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节能型卷铁心牵引变压器的研发与运用

文章出处:www.xsh18.com 人气:发表时间:2018-03-26 14:05

牵引供电体系负荷为间歇性负荷,使得牵引变压器空载损耗成为体系首要损耗之一,为下降牵引供电体系运转损耗,进步其运转经济性,研讨开发节能型牵引变压器具有重要含义。本文所述节能型牵引变压器以卷铁心结构为根底,选用V/X 接线方法,重点研讨了卷铁心结构及油道设置计划,主绝缘规划及过负荷温升操控计划,一起突破了大容量卷铁心卷绕、组装、退火及其线圈一体化绕制等关键技能,是世界稀有的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查验中心实验,契合国家及职业相关规范,其实验成果与传统叠片式铁心牵引变压器比较,空载损耗下降44.2%,噪声值下降30.9%,节能降噪作用杰出。
       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体系中能量传输和转换的中心设备,但因遭到牵引负荷特性的影响,牵引变压器长期处于空载状况。据统计,一般情况下电气化铁路的均匀负载系数为0.3~0.6,在重载情况下复线的均匀负载系数最高只要0.5~0.6,单线的空载运转时间常常高达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]。跟着国家节能减排发展战略的施行,节能型变压器正成为未来的发展趋势。
       非晶合金变压器和惯例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、低损耗等长处,但其对机械应力较为灵敏,且热安稳功能欠佳,较难运用在大型铁心中[4-6];惯例卷铁心变压器在硅钢片的根底上,以其先进的结构和在下降空载损耗上表现出的优异功能,是现在节能型牵引变压器的首选[7]。
       卷铁心是由若干根必定形状的硅钢片带料接连卷制而成,充沛利用硅钢片的取向性,且料带接连绕制无接缝,整个磁路中空气隙较少,卷绕严密,磁阻小、损耗低。比较叠片式铁心,其制备工艺较杂乱,但其角重较小,节省材料,一起空载损耗以及空载电流能够得到大幅减小[8-11]。可是,受加工工艺限制,现在卷铁心变压器电压等级都限制在35 kV 级以下,关于220 kV 级牵引变压器,卷铁心技能的运用尚属空白。
       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、绕线杂乱等关键技能,是世界上稀有的220 kV、31 500+25 000 kVA 组合式牵引变压器。国家变压器质量监督查验中心的实验标明:该变压器空载损耗为32.4 kW,比一般变压器下降45%。现在,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判定,结论为世界抢先。

       1 变压器铁心、主绝缘规划及过负荷温升操控
       本文研发的牵引变压器首要技能参数如下,表1为该牵引变压器容量:
       (1)结构方法:组合式(2 台单相变压器放置于同一油箱中组成三相V/X 衔接牵引变压器);
       (2)电压组合:220 kV/2×27。5 kV。

       1 .1 铁心结构规划
       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 接线方法,该类型牵引变压器具有供电才能强、出资本钱低一级显着优势[12]。
       变压器运转时铁心损耗转化为热量,若铁心散热欠安构成部分过热将导致磁路短路,进一步添加铁心损耗,一起使变压器绝缘油功能下降,乃至构成变压器损毁。因而,大型铁心需设置散热油道避免其部分过热。牵引变压器铁心体积庞大,而现在对大体积卷铁心研发经历匮乏,其油道的数量以及设置方法对铁心的影响均需事前进行评价。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别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。
节能型卷铁心牵引变压器的研发与运用
       图1(a)为绕组散布结构图,选用三绕组结构,自铁心柱向外顺次是牵引绕组(T 绕组)、馈电绕组(F 绕组)、高压绕组,为双柱并联方法,以进步抗短路才能及绝缘牢靠性。图1(b)为铁心柱横截面,中心空白部分为油道,宽为6 mm,铁心分两部分卷绕,每一部分铁心柱截面为半圆,终究组装得到柱截面为近似圆形。绕组详细接线见图2,牵引绕组和馈电绕组的尾端衔接在一起构成中性点接于轨迹,2 台单相变压器衔接构成V/X 接线。
节能型卷铁心牵引变压器的研发与运用
       变压器内部温升对变压器安全安稳运转以及绝缘寿数具有很大影响[13],本文仿真核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,其间仿真模型为31.5 MVA 单相变压器,仿真成果见图3。

