CRH2型动车组牵引变压器

CRH2型动车组牵引变压器7.4.1牵引变压器的结构及原理牵引变压器是动车组上的重要部件，用来把接触网上取得的25kV高压电变换为供给牵引变流器及其他电器工作所适合的电压。变压器中最主要的部件是铁芯和绕组，它们构成了变压器的本体。变压器的铁芯既是磁路，又是套装绕组的骨架。按照铁芯的结构，变压器可分为芯式和壳式两种。芯式结构的绕组装配和绝缘比较容易，所以电力变压器常常采用芯式结构。壳式变压器的机械强度较好，常用于低压、大电流的变压器或小容量电讯变压器。绕组是变压器的电路部分，用纸包或纱包的绝缘扁线或圆线绕成。其中输入电能的绕组称为原边绕组，输出电能的绕组称为牵引绕组，它们通常套装在同一芯柱上。原边、牵引绕组具有不同的匝数，通过电磁感应作用，原边绕组的电能可传递到牵引绕组，且使原边、牵引绕组具有不同的电压和电流。原边、牵引绕组的电压分别与绕组的匝数成正比，电流分别与绕组匝数成反比。7.4.2牵引变压器的特点CRH2型动车组采用ATM9型牵引变压器，其工作原理与普通电力变压器相同。但由于动车组变压器工作条件的特殊性，又具有如下特点：(1)具有坚固的机械结构，耐机械振动和冲击。(2)采用特制30ZHl05E低损耗硅钢片，降低了变压器的铁损。(3)体积小、质量轻。①变压器采用壳式铁芯，其油箱紧包变压器铁芯及线圈，使得变压器内部结构紧凑，减小了变压器的尺寸及质量；②原边、牵引线圈采用铝质线圈；③电磁线电密大，用量小；④取消了牵引绕组滤波电抗器。(4)牵引绕组①各牵引绕组的电抗相等，以保证牵引绕组侧并联的PWM整流器的负荷平衡；②牵引绕组侧各绕组的电抗比较高，从而达到抑制牵引绕组电流纹波、控制开关器件的关断电流以及抑制网侧谐波电流的要求；③牵引绕组侧励磁电抗应尽量小；④牵引绕组侧各绕组之间采用去耦结构，避免当各绕组之间相互干扰很强时，牵引绕组电流波形紊乱而严重影响开关器件的关断电流及网侧谐波电流的抑制；⑤牵引绕组为两个独立绕组，每个绕组与一台牵引变流器连接，确保牵引绕组的高电抗和疏耦合性，两牵引绕组与各自的高压线圈耦合，相互影响很小，牵引变换装置具有稳定运行的特性。另外，为对应于每个牵引绕组的增容，原边绕组配置了两个并联的线圈。(5)绝缘性能接触网电压变动范围大，受大气过电压和操作过电压等的影响，要求其具有较大的工作范围及较好的绝缘性能。该变压器采用特A级绝缘，绝缘等级高。(6)冷却①冷却绝缘介质采用无色透明的合成油--硅油，为二甲基聚硅氧烷结构，不含任何添加物、悬浮物等有害物质，具有较好的环保性能。②冷却介质的最高温度可达135℃，大大提高了油浸变压器的温升限值。③冷却系统中油冷却器采用铝制板翅式结构，质量轻、体积小，空气阻力损耗(400Pa)与油的阻力损耗(26kPa)低，散热量大(150kW)。另外，整个冷却系统中没有蝶阀，对所有外部组件的可靠性要求很高，维修率低。7.4.3ATM9型牵引变压器主要技术参数及容量计算主要参数：(1)通用规格①环境温度-25～＋40℃②原边电压标称接触网电压25kV电压变动范围17.5～31kV(2)性能①密封方式单相、壳式、无压密封方式②冷却方式油循环风冷方式(KDAF)③额定值如表7.3所示④绝缘级别如表7.4所示⑤绝缘类别特殊A类绝缘(使用聚酰胺绝缘纸)⑥最高温升如表7.5所示⑦绝缘油硅油⑧辅助设备电源规格电动鼓风机三相，50Hz，400V，风速115m/min⑨电动油泵三相，50Hz，400V，油速700L/min，7m油柱表7.3牵引变压器额定参数绕组容量(kV·A)电压(V)电流(A)频率(Hz)效率额定类别原边30602500012250大于95％连续额定牵引2570l500857×2辅助490400l2253(3)外形尺寸与质量外形尺寸(L×W×H)2570mm×2300mm×835mm(4)总重29lOkg(包括电动鼓风机)表7.4绝缘级别绕组感应耐电压工频耐电压原边线路侧42kV×10min-全波：150kV雷