（电机与电器专业论文）韶山7型电力机车主变压器的分析与计算.pdf

! 燮兰堡圭兰堡堡苎 塑出! 型皇垄墼圭圭壅垦壁塑坌塑兰生竺 a b s t r a c t b a s e do nt h ea c t u a lp r o j e c t - - a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no f t h em a i n t r a n s f o r m e rf o rt h es s 7t y p ee l e c t r i cl o c o m o t i v e ，t h i sp a p e r a n a l y s e s r e l e v a n tp r o b l e m sw h i c hd e s e r v ea t t e n t i o nw h i l ed e s i g n i n gt h em a i n t r a n s f o r m e ro fa ne l e c t r i cl o c o m o t i v ew i t ha c d c t r a n s m i s s i o n ，a n d d i s s e r t a t e si nd e t a i lt h es t r u c t u r eo ft h et r a c t i v et r a n s f o r m e ro ft h e l o c o m o t i v ea n dr e a s o n sw h yt h es h e l l t y p es t r u c t u r ei sa d o p t e df o r t h e t r a n s f o r m e r t h e n ，a f t e rs u m m a r i z i n g d i f f e r e n tm e t h o d sf o r c a l c u l a t i n gs h o r t c i r c u i ti m p e d a n c e ，an e wm e t h o dw h i c hc o m b i n e s t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e la n dt h ef e m ( f i n i t ee l e m e m m e t h o d ) i s p u t f o r w a r dt oc a l c u l a t et h e p a r a m e t e r ss u c h a st h et h e v e n i n s e q u i v a l e n tp o t e n t i a l a n d i m p e d a n c e u n d e rd i f f e r e n t w o r k i n g c o n d i t i o n s t h er e s u l te n a b l e st h e d e s i g n e r sw i t ht h el o c o m o t i v e f a c t o r y t oc o n d u c td e s i g nr e f i n e m e n t a n dt h e m e t h o d ，p r o v e db y e x p e r i m e n t ，i sc o r r e c ta n de f f e c t i v e 【k e yw o r d s e l e c t r i c a ll o c o m o t i v e s h e l lt y p et r a n s f o r m e r a c - d ct r a n s m i s s i o ns h o r t - c i r c u i ti m p e d a n c e f e m d e s i g n r e f i n e m e n t e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l + ，、 湖南大学硕士学位论文 韶山7 型电力机车主变压器的分析与计算 第一章绪论 1 1 课厦的来源及任务 课题来源于大同机车厂，为实际课题，主要的研究任务是对机车主变压器的 有关参数进行分析计算，找出韶山7 型电力机车在运行中烧坏半导体元件的原因， 最后与厂方一起讨论改进设计方案。 该变压器是一台交错式、多绕组变压器，由1 2 个绕组构成，结构较为复杂， 主要参数如表所示。由于变压器运行n - f 各绕组间的漏磁场影响较大，而以往 厂方所采用的常规设计方法不能计及这种影响，致使其所生产的变压器在组成交 一直传动系统后，有的供电子系统的电压过高或过低。为此本文拟采用有限元方 法和等值电路理论来分析变压器的漏磁场，以便进行设计改进。 