V/X 接線(xiàn)牽引變壓器溫升與壽命損失研究

吳羽生，李群湛，馮金博，高 潔

0 引言

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，高速客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)得到了飛速的發(fā)展，牽引變壓器作為高速客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，其能否安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行將對(duì)整個(gè)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。牽引變壓器的溫升對(duì)其設(shè)備的老化和絕緣的影響是變壓器技術(shù)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題。溫度越高，老化的速度越快，直接影響設(shè)備的使用壽命及經(jīng)濟(jì)效益[1]。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)普速電氣化干線(xiàn)牽引變壓器負(fù)荷特點(diǎn)的溫升和壽命損失有大量的研究，針對(duì)高速電氣化干線(xiàn)牽引變壓器負(fù)荷特點(diǎn)的溫升和壽命損失研究還較少。高速電氣化干線(xiàn)的牽引變壓器安裝容量大，其主要負(fù)載為交直交型電力機(jī)車(chē)，具有功率大、速度高、功率因數(shù)高等特點(diǎn)，所以高速客運(yùn)干線(xiàn)牽引負(fù)荷特點(diǎn)較普速有較大區(qū)別。

目前，V/X 接線(xiàn)牽引變壓器在京津城際客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)和鄭西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)都有廣泛的運(yùn)用，V/X 接線(xiàn)牽引變壓器的溫升和壽命損失的研究使設(shè)計(jì)人員能直觀(guān)地了解該變壓器運(yùn)行狀況。本文根據(jù)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)運(yùn)營(yíng)中實(shí)際牽引負(fù)荷的情況，對(duì)V/X 接線(xiàn)牽引變壓器的溫升和繞組最熱點(diǎn)進(jìn)行了計(jì)算，并根據(jù)繞組最熱點(diǎn)溫升曲線(xiàn)計(jì)算牽引變壓器的壽命損失，進(jìn)而對(duì)影響牽引變壓器壽命損失的因素進(jìn)行了分析，最后就如何在合理利用壽命損失的基礎(chǔ)上對(duì)牽引變壓器容量?jī)?yōu)化提出了建議。

1 V/X 接線(xiàn)牽引變壓器

基于V/X 接線(xiàn)牽引變壓器的AT 供電方式在高速客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)牽引供電系統(tǒng)中得到了廣泛的運(yùn)用，V/X 接線(xiàn)牽引變壓器的接線(xiàn)方式如圖1 所示。

圖1 V/X 接線(xiàn)牽引變壓器接線(xiàn)形式示意圖

從圖1 中可知，V/X 接線(xiàn)牽引變壓器由2 臺(tái)單相三繞組的牽引變壓器構(gòu)成。2 臺(tái)變壓器的原邊繞組分別接入三相電力系統(tǒng)的AC 相和BC 相，其副邊繞組端子分別接到上、下行的接觸線(xiàn)T、正饋線(xiàn)F 和鋼軌R 上。當(dāng)原副邊繞組滿(mǎn)足一定的阻抗匹配關(guān)系時(shí)，可以省去變電所出口AT 變壓器。

在所有能用于AT 供電方式的變壓器中，V/X接線(xiàn)牽引變壓器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，容量利用率高，對(duì)電力系統(tǒng)負(fù)序的影響同V/V 接線(xiàn)變壓器相當(dāng)。

2 變壓器溫升計(jì)算模型

變壓器運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生鐵耗、銅耗和雜散損耗等，該損耗將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，該熱量被周?chē)淖儔浩饔臀蘸?，油溫升高，密度減少。變壓器的絕緣材料長(zhǎng)期處在熱作用下將變得很松脆，機(jī)械特性變劣，如果溫度過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致變壓器油中的水分和氣體發(fā)生氧化作用，變壓器的機(jī)械強(qiáng)度和電氣強(qiáng)度將很快喪失，從而加速變壓器的絕緣老化[2]。

在任意負(fù)荷下，變壓器繞組熱點(diǎn)對(duì)空氣的溫升可以分為繞組對(duì)油的溫升和油對(duì)空氣的溫升。這2部分的溫升可用下述公式計(jì)算。