击耐电压截断波170kV表7.5最高温升测量部位绕组油标准环境温度测量方法电阻法温度计法25℃温度上升极限125K80K工频温度上升极限115K75K--原边接地侧-2.5kV牵引-5.4kV辅助-2.9kV容量计算：(1)计算条件①牵引线圈负荷条件牵引(额定)2570kV·A再生制动(最大)-3988kV·A②辅助线圈负荷条件额定负荷490kV·A最大负荷560kV·A瞬时最大负荷(辅机启动、分相通过)：1120kV·A③接触网电压条件再生制动时31kV连续19～29kV10min17.5kV(2)计算结果计算结果见表7.6和表7.7。表7.6电压变动计算结果接角网电压3lkv再生制动时29～19kv连续电压变动499v467～281V接触网电压17.5kVlOmin17.5kV启动瞬时电压变压257v236V表7.7容量计算结果7.4.4ATM9型变压器结构ATM9型变压器采用单相壳式、无压密封方式，一个基本动力单元配置1台，全列共计2台。其实物图如图7.16，外形图见图7.17。储油柜安装在牵引变压器中央部位，和主机油箱通过连接孔输送绝缘油。波纹管采用圆形不锈钢焊接结构，外侧存放油，内侧与大气相通。(1)铁芯ATM9型牵引变压器采用壳式铁芯，其特点是铁轭不仅包围线圈的顶面和底面，而且还包围线圈的侧面。硅钢片采用低损耗硅钢片.降低了变压器的铁损。为防止产生悬浮电位造成对地放电，安装时铁芯及其他所有金属构件都必须可靠接地。整个铁芯只允许一点接地。如果有两点或两点以上接地，则接地点之间可能形成闭合回路。造成铁芯局部过热。(2)绕组绕组是牵引变压器的关键部件，为了保证变压器可靠运行，变压器绕组必须具有足够的电气强度、耐热强度、机械强度和良好的散热性能，使变压器既能在额定条件下长期使用，又能经受住过渡过程(如短路、雷击、操作等)所产生的过电压、过电流以及相应的电磁力作用，不致发生绝缘击穿、过热、变形或损坏。为满足主电路要求，牵引变压器绕组设计主要采取措施见表7.8，其线圈排列如图7.18所示。ATM9型牵引变压器原边高压绕组、牵引绕组采用铝制线圈，辅助绕组辅助绕组采用铜制线圈。技术参数见表7.9。表7.9牵引变压器线圈主要技术参数项目总匝数材质导线绝缘导体质量(kg)原边高压绕组10001/2铝聚氨酸绝缘纸146159。61牵引绕组60×2铝辅助绕组16铜(3)绝缘和引线装置油浸式变压器的内部绝缘分为主绝缘和匝间绝缘两类，主绝缘是指绕组(或引线)对地及对其他绕组(或引线)之间的绝缘；匝间绝缘则指同一绕组不同部位之间的绝缘。绝缘结构尺寸，特别是主绝缘尺寸将直接影响变压器的质量、外形尺寸，以及阻抗电压、损耗等性能参数。图7.19为牵引变压器线圈接线图，其中TRl，TR2是牵引线圈，HVl，HV2是原边线圈，AUX是辅助线圈。线圈阻抗电压见表7.10。表7.10线圈阻抗电压阻抗电压(％)短路绕组设计值S1-S2S3-S4S1-S4a-b21.421.1--实测值21.1621.8717.095.44牵引变压器原边线路侧套管选用一体型耐热环氧树脂注塑成型套管，套管连接到相邻的高压设备箱内的断路器上。牵引变压器采用特殊A级绝缘，线圈内部使用聚酰胺绝缘纸板及Nomex410纸绝缘，冷却介质的最高温度可达135℃，大大提高了变压器的温升限值。(4)油箱油箱是油浸式牵引变压器的外壳，变压器的器身就放在充满冷却油的油箱内，油箱必须满足以下要求：①在保证内部必要的绝缘距离条件下，尽可能减小体积，节约用油；②具有必要的真空强度，以便在检修时能利用油箱进行真空干燥；③油箱外部各种附件的布置便于安装和维护。变压器的器身放在充满冷却油的油箱中，油箱分为上油箱和下油箱。下油箱安装变压器的器身，上油箱可以安装储油柜及温度继电器。油箱上壁装有压力释放阀，以便迅速排出油箱内过高的压力。另外，在箱壁还开有冷却系统的进出口管道，油冷却器安装在箱壁上。油箱上装有油管，用于接通油路。ATM9型牵引变压器油箱为适形结构，紧包铁芯及线圈，结构紧凑，尺寸及质量小。