/X 接线方式,该类型牵引变压器具有供电能力强、投资成本低等显著优势[12]。
变压器运行时铁心损耗转化为热量,若铁心散热不佳形成局部过热将导致磁路短路,进一步增加铁心损耗,同时使变压器绝缘油性能下降,甚至造成变压器损毁。因此,大型铁心需设置散热油道防止其局部过热。牵引变压器铁心体积庞大,而目前对大体积卷铁心研制经验匮乏,其油道的数量以及设置方式对铁心的影响均需事先进行评估。叠片式牵引变压器铁心一般设置2 个油道,而卷铁心损耗较叠片式铁心小,产热相对亦少,考虑卷铁心结构的特殊性及铁心卷绕的工作量和拼合的难度,只设置1 个散热油道,见图1。
图1(a)为绕组分布结构图,采用三绕组结构,自铁心柱向外依次是牵引绕组(T 绕组)、馈电绕组(F 绕组)、高压绕组,为双柱并联形式,以提高抗短路能力及绝缘可靠性。图1(b)为铁心柱横截面,中间空白部分为油道,宽为6 mm,铁心分两部分卷绕,每一部分铁心柱截面为半圆,最后拼装得到柱截面为近似圆形。绕组具体接线见图2,牵引绕组和馈电绕组的尾端连接在一起形成中性点接于轨道,2 台单相变压器连接形成V/X 接线。
变压器内部温升对变压器安全稳定运行以及绝缘寿命具有很大影响[13],本文仿真计算了卷铁心在未设置散热油道以及设置1 个散热油道后的铁心温升,其中仿真模型为31.5 MVA 单相变压器,仿真结果见图3。
图3 为额定负荷下未设置油道与设置1 个油道时,达到温升平衡后铁心不同高度处内部平均温度。
由图3 可知,热点温度位于铁心上部,即绕组端部位置,符合实际运行情况。未设置油道时,铁心内部温度相对较高;设置油道之后,在油道作用下铁心热点温度有显著的下降,降约21 ℃。在未设置油道时,铁心温度偏高,致使牵引变压器承受过负荷工况,因此,严格控制铁心温升是必要的。设置1 个油道时,铁心内部温升能够符合安全运行的标准,既符合经济性要求又满足性能需求。
在设置1 个散热油道的情况下,对铁心空载损耗进行了仿真计算,具体结果见图4。其中,因附加损耗考虑因素较多,且占比较小,故仿真计算过程中忽略了附加损耗。结果显示铁心损耗初期波动较为剧烈,后面峰值趋于平稳,计算平稳后的铁心损耗均值大约为15 kW,而同等条件下的叠片式铁心损耗大约为30kW,空载损耗下降明显。
通过对单相结构卷铁心的温升及空载损耗仿真计算,可以预见采用单框式带1 个油道的铁心结构设计,在性能达标的同时,保证了经济性要求。
1 .2 电场计算及主绝缘设计
与普通电力变压器相比,V/X 接线牵引变压器每一柱上有3 个绕组,为控制变压器体积,绕组绝缘距离要合理控制。本牵引变压器以“电场强度”为绝缘结构设计核心,仿真计算了雷电全波冲击下高压线圈各点对地电位分布,并与感应试验和局部试验时实际耐受场强比较,以最大场强作为校验线圈间主绝缘,线圈纵绝缘及开关的主、纵绝缘安全裕度的计算依据。
图5 为全波冲击下高压线圈各节点对地电压波形图,其中纵坐标单位为电压标幺值。高压绕组电抗高度为1 215 mm,由计算结果可知,29 号节点处为电压最大值,最大电位为1.16 左右。在此基础上从两端起的第1~10 饼采用了t0.5 U 形垫块,分接段的中断点油道为21.6,中断点上下的2 个分接段亦采用t0.5 U形垫块。
由于卷铁心的封闭性导致绕组需要在铁心上绕制完成,并且绕组分布在2 个心柱上,高压绕组之间的绝缘距离对绕组整体分布影响较大,需进行计算评估。
图6 为高压线圈之间电场分布,可以看到绕组端部位置为局部场强较大点,以绕组端部最大场强为计算依据,仿真计算多组距离下电场强度,得到最终绝缘距离。除此之外内部部件的电场分析也必不可少,根据图7 中结构部件的电场分布,对均压球等进行了适当优化,降低局部场强,设置合理的绝缘距离,保留了足够的安全裕度。
通过雷电波冲击电压和电场计算,对重要部位绝缘进行了加强,采用的主绝缘结构见图8。其中牵引变压器短路几率明显高于电力变压器,需通过改善绝缘提高抗短路能力。为此线圈垫块经过预密化处理,撑条使用定位件,且经过倒角处理,同时低压绕组采用屈服强度≥180 MPa 的高强度半硬自黏性换位导线取代传统铜扁线,在降低涡流损耗的同时,提高了抗突发短路的能力。与传统叠片式铁心相比,卷铁心对主绝缘结构的影响不大,但是考虑到卷铁心的闭环结构,绝缘件均需拼装,因此采用大量的成型绝缘件,对制作工艺提出了更高的要求。
1 .3 过负荷温升控制