任意負(fù)荷下，繞組對(duì)油的溫升（最大值）：

式中，τr?km為繞組對(duì)空氣的允許溫升；τy?km為頂層油對(duì)空氣的允許溫升；K 為實(shí)際負(fù)荷與額定負(fù)荷之比；y 為計(jì)算最熱點(diǎn)溫升用的指數(shù)，隨冷卻方式的不同而不同，一般取y = 0.8～1。

實(shí)際負(fù)荷曲線(xiàn)是多段的。由于各段時(shí)間短，一般每一段的溫升都達(dá)不到穩(wěn)定值。在該情況下，油對(duì)空氣的溫升宜采用式（2）進(jìn)行計(jì)算[4]。

τiw為第i 段負(fù)荷為Ki時(shí)的穩(wěn)定溫升，τiw可由下式計(jì)算。

式中，d 為額定負(fù)荷下的短路損耗與空載損耗之比，為2～6；x 為計(jì)算油溫用的指數(shù)，一般可取x = y。

YUAN Xin-lu, NIE Li, GAI Ling, YAO Ning-hua, GU Yun-juan, ZHU Xiao-hui, SUN Cheng, CUI Shi-wei

取額定狀態(tài)下空氣的平均溫度為20℃，則變壓器繞組最熱點(diǎn)溫升為

3 變壓器壽命損失計(jì)算模型

變壓器的絕緣老化是指絕緣受到熱或其它物理化學(xué)作用而逐漸失去其機(jī)械強(qiáng)度和電氣強(qiáng)度。變壓器絕緣老化的速度主要由溫度決定，絕緣的工作溫度愈高，化學(xué)反應(yīng)（主要是氧化作用）進(jìn)行得愈快，絕緣的機(jī)械強(qiáng)度和電氣強(qiáng)度喪失得愈快，絕緣老化的速度愈快，變壓器的使用年限也愈短[4]。

根據(jù)蒙特辛格關(guān)系，任意溫度θc與溫度θcr（額定負(fù)荷條件下的溫度）時(shí)的壽命損失率之比，即相對(duì)壽命損失率

按照國(guó)際電工委員會(huì)第76 號(hào)出版物（1967）規(guī)定，取變壓器的θcr值為98℃。在式（5）的基礎(chǔ)上，通過(guò)取以10 為底的對(duì)數(shù)，得到式（6）。

變壓器的絕緣壽命損失

式中，V 為相對(duì)壽命損失率；n 為時(shí)間段的總數(shù)；i為每個(gè)時(shí)間段的序數(shù)；hi為某一負(fù)載作用的持續(xù)時(shí)間。

4 變壓器溫升和壽命損失計(jì)算

某牽引變電所采用220 kV 進(jìn)線(xiàn)，有220 kV/2×27.5 kV 單相變壓器 4 臺(tái)，單臺(tái)容量為31.5 MV · A，2 臺(tái)單相變壓器組成V/X 接線(xiàn)。其主要負(fù)載是CRH2 和CRH3 2 種類(lèi)型動(dòng)車(chē)組。試運(yùn)行期間每天發(fā)車(chē)60 對(duì)，圖2 為運(yùn)行期間某天3：45—24：00 的負(fù)荷過(guò)程曲線(xiàn)。

根據(jù)變壓器接線(xiàn)方式通過(guò)分相計(jì)算可得到V/X 接線(xiàn)牽引變壓器原邊AC、BC 相電流，利用變壓器溫升計(jì)算模型可以得到變壓器繞組溫升曲線(xiàn)，如圖3 所示。

牽引變壓器中每個(gè)繞組電流不一定相等，牽引變壓器的最熱點(diǎn)溫升也各不相同，所以應(yīng)取各繞組中最高溫度作為牽引變壓器的最熱點(diǎn)溫升曲線(xiàn)，并以此為依據(jù)，計(jì)算牽引變壓器壽命損失[2]。變壓器最熱點(diǎn)溫升曲線(xiàn)如圖4 所示。