表t 1 韶山7 型电力机车主变压器的主要参数 网侧牵引取暖励磁辅助 额定容量( k v a ) 9 1 9 04 1 9 0 5 42 5 8 22 3 63 2 01 2 额定电压( v ) 2 5 0 0 02 x 3 3 7 8 - 6 7 5 6 2 x 8 7 2 7 1 6 8 93 9 4 12 2 5 2 额定电流( a ) 3 6 7 62 8 2 06 6 72 1 3 18 1 25 3 5 端子号 ，a x a l b l x ，a 3 x 3 a s x 8a 5 x 5a 7 n 7b 7 x 7 a 2 b 2 x 2 a 4 x 4x 9 a 9a 6 x 6 1 2 课题研究的目的与意义 铁路的历史已有数百年了，在不少发达国家，随着公路与航空业的发展，铁 路的作用已不再如往目那股突出。但是对于我国这样一个幅员辽阔的发展中国家 而言，铁路交通有着相当广阔的发展空间，电力机车的研制便是其中一个重要的 湖南大学硕士学位论文韶山7 型电力机车主变压嚣的分析与计算 方向。 进入二十一世纪，中央提出了“西部大开发”的战略方针。要开发西部，首 要的一个任务就是建立起便捷的交通网。在这种形式下，具有高效、节能、污染 少等特点的电力机车迎来了前所未有的发展机遇。 我国电力机车的研制尚处在初级阶段，还有f ：多技术问题有待解决。因此， 加大技术投入，采用新方法、新途径进行研究，是使我国电力机车业迅速发展必 不可少的举措。本文就是对韶山7 型电力机车主变压器的设计进行的一些探索。 1 3 国外电力机车的发展及我国铁路的现状 铁路交通经过几百年的发展，已和最初时的形态有了很大的差别。现代列车 的发展方向是研制运行高速化、管理信息化、客车轻轨化和货车重载化的电力机 车。国外发达国家在这一领域的研究已经达到了很高的水平，特别是高速电力机 车已投入运营并在国民经济中发挥了重要作用。 二十世纪初德国就用电动车首创试验速度2 1 0k m h 的世界纪录，5 0 年代法 国用电力机车牵引创造了3 3 i k m h 的世界铁路高速纪录。到了6 0 年代和7 0 年代 初，西欧已经有了多种系列的高速机车车辆，但是当时仍然难以与高速发展的高 速公路和航空运输相竞争。 1 9 6 4 年日本东海道新干线东京一大阪高速铁路正式开通投入商业运营。这是 世界上第一条完全按照高速行车技术条件建造的铁路，其安全运营的最高时速达 2 1 0 k m 的高速列车技术由实验阶段跃升为商业运营阶段；这不仅为日本铁路，而 且也为世界铁路开创了新纪元。日本新干线投入运营，以其高速、安全、准时、 舒适、运量大、污染少、能源省及占地少等特点而著称，不仅为当时日本经济的 腾飞、社会的发展起到举足轻重的作用，而且也为世界铁路的复兴奠定了基础。 日本新干线的成功带动了世界高速铁路的发展。今天，日本、西欧和美国等 发达国家的高速铁路无论是在规模上还是质量上都已达到了相当高的水平，取得 了很好的经济效益和社会效益。 我国于1 9 8 6 年正式成立了铁路机车车辆总公司，为满足铁路运输的需求， 湖南大学硕士学位论文韶山7 型电力机车主变压器的分析与计算 铁路部门方面从国外购买了一部分机车，同时引进了一部分机车车辆技术和生 产用关键设备；另一方面加大了对机车车辆工业的投资，进行了较大范围的技术 改造和扩建。目前，韶山型电力机车已形成了机车型谱，到9 5 年末，全国电气化 里程达l 1 0 0 0 k m ，电气化率为1 9 。1 9 9 4 年4 月，时速为1 6 0 k i n 的准高速列车 开始在广深线运营。2 0 0 0 年8 月，以“蓝箭”命名的高速电力机车试运行成功， 时速达3 0 5 k m h 。 纵观我国铁路的发展，虽然已取得了很大的进步，但目前仍然是国民经济中 的“瓶颈”，铁路运输能力远远不能适应国民经济发展的要求。这主要表现为铁路 的人均数最和质量都较低，电气化率不高。因此，我国建设现代化电气铁路的任 务还任重而道远。 。 1 4 电力机车主变压器的要求及对策 电力机车主变压器在原理上与普通的电力变压器没有太大的区别，但出于其 自身的特点而增加了一些特殊的要求，主要有： l 牵引变压器足个多绕组单相变压器，尽可能要求各绕组完全解耦。若由 于设计要求做不到完全解耦，则应深入分析变压器漏磁场的分布规律，以便对控 制模块进行改进； 2 为限制变压器的高次谐波对电网的影响，一般要求有较高的短路阻抗，并 且要求高压绕组和各牵引绕组之间的短路阻抗尽可能相同； 3 变压器的外形尺寸受到严格限制，还应当在规定的体积、尺寸及质量下获 得目标大小的功率； 4 牵引变压器应具有承受振动、加速度和短路时机械强度的能力： 5 降低损耗，提高效率； 6 尽量减少变压器的外厢漏磁，以避免对电子装置产生干扰。 为了满足这些要求应对变雁器进行优化设计，利用新技术对变压器漏磁场 进行分析，并在制造工艺上采用新材料，改变冷却媒质，提高绝缘水平。国外在 工艺材料方面已经有了许多尝试和成功的经验，可以为我们参考借鉴。 湖南大学硕士学位论文韶山7 型电力机车主变压器的分析与计算 第二章交一直传动电力机车主变压器 设计时应注意的问题 随着大功率半导体元件及逆变器技术的迅猛发展，交流传动电力机车己成为 当今电力机车发展的方向。但直流牵引电动机具有优良的牵引特性，且调速方便， 故为一般的电力机车所采用。由于需要采用硅整流或晶闸管相控整流。必然会产 生些负面影响，如高次谐波、负序电流、电网波动和直流磁化等，另外对于电 力机车而言，还需要考虑一些自身特点方面的因素，如运行环境和轻量化、小型 化等，下面将具体论述。 