高速鐵路變壓器過載特性分析

孫萍麗

（中交機電工程局有限公司，湖北 武漢 430064）

0 引 言

高速鐵路快速發展，其供電系統的變壓器容量選擇在鐵路電力設計方面至關重要。高速鐵路用電系統中存在信號負荷和牽引負荷，具有短時沖擊的特性及非線性、不對稱以及波動性的特點[1]。若變壓器容量過大，長期工作在低負荷率狀態，則會降低變壓器經濟性；而若變壓器容量過小，則當出現沖擊負荷，使變壓器處于過載狀態時會引起絕緣老化，嚴重時甚至燒毀變壓器。因此選用合適的變壓器容量不僅可節約材料成本和制作費用，減小后續檢修難度，而且能保障供電可靠和安全。

選取變壓器容量時要將過載特性考慮在內，讓變壓器工作在高負荷率下，提高其經濟性。同時面對鐵路用電負荷波動時，變壓器過載后仍能正常工作，避免發生損壞。對鐵路供電變壓器過載特性分析有助于選擇出既滿足運行安全又能充分發揮經濟性的變壓器容量。

1 油浸式變壓器的過載特性

油浸式變壓器所帶負載超出額定負載，處于過載狀態會使變壓器內線圈、磁場以及絕緣物質發生變化。如果長期處于過載狀態，油浸式變壓器的絕緣油會變質，絕緣性能嚴重下降導致變壓器壽命縮短[2]。處于過載狀態的油浸式變壓器發生的主要發生如下。一是溫度上升，長時間工作于過載狀態，溫度持續升高，導致繞組過熱變形，絕緣油超出工作耐受溫度而變質。二是鐵芯磁通增大，由于負荷較大，變壓器內部漏磁通增大，渦流效應明顯，渦流增大引起鐵芯發熱，使其過勵磁能力減弱。三是絕緣油成分變化，溫度升高使得變壓器內絕緣油中氣體和液體成分比例發生變化，內部產生熱應力，使變壓器物理結構發生形變。

2 油浸式變壓器模型

變壓器過載能力主要由絕緣能力所決定，直接影響變壓器絕緣能力的是工作溫度[3]。變壓器內部溫度分布從頂端到底端可近似為線性分布，如圖1所示，其中H為熱點系數，gr為額定電流下熱點溫度對平均油溫的溫度差。變壓器的最大溫度稱為熱點溫度，通常出現在絕緣油靠近繞組處。本文以熱點溫度作為評估變壓器過載能力及壽命損失的主要依據建立熱點溫度模型，熱點溫度為環境溫度、頂層油溫升以及熱點對頂層油溫差三者相加。

圖1 變壓器內部溫度分布

依據國家標準GB/T 1094.7—2008中提出的指數方程法和微分方程法計算熱點溫度。以階躍變化的負載通常使用指數方程求解，非階躍變化的負載使用微分方程求解[4]。負載上升時，熱點溫度為：

負載下降時，熱點溫度為：

式中，θh(t)為熱點溫度；θa為環境溫度；Δθoi為初始狀態頂層油溫升；Hgi為初始狀態熱點對頂層油溫度差；Δθor為總損耗下頂層油溫升；Hgr為額定電流下熱點對頂層油溫度差；R為負載損耗或空載損耗；K為負載系數；x為頂層油指數；y為繞組指數；f1(t)為反映頂層油溫升上升量的時間函數；f2(t)為反映熱點對頂層油溫度差變化的時間函數；f3(t)為反映頂層油溫升降低量的時間函數。

式中，τ0為油時間常數；k為時間系數。

變壓器因絕緣老化造成壽命縮減，其規律為變壓器熱點溫度每超過額定溫度6 ℃，壽命減少一半。依此可建立壽命損失模型，相對絕緣老化率為：

3 不同類型急救負荷下熱點溫度變化

根據上述熱點溫度和壽命損失模型，代入不同過載時間和過載倍率計算可得熱點溫度的變化趨勢，分析比較長期過載和短期過載下變壓器老化程度。變壓器工作過載時間長短不同，影響著其在溫度限值范圍內的最大過載倍數。將急救負荷按接入時間長短分為長期急救負荷與短期急救負荷，分別研究熱點溫度的變化趨勢。長期急救負載下熱點溫度如圖2所示，其中K為變壓器過載倍數，變壓器長期過載1.34～1.49倍時，熱點溫度在限值范圍140～160 ℃。

圖2 長期急救負載下熱點溫度

當變壓器短時工作于過載狀態時，熱點溫度隨過載時間和過載倍數的變化如圖3所示。過載倍數K為1.5時，不超過160 ℃溫度限值的最大過載時間為769 min；過載倍數K為2時，過載113 min熱點溫度達限值160 ℃。

圖3 過載狀態下熱點溫度隨過載時間和過載倍數的變化

4 結 論

依據以上建立的熱點溫度模型和壽命損失模型可以得出，油浸式變壓器過載倍數低于1.5時不會超過160 ℃溫度限值，而過載倍數為1.5時，理論過載工作769 min后達溫度限值，過載倍數為2時，理論過載113 min達溫度限值。利用變壓器短時工作于過載狀態特性，可以為高速鐵路短時沖擊負荷合理選擇變壓器容量提供技術支持，使變壓器既能保證使用壽命，又能兼顧經濟性。