圖2 實(shí)際牽引負(fù)荷曲線(xiàn)圖

圖3 V/X 接線(xiàn)牽引變壓器各繞組溫升曲線(xiàn)圖

圖4 繞組最熱點(diǎn)溫升曲線(xiàn)圖

在變壓器繞組最熱點(diǎn)溫升曲線(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)變壓器壽命損失計(jì)算模型可以得到變壓器的壽命損失如圖5 所示。

從上面的計(jì)算結(jié)果可以看出，在試運(yùn)行期間，現(xiàn)行變壓器運(yùn)行不合理，實(shí)際變壓器繞組溫升和壽命損失值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定變壓器繞組溫升和壽命損失額定上限值，變壓器壽命損失沒(méi)有得到充分利用，容量利用率較低，運(yùn)行不夠經(jīng)濟(jì)。這一方面可能是因?yàn)樽儔浩鞅旧戆惭b容量選取過(guò)大，另一方面，可能是考慮到牽引變電所的遠(yuǎn)期牽引負(fù)荷較大，為以后線(xiàn)路的擴(kuò)容提供裕量。

圖5 V/X 接線(xiàn)牽引變壓器壽命損失曲線(xiàn)圖

5 牽引變壓器容量?jī)?yōu)化

實(shí)際牽引變壓器的壽命損失很小，日壽命損失不到2 min，為提高牽引變壓器實(shí)際容量利用率，可以充分利用現(xiàn)有牽引變壓器壽命損失而放寬對(duì)繞組最高溫升限值，實(shí)際操作方式是將現(xiàn)有牽引變壓器降低容量等級(jí)來(lái)優(yōu)化變壓器容量。

表1 V/X 接線(xiàn)牽引變壓器容量?jī)?yōu)化結(jié)果表

V/X 接線(xiàn)牽引變壓器降容后壽命損失與繞組最熱點(diǎn)溫升結(jié)果如表1 所示，隨著容量等級(jí)的降低，變壓器壽命損失逐漸增大，但仍未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的日壽命損失上限值24 h，而且在容量大于15 MV · A 的情況下，變壓器繞組最熱點(diǎn)溫升也未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的繞組最熱點(diǎn)溫升上限值140℃。所以在當(dāng)前行車(chē)計(jì)劃下，對(duì)變壓器降低一定容量等級(jí)后，也能滿(mǎn)足該客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)的運(yùn)營(yíng)要求。

6 結(jié)論

本文在實(shí)際V/X 接線(xiàn)牽引變壓器負(fù)荷過(guò)程的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立適用于牽引變壓器溫升和壽命損失計(jì)算的模型，分析了V/X 接線(xiàn)牽引變壓器的溫升和壽命損失，并就如何優(yōu)化牽引變壓器容量提出了建議，得到的結(jié)論如下：

（1）客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)由于運(yùn)量大、速度快，使其牽引負(fù)荷大、隨機(jī)波動(dòng)劇烈，從而負(fù)荷對(duì)變壓器沖擊劇烈，加上變壓器本身安裝容量大，造成牽引變壓器容量利用率低。

（2）為提高牽引變壓器的容量利用率，可通過(guò)降低牽引變壓器容量等級(jí)，充分利用變壓器壽命損失，放寬對(duì)繞組最高溫升限值的方法對(duì)變壓器容量進(jìn)行優(yōu)化。

（3）在客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)牽引變壓器安裝容量的選擇上，由于國(guó)內(nèi)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)牽引變電所的遠(yuǎn)期牽引負(fù)荷較大，應(yīng)充分考慮近遠(yuǎn)期運(yùn)營(yíng)的一致性、可擴(kuò)展性，使?fàn)恳儔浩髟陂L(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，變壓器實(shí)際負(fù)荷與自身容量相匹配，從而實(shí)現(xiàn)牽引變壓器運(yùn)行更安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的目的。

[1] 趙德奎，王建，黃建濤，等.基于LabVIEW 軟件的牽引變壓器溫升參數(shù)研究[J].電工電氣，2010，（3）：9.

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[4] 徐樹(shù)栓.電力變壓器運(yùn)行[M].北京：水利電力出版社，1993.