V/X 接線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，隨著社會經濟的不斷發展，高速客運專線得到了飛速的發展，牽引變壓器作為高速客運專線牽引供電系統的重要組成部分，其能否安全、可靠、經濟地運行將對整個客運專線系統的運營產生至關重要的影響。牽引變壓器的溫升對其設備的老化和絕緣的影響是變壓器技術研究的重點和熱點問題。溫度越高，老化的速度越快，直接影響設備的使用壽命及經濟效益[1]。目前，國內針對普速電氣化干線牽引變壓器負荷特點的溫升和壽命損失有大量的研究，針對高速電氣化干線牽引變壓器負荷特點的溫升和壽命損失研究還較少。高速電氣化干線的牽引變壓器安裝容量大，其主要負載為交直交型電力機車，具有功率大、速度高、功率因數高等特點，所以高速客運干線牽引負荷特點較普速有較大區別。

目前，V/X 接線牽引變壓器在京津城際客運專線和鄭西客運專線都有廣泛的運用，V/X 接線牽引變壓器的溫升和壽命損失的研究使設計人員能直觀地了解該變壓器運行狀況。本文根據客運專線運營中實際牽引負荷的情況，對V/X 接線牽引變壓器的溫升和繞組最熱點進行了計算，并根據繞組最熱點溫升曲線計算牽引變壓器的壽命損失，進而對影響牽引變壓器壽命損失的因素進行了分析，最后就如何在合理利用壽命損失的基礎上對牽引變壓器容量優化提出了建議。

1 V/X 接線牽引變壓器

基于V/X 接線牽引變壓器的AT 供電方式在高速客運專線牽引供電系統中得到了廣泛的運用，V/X 接線牽引變壓器的接線方式如圖1 所示。

圖1 V/X 接線牽引變壓器接線形式示意圖

從圖1 中可知，V/X 接線牽引變壓器由2 臺單相三繞組的牽引變壓器構成。2 臺變壓器的原邊繞組分別接入三相電力系統的AC 相和BC 相，其副邊繞組端子分別接到上、下行的接觸線T、正饋線F 和鋼軌R 上。當原副邊繞組滿足一定的阻抗匹配關系時，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接線牽引變壓器結構相對簡單，容量利用率高，對電力系統負序的影響同V/V 接線變壓器相當。

2 變壓器溫升計算模型

變壓器運行時會產生鐵耗、銅耗和雜散損耗等，該損耗將轉變為熱能，該熱量被周圍的變壓器油吸收后，油溫升高，密度減少。變壓器的絕緣材料長期處在熱作用下將變得很松脆，機械特性變劣，如果溫度過高則會導致變壓器油中的水分和氣體發生氧化作用，變壓器的機械強度和電氣強度將很快喪失，從而加速變壓器的絕緣老化[2]。

在任意負荷下，變壓器繞組熱點對空氣的溫升可以分為繞組對油的溫升和油對空氣的溫升。這2部分的溫升可用下述公式計算。

任意負荷下，繞組對油的溫升（最大值）：

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

實際負荷曲線是多段的。由于各段時間短，一般每一段的溫升都達不到穩定值。在該情況下，油對空氣的溫升宜采用式（2）進行計算[4]。

τiw為第i 段負荷為Ki時的穩定溫升，τiw可由下式計算。

式中，d 為額定負荷下的短路損耗與空載損耗之比，為2～6；x 為計算油溫用的指數，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

取額定狀態下空氣的平均溫度為20℃，則變壓器繞組最熱點溫升為

3 變壓器壽命損失計算模型

變壓器的絕緣老化是指絕緣受到熱或其它物理化學作用而逐漸失去其機械強度和電氣強度。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，化學反應（主要是氧化作用）進行得愈快，絕緣的機械強度和電氣強度喪失得愈快，絕緣老化的速度愈快，變壓器的使用年限也愈短[4]。

根據蒙特辛格關系，任意溫度θc與溫度θcr（額定負荷條件下的溫度）時的壽命損失率之比，即相對壽命損失率

按照國際電工委員會第76 號出版物（1967）規定，取變壓器的θcr值為98℃。在式（5）的基礎上，通過取以10 為底的對數，得到式（6）。

變壓器的絕緣壽命損失

式中，V 為相對壽命損失率；n 為時間段的總數；i為每個時間段的序數；hi為某一負載作用的持續時間。

4 變壓器溫升和壽命損失計算

某牽引變電所采用220 kV 進線，有220 kV/2×27.5 kV 單相變壓器 4 臺，單臺容量為31.5 MV · A，2 臺單相變壓器組成V/X 接線。其主要負載是CRH2 和CRH3 2 種類型動車組。試運行期間每天發車60 對，圖2 為運行期間某天3：45—24：00 的負荷過程曲線。

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

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

圖2 實際牽引負荷曲線圖

圖3 V/X 接線牽引變壓器各繞組溫升曲線圖

圖4 繞組最熱點溫升曲線圖

在變壓器繞組最熱點溫升曲線的基礎上，通過變壓器壽命損失計算模型可以得到變壓器的壽命損失如圖5 所示。

從上面的計算結果可以看出，在試運行期間，現行變壓器運行不合理，實際變壓器繞組溫升和壽命損失值遠遠小于標準規定變壓器繞組溫升和壽命損失額定上限值，變壓器壽命損失沒有得到充分利用，容量利用率較低，運行不夠經濟。這一方面可能是因為變壓器本身安裝容量選取過大，另一方面，可能是考慮到牽引變電所的遠期牽引負荷較大，為以后線路的擴容提供裕量。

圖5 V/X 接線牽引變壓器壽命損失曲線圖

5 牽引變壓器容量優化

實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際容量利用率，可以充分利用現有牽引變壓器壽命損失而放寬對繞組最高溫升限值，實際操作方式是將現有牽引變壓器降低容量等級來優化變壓器容量。

表1 V/X 接線牽引變壓器容量優化結果表

V/X 接線牽引變壓器降容后壽命損失與繞組最熱點溫升結果如表1 所示，隨著容量等級的降低，變壓器壽命損失逐漸增大，但仍未超過標準規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，變壓器繞組最熱點溫升也未超過標準規定的繞組最熱點溫升上限值140℃。所以在當前行車計劃下，對變壓器降低一定容量等級后，也能滿足該客運專線的運營要求。

6 結論

本文在實際V/X 接線牽引變壓器負荷過程的基礎上，通過建立適用于牽引變壓器溫升和壽命損失計算的模型，分析了V/X 接線牽引變壓器的溫升和壽命損失，并就如何優化牽引變壓器容量提出了建議，得到的結論如下：

（1）客運專線由于運量大、速度快，使其牽引負荷大、隨機波動劇烈，從而負荷對變壓器沖擊劇烈，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，可通過降低牽引變壓器容量等級，充分利用變壓器壽命損失，放寬對繞組最高溫升限值的方法對變壓器容量進行優化。

（3）在客運專線牽引變壓器安裝容量的選擇上，由于國內客運專線牽引變電所的遠期牽引負荷較大，應充分考慮近遠期運營的一致性、可擴展性，使牽引變壓器在長期運行過程中，變壓器實際負荷與自身容量相匹配，從而實現牽引變壓器運行更安全、可靠、經濟的目的。

[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研究[J].電工電氣，2010，（3）：9.

[2] 王杰文.牽引變壓器典型負荷曲線的建模、仿真與應用[D].西南交通大學碩士研究生論文，2004.

[3] GB/T15164-94 油浸式電力變壓器負載導則[S].

[4] 徐樹栓.電力變壓器運行[M].北京：水利電力出版社，1993.