牵引变压器的负荷变动剧烈,为了安全稳定运行,要求绕组热点温度在任何情况下都不超过140 ℃。而牵引变压器常常处于过负荷状态,本方案变压器采用油流导向结构,尤其卷铁心与叠片式铁心油道差异较大,导致油道内侧的纸板固定方式不同,且绕组在铁心上进行绕制,饼间油道较叠片式铁心进行了适当放大,为确保方案的可行,需对过负荷下绕组及变压器油温升做进一步分析。本方案通过编制程序对80%负荷升至200%负荷,再升至300%负荷情况下各阶段牵引变压器内部温升进行了计算,得到了每个阶段顶层油温以及绕组热点温度。其中,计算过程经过反复推演,以相邻2 个周期绕组温度、油温变化规律一致为计算终点,得到最终的顶层油温和绕组热点温度,计算结果见图9。
由图9 可知,在三倍负荷下绕组热点温度为130℃左右,顶层油温为90 ℃左右。结合以往变压器产品的实测温升与理论计算的差值规律,安全运行下绕组热点温度不超过140 ℃,顶层油温不超过105 ℃,计算结果表明过负荷下该温升控制方案满足要求。
2 样机研制及其关键技术
卷铁心牵引变压器制造过程主要由铁心卷绕、铁心拼装、铁心退火、绕组绕制、器身绝缘以及部件装配等工序组成,具体工艺流程见图10。
样机研制过程中的关键技术就是大型卷铁心的成型以及大型立式绕组卷绕技术,其中包括配套铁心卷绕机、立式绕线机等设备的研制与开发,这同时也填补了国内外高电压、大容量卷铁心变压器制造技术的空白,为日后大容量卷铁心变压器的量产打下基础。
由上述铁心设计可知,该变压器铁心由2 片组成,卷绕出来的单片铁心柱截面为近似半圆,2 片拼合得到的截面近似为圆,图11 为1 片铁心卷绕后的效果。铁心拼装前需要先进行退火,这是影响卷铁心节能效果的关键性步骤,本方案在原有退火工艺基础上进行适当改进,增加了保温时间以保证退火充分。退火后将2 片铁心拼合,安装铁心拉板及支撑木件,并捆扎为一体,即是1 个完整的铁心,见图12。
图 铁心卷绕图 铁心拼装
图13 为卷铁心线圈绕制现场图,首先需在成型后的铁心上设置硬纸筒形成骨架,然后依次绕制牵引绕组、馈电绕组、高压绕组[14]。由于该绕组体积和质量较大导致无法进行卧式绕制,需进行立式绕制,普通的卷铁心绕线机无法满足。图14 为协同研制的立式绕线机,其最大绕制线圈直径可达1 500 mm,是目前唯一一台可以进行闭环立式绕制饼式线圈的绕线机,是解决高电压、大容量卷铁心变压器线圈绕制的关键设备。
该绕线机采用上下双叉臂支承传动齿圈的传动结构,齿圈和上下托板可拆卸,线圈绕制时5 片内撑板形成立式“鼠笼”结构,作为线圈绕制时的整体转动骨架,上下设置“凹、凸”槽,槽之间相互啮合,确保动力的平顺传输,并在线圈绕制结束后快捷地抽出内撑板。线圈绕制完后,进行第一次线圈组烘燥,并调整线圈高度与设计数据吻合,这是保证线圈电动力控制在设计安全裕度内的重要环节。
图 线圈绕制 立式绕线机
铁心与绕组装配完以后,进行开关、引线的连接,引线连接均采用冷压端子结构,接触电阻小,连接可靠强度高。然后对变压器身进行二次气相干燥,排除绝缘件内部水分,保证变压器的绝缘性能。最后,内部器身装配完成之后,进行落罩以及外部套管及绝缘的装配。
3 试验、现场运行与节能效果分析
样机在国家变压器质量监督检验中心完成例行试验、型式试验、特殊试验,在中南通道王家庄牵引变电所投入运用。表2 为部分试验项目的测量数据值。
由表2 可知,试验中测量得到2 台单相变压器空载电流值远低于标准中给出的规定值0.3%,空载损耗32.34 kW,较规定空载损耗少21.1%,其中传统叠片式铁心变压器空载损耗为58 kW,空载损耗下降44.2%。其中31.5 MVA 单相变压器空载损耗为17.71kW,与前面仿真试验结果接近,符合预期估计。试验测得变压器正常运行声级47 dB,较规定值少24.2%,与传统叠铁心68 dB 相比下降30.9%。突发短路电抗变化率偏差小于0.1%,远低于规范要求,顶层油温升以及绕组温升均低于规定限值。试验结果表明在符合运行标准[15]的前提下,样机达到了较好的节能降噪效果。
4 结束语
通过对该节能型牵引变压器试验数据的分析,可以初步确定该变压器节能效果显著,与传统叠片式铁心牵引变压器相比,空载损耗下降44.2%,噪声值下降30.9%,突发短路绕组电抗变化率小于0.1%,平均温升小于31.4 K,远低于规范要求。
同时本次研制过程中取得的技术成果和经验积累,不仅仅只是应用在牵引供电系统变压器的制造中,完全可以应用于整个电网系统80 MVA/220 kV 及以下电力变压器的制造中,对500 kV 级的有特殊要求的电力变压器制造也具有实质性的借鉴意义。
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