       图3 为额外负荷下未设置油道与设置1 个油道时,到达温升平衡后铁心不同高度处内部均匀温度。
       由图3 可知,热门温度坐落铁心上部,即绕组端部方位,契合实践运转情况。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门温度有显着的下降,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,因而,严格操控铁心温升是必要的。设置1 个油道时,铁心内部温升能够契合安全运转的规范,既契合经济性要求又满意功能需求。
       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核算,详细成果见图4。其间,因附加损耗考虑要素较多,且占比较小,故仿真核算进程中疏忽了附加损耗。成果显示铁心损耗初期动摇较为剧烈,后边峰值趋于平稳,核算平稳后的铁心损耗均值大约为15 kW,而平等条件下的叠片式铁心损耗大约为30kW,空载损耗下降显着。

       通过对单相结构卷铁心的温升及空载损耗仿真核算,能够预见选用单框式带1 个油道的铁心结构规划,在功能合格的一起,确保了经济性要求。
       1 .2 电场核算及主绝缘规划
       与一般电力变压器比较,V/X 接线牵引变压器每一柱上有3 个绕组,为操控变压器体积,绕组绝缘间隔要合理操控。本牵引变压器以“电场强度”为绝缘结构规划中心,仿真核算了雷电全波冲击下高压线圈各点对地电位散布,并与感应实验和部分实验时实践耐受场强比较,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、纵绝缘安全裕度的核算根据。
       图5 为全波冲击下高压线圈各节点对地电压波形图,其间纵坐标单位为电压标幺值。高压绕组电抗高度为1 215 mm,由核算成果可知,29 号节点处为电压最大值,最大电位为1.16 左右。在此根底上从两端起的第1~10 饼选用了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 个分接段亦选用t0.5 U形垫块。
       因为卷铁心的封闭性导致绕组需求在铁心上绕制完结,而且绕组散布在2 个心柱上,高压绕组之间的绝缘间隔对绕组全体散布影响较大,需进行核算评价。

       图6 为高压线圈之间电场散布,能够看到绕组端部方位为部分场强较大点,以绕组端部最大场强为核算根据,仿真核算多组间隔下电场强度,得到终究绝缘间隔。除此之外内部部件的电场剖析也必不可少,根据图7 中结构部件的电场散布,对均压球等进行了恰当优化,下降部分场强,设置合理的绝缘间隔,保留了足够的安全裕度。

       通过雷电波冲击电压和电场核算,对重要部位绝缘进行了加强,选用的主绝缘结构见图8。其间牵引变压器短路几率显着高于电力变压器,需通过改善绝缘进步抗短路才能。为此线圈垫块通过预密化处理,撑条运用定位件,且通过倒角处理,一起低压绕组选用屈从强度≥180 MPa 的高强度半硬自黏性换位导线替代传统铜扁线,在下降涡流损耗的一起,进步了抗突发短路的才能。与传统叠片式铁心比较,卷铁心对主绝缘结构的影响不大,可是考虑到卷铁心的闭环结构,绝缘件均需组装,因而选用很多的成型绝缘件,对制作工艺提出了更高的要求。
       1 .3 过负荷温升操控
       牵引变压器的负荷变动剧烈,为了安全安稳运转,要求绕组热门温度在任何情况下都不超越140 ℃。而牵引变压器常常处于过负荷状况,本计划变压器选用油流导向结构,特别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法不同,且绕组在铁心上进行绕制,饼间油道较叠片式铁心进行了恰当扩大,为确保计划的可行,需对过负荷下绕组及变压器油温升做进一步剖析。本计划通过编制程序对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核算,得到了每个阶段顶层油温以及绕组热门温度。其间,核算进程通过重复推演,以相邻2 个周期绕组温度、油温改变规则一致为核算结尾,得到终究的顶层油温文绕组热门温度,核算成果见图9。


