国内外牵引变压器过负荷计算区别

马 君

(卧龙电气银川变压器有限公司，宁夏 银川 750200)

在电气化铁路设计中，各设计院根据每条铁路线路运量情况和线路特点，会单独提出1条符合线路运行情况的过负荷曲线。根据参考文献[1]中规定，变压器按图1所示的典型负荷曲线运行(负载周期约6.0 h)，按环境温度30 ℃，绕组热点温度不超过140 ℃，顶层油温不超过105 ℃；同时对图中的K1也做了规定：常速单线取0.5，常速复线取0.6，客运线或重载铁路取0.7～0.8。

图1 典型负荷曲线

变压器在计算之初，要考虑用户提出的负荷曲线要求，在计算出绕组温升、油平均温升、顶层温升及其他基本参数时，可先核算按负荷曲线运行后各状态下的热点温度，如果均满足上述条件，则认为此设计满足用户的过负荷要求。变压器设计方案经济性主要决定于电密、温升限制、损耗等

参数，其中铁路牵引变压器由于特殊的运行状况需要提前验算过负荷能力，这就决定于电密及损耗、温升的计算。

1 变压器过负荷能力计算

计算变压器绕组热点温度有指数方程法和微分方程法[2]。由于牵引变压器负荷情况比较贴切指数方程中的负荷轨迹，普通电力变压器过负荷情况比较符合微分方程的计算方式，故牵引变压器采用指数方程法计算。

自然油冷却变压器稳态热点温度计算公式如下：

(1)对应于负载系数K的温度增加值

(2)对应于负载系数K的温度减少值：

式中：θh—绕组热点温度，℃

θa—环境温度，℃；

Δθoi—开始时的顶层油(油箱内)温升，K；

Δθor—额定损耗(空载损耗+负载损耗)下顶层油(油箱内)稳态温升；

K—负载系数(负载电流/额定电流)；

R—额定电流时的负载损耗与空载损耗之比；

x—总损耗对顶层油(油箱内)温升的指数幂(油指数)；

y—电流对绕组温升的指数幂(绕组指数)

Δθhi—开始时热点温度对顶层油温(油箱内)的梯度，K；

H—热点系数；

gr—额定电流下绕组平均温度对油平均温度(油箱内)的梯度，K。

2 国外标准对过负荷能力的解读

根据参考文献[3]优选级别，将过负荷等级分为15个等级，如表1所示；按应用类型分别区分，如图2-图5所示。图中，Ia为初始电流；Ib、Ic为过负荷电流 ；IN为额定电流；ta为电流Ia预热周期时间；ta-bc-为冷却时间；tb、tc分别为过载持续时间；Δt表示持续时间。

图2 测试周期的级别从IA到IF

图3 测试周期的级别 V,VI,VII

图4 测试周期的级别VIII,IXA、IXB 和 JP

表1 过负荷等级划分

图5 测试周期的级别CN

以上为国外牵引变压器的过负荷运行归类，可以看出国外过负荷更为详细，制造厂家可按相应的等级进行变压器过负荷能力的核算。

3 计算实例

3.1 国内铁路项目

国内某条线路用主变压器的参数，如表2所示。其过负荷曲线如图6所示。

表2 参 数

图6 过负荷曲线

按参考文献[1]计算结果如下从表3来看，绕组热点温度最高的是第3个过负荷周波过后，计算结果为138 ℃<140 ℃，该产品满足用户过负荷要求值。

表3 计算结果

3.2 国外合同产品

国外已供货某条铁路线路用主变压器的参数如表4所示。

表4 参 数

在完成100%负载测试后，应对变压器馈入电源，该电流应循环1 h之后，电流应增加至额定电流的150%，并保持15 min。在15 min后，应切断电源，并记录切断电源的时间。

在完成150%负载测试后，应对变压器馈入电源，该电流应循环1 h之后，电流应增加至额定电流的200%，并保持5 min。在5 min后，应切断电源，并记录切断电源的时间。

按参考文献[1]标准计算结果如下:

150%IN保持15 min以后热点温度计算值为高压110 ℃、低压93 ℃；

200%IN保持5 min以后热点温度计算值为高压113 ℃、低压95 ℃；

从计算结果来看，绕组热点温度计算结果均小于140 ℃，该产品经检测中心过负荷能力试验，试验结果满足用户过负荷要求值，经国家电气产品检验中心检验，结果见表5。

表5 150%IN试验值

表6 200%IN试验值

3.3 国外投标铁路项目

国外某铁路线路用主变压器参数要求如表7所示。

表7 参数要求

按设计数据逐一带入，此计算方案满足参考文献[2]中JP级别的过负荷要求，计算结果见表8。

表8 计算结果

按24 h计算累积效果，绕组热点温度最高为130.2 ℃，投标应答过负荷级别为JP级别。

4 结 论

国外牵引变压器和国内牵引变压器过负荷要求不太一样，国内具体有专门的负荷曲线要求，根据参考文献[4]和参考文献[5]规定，只要方案计算时满足热点温度不大于140 ℃就可以认为该方案满足符合要求，而国外项目在方案核算过程中，需要提交方案满足哪个级别的过负荷情况，作为评价产品性能的依据，所有的牵引变压器方案都需要通过提前计算有效指导设计参数的调整，其中包括电流密度的选取，油流散热结构的设计等，依据此参数可以采取合理的铜铁比使变压器在满足不同用户要求的前提下更经济。