油箱壁上装有绕组出线用绝缘套管，另外还设有与车体固定用安装座。(5)保护装置为了保证变压器能够正常工作，并在出现故障时防止变压器事故的扩大，ATM9型牵引变压器设置了以下保护装置：①温度继电器用于监测牵引变压器的油温，在油温超过设定值时输出报警信号。②油流继电器油流继电器用于监测牵引变压器运行中的油流量，油流异常时，输出故障信号。③金属波纹管式储油柜储油柜又称油枕，安装在箱盖的上方。牵引变压器储油柜的油量满足变压器在高温持续运行时，油压不超过设定值。ATM9型牵引变压器的储油柜采用金属波纹管式储油柜，波纹管是由多个(层数按规格)薄钢板冲压成形的环经内外圆周交互焊接而成，具有伸缩性的蛇腹状管结构。管的一端用钢板密封，另一端设有通气孔，并焊接到储油柜缸体的钢板上。缸体套在波纹管外周，两部件之间油密焊接。波纹管外侧和缸体内侧之间存放绝缘油，此空间与牵引变压器油箱连通。波纹管内侧通过空气配管与大气连通。储油柜安装在牵引变压器上部，通过波纹管伸缩来吸收绝缘油因温度变化引起的体积变化，使牵引变压器内部保持大气压力。④自复位型压力释放阀变压器运行时，可能因短路而产生过高的热量使冷却油迅速气化，变压器内部压力升高。为防止变压器事故扩大，造成油箱薄弱环节破裂和变形，安装了压力释放阀。压力释放阀采用连杆和弹簧组成的自复位结构，当主机内部异常导致压力过高时，自动卸压；当压力降低到安全值时，自动关闭压力释放阀外罩，避免不必要的油损失。使用中应注意检查压力释放阀有无动作痕迹、有无漏油现象发生。(6)冷却系统牵引变压器运行中产生的所有损耗将转变为热量，使各部件的温度升高，当牵引变压器温升超过规定的限值，将加速绝缘老化甚至损坏，直接影响牵引变压器的使用寿命。因此，牵引变压器必须具有相应的散热能力。ATM9型牵引变压器在保证内部散热能力良好的同时，其外部冷却采用了油循环风冷却方式。冷却系统完成变压器的散热，冷却回路见图7.20。牵引变压器冷却系统主要由油冷却器、电动油泵、电动风机等部件组成。电动风机从车辆侧面吸入冷却风，经柔性风道内的整风栅板送往油冷却器，热交换后的空气从进气风道对面的排气风道排出，绝缘油在油冷却器冷却后被送往变压器。油在流经绕组表面和铁芯侧面时吸收热量，吸收热量后的油经电动送油泵再次送往油冷却器进行热交换。冷却油按以下所述不停地在变压器内部循环，如循环因油泵故障等停止，则绕组将过热甚至烧损。为此，在循环回路的某部分安装油流继电器，进行油流停止检测。使用时要注意检查金属网过滤器和整风栅板的污物附着状态，及时清扫。①油冷却器油冷却器选用整体铝制油冷却器，采用铝制波纹翅片。虽然翅片间距和形状都采用了防堵塞处理，但堵塞不可避免，这将导致冷却性能降低。为此，油冷却器的风道部侧面开设清扫(检查)口，以便于堵塞时的检查和清扫。油冷却器规格如表7.11所示。表7.11油冷却器的规格位置高温侧项目低温侧项目位置高温侧低温侧热交换量流体流量150kW硅油700L/min空气125m3/min入口温度压力损失105℃3.Om油柱25℃400Pa②电动油泵牵引变压器选用轴向空隙型电动油泵。油泵的泵和电动机采用一体构造，任何一侧均能浸润硅油，因此轴承可直接使用硅油润滑。电动油泵规格如表7.12所示，结构如图7.21所示。表7.12电动油泵的规格型号电机类型输出功率电压电流频率极数单相鼠笼式径向空隙型1.5kW400V5.5A50Hz4TS16-80-B4油泵类型排出量全扬程使用绝缘油漩涡型700L/min7m油柱硅油③电动风机牵引变压器的电动风机采用单相鼠笼形感应电动机和风机直连构造，安装在牵引变压器的油冷却器的旁边，通过防振橡胶衬垫吊在车体下部。风机为两段轴流型。使用时注意油泵、风机回转时有无异常声音、异常振动。存在异常声音时，使用声波探测器等确认声源。电动风机的规格如表7.13所示，结构如图7.22所示。表7.13电动风机的规格电机型号相数极数电压输出功率频率SE-J3相4P400V3.4