       由图9 可知,在三倍负荷下绕组热门温度为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核算的差值规则,安全运转下绕组热门温度不超越140 ℃,顶层油温不超越105 ℃,核算成果标明过负荷下该温升操控计划满意要求。
       2 样机研发及其关键技能
       卷铁心牵引变压器制作进程首要由铁心卷绕、铁心组装、铁心退火、绕组绕制、器身绝缘以及部件装置等工序组成,详细工艺流程见图10。
       样机研发进程中的关键技能就是大型卷铁心的成型以及大型立式绕组卷绕技能,其间包含配套铁心卷绕机、立式绕线机等设备的研发与开发,这一起也填补了国内外高电压、大容量卷铁心变压器制作技能的空白,为日后大容量卷铁心变压器的量产打下根底。

       由上述铁心规划可知,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 片铁心卷绕后的作用。铁心组装前需求先进行退火,这是影响卷铁心节能作用的关键性过程,本计划在原有退火工艺根底上进行恰当改善,添加了保温时间以确保退火充沛。退火后将2 片铁心拼合,装置铁心拉板及支撑木件,并捆扎为一体,便是1 个完整的铁心,见图12。

图    铁心卷绕图       铁心组装
       图13 为卷铁心线圈绕制现场图,首要需在成型后的铁心上设置硬纸筒构成骨架,然后顺次绕制牵引绕组、馈电绕组、高压绕组[14]。因为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,一般的卷铁心绕线机无法满意。图14 为协同研发的立式绕线机,其最大绕制线圈直径可达1 500 mm,是现在唯一一台能够进行闭环立式绕制饼式线圈的绕线机,是处理高电压、大容量卷铁心变压器线圈绕制的关键设备。该绕线机选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 片内撑板构成立式“鼠笼”结构,作为线圈绕制时的全体转动骨架,上下设置“凹、凸”槽,槽之间彼此啮合,确保动力的平顺传输,并在线圈绕制完毕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,并调整线圈高度与规划数据吻合,这是确保线圈电动力操控在规划安全裕度内的重要环节。

图   线圈绕制             立式绕线机
       铁心与绕组装置完以后,进行开关、引线的衔接,引线衔接均选用冷压端子结构,接触电阻小,衔接牢靠强度高。然后对变压器身进行二次气相枯燥,排除绝缘件内部水分,确保变压器的绝缘功能。终究,内部器身装置完结之后,进行落罩以及外部套管及绝缘的装置。
       3 实验、现场运转与节能作用剖析
       样机在国家变压器质量监督查验中心完结例行实验、型式实验、特别实验,在中南通道王家庄牵引变电所投入运用。表2 为部分实验项目的丈量数据值。
       由表2 可知,实验中丈量得到2 台单相变压器空载电流值远低于规范中给出的规则值0.3%,空载损耗32.34 kW,较规则空载损耗少21.1%,其间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%。其间31.5 MVA 单相变压器空载损耗为17.71kW,与前面仿真实验成果挨近,契合预期估量。实验测得变压器正常运转声级47 dB,较规则值少24.2%,与传统叠铁心68 dB 比较下降30.9%。突发短路电抗改变率误差小于0.1%,远低于规范要求,顶层油温升以及绕组温升均低于规则限值。实验成果标明在契合运转规范[15]的前提下,样机到达了较好的节能降噪作用。

       4 完毕语
       通过对该节能型牵引变压器实验数据的剖析,能够开始断定该变压器节能作用显着,与传统叠片式铁心牵引变压器比较,空载损耗下降44。2%,噪声值下降30。9%,突发短路绕组电抗改变率小于0。1%,均匀温升小于31。4 K,远低于规范要求。
       一起本次研发进程中获得的技能成果和经历积累,不仅仅只是运用在牵引供电体系变压器的制作中,完全能够运用于整个电网体系80 MVA/220 kV 及以下电力变压器的制作中,对500 kV 级的有特别要求的电力变压器制作也具有实质性的学习含义。

       参考文献:
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     [11]中华人民共和国铁道部。TB/T 3159-2007 电气化铁路牵引变压器技能条件[S]。北京:我国规范出版社,2007。

此文关键字:节能;卷铁心;牵引变压器;空载损耗

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