2 1 绕组电流中的高次谐波 2 1 1 高次谐波产生的原因 高次谐波产生的根本原因是由于电力系统中某些设备和负荷的非线性特性， 即所加的电压与产生的电流不成线性( 正比) 关系而造成的波形畸变。谐波是一 个周期性电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。 电气铁道电力机车为波动性很大的大功率单相整流负荷，对于三相对称的电 力系统供电来说，电气铁道牵引负荷具有非线性、不对称和波动性的特点，将产 生三相不平衡的谐波电流和基波负序电流注入系统，并使电力系统的电压波动。 湖南大学硕士学位论文韶山7 型电力机车主变压器的分析与计算 2 1 2 交一直电力机车产生的谐波及其特征 2 1 2 1 交直电力机车的整流和调压方式 交一直电力机车通常采用电气特性为软特性的直流串激电动机作为驱动电 机，其整流和调压方式有三种，即：单相全波不控整流、级差调压；桥式不控整 流、级问可控平滑调n i ；多段半控桥整流、九级甲滑调j _ l i 。下面将主要介绍韶山 7 型电力机车所采用的第三种方式。 多段半控桥整流、无级平滑调压的一组半控桥的原理性主电路如图2 ，1 所示 ( 完整的主电路原理图见附录) ，全车共有四组，每个机车牵引变压器t 上具备 两组。每组向两台直流串激牵引电动机m 供电。每组半控桥由a l x l 和a 2 x 2 两段 电压相等的绕组组成，前者引出中间抽头b 1 ，组成v d ! 、v d 2 、v 1 、v 2 和v d i 、 v d 2 、v 3 、v 4 两个半 控桥，电源绕组分别为a l b l 和b l x l 。当采用顺序与开关结合的控制方式时，可 达到等分四段半控桥的调压效果。采用半控桥可以改善功率因数，减少所需的无 功功率。分成多段的半控桥所需的无功功率更少。 电力机车在牵引工作状态运行时( 起动、加速、上坡) 等，整流装置投入， 直流牵引电机按电动机方式运行，把系统电能变为机车前进的机械能。在制动工 l ( 平艘电抗嚣) f ( 阜励绕组) 图21 韶【l l7 型电力机车原理性主电路图 湖南大学硕士学位论文韶山7 型电力机车主变压器的分析与计算 作状态时( 减速、停车、下坡) 等，整流装置切除，牵引电机按直流发电机方式 运行，通过消耗或向电网回馈由机车机械能转变成的电能而制动。 2 1 2 2 电力机车的谐波及其特征 交一直换流对应于换流元件导通与关断状态的转换，换流设备在运行中，交 流侧电压每一周期将对应于直流侧电压定的脉动数，也就足说，换流没备在理 想的正常情况即完全平衡的方式下运行时必然产生次数一定的谐波，称之为特征 谐波。而换流设备在理想的正常情况下不会产生的、由于控制角不等、供电电压 不平衡、系统三相阻抗不完全相等等因素引起的次数不定的谐波称为非特征谐波。 交一直电力机车产生的谐波电流具有以下特点： 1 当机车在牵引工作状态、整流装置投入工作时，便产生谐波电流；而在制 动或惰行工作状态时，整流装置切除，不产生谐波。 2 电力机车的牵引力由取自系统、经整流后的直流电流产生，该电流不因系 统外界条件和运行方式而改变，对应于交流侧电流的波形也相对稳定，因此，电 力机车为谐波电流源。 3 电力机车采用单相全波不控整流或半控整流，交流侧电流对于横轴成镜对 称，整流装置的脉动数为2 ，产生的特征谐波电流为全部奇次谐波。 4 由于平波电抗器的电感为有限值，以及机车变压器存在漏感，电力机车产 生的特征谐波电流含有率舰， | h ( h 为特征谐波的次数) ，一般须通过实测确 定。 2 1 2 3 谐波的危害及限制措施 谐波对电力系统和电力机车都带来不良的影响，应采取针对性的措施加以限 制。 对于电力系统而言，谐波的危害主要有以下这些：在旋转电机中引起附加损 耗和发热，影响绕组的绝缘强度，另外还会引起振动和噪声，使金属疲劳和机械 损坏；谐波电流在变压器绕组和线路传输中都要产生附加损耗，在电网损耗中占 有较大的比重；高压输电线路的对地电容和线路及系统电感在低次谐波处有产生 谐波谐振及放大的可能，当谐波引起系统谐振时，谐波电压升高、谐波电流增大， 引起继屯保护误动和造成设备损坏等，后果十分严重；谐波在负序量的基础上， 对各种以负序滤波器为启动元件的保护及自动装置产生二f 扰，使得这些装置频繁 湖南大学硕士学位论文韶山7 型电力机车主变压器的分析与计算 误动，由此可能引发严重事故。为了尽量减小电力铁道上的谐波，应适当增加电 力机车换流设备的脉动数，并在牵引变压站装备滤波器。 对于电力机车而言，当牵引绕组输l i 电流波形畸变较为严重时，高次谐波的 损耗很大，甚至可与基波涡流损耗相比。谐波损耗可分为绕组电阻损耗和涡流损 耗两部分，其中高次谐波涡流损耗占较大的比重。计算高次谐波产生的涡流损耗 问题很复杂，不仅要考虑铁心材料的非线性，还要考虑各次谐波的相位差、频率 以及相应的导线的透入深度等等。另外谐波产生的涡流损耗在多个线饼中的分布 极不均匀，谐波损耗容易导致绕组的局部过热。在进行机车牵引变压器电磁计算 时，必须充分考虑高次谐波的涡流损耗，在没有使用换位导线时般应按基波电 流引起的涡流损耗的五倍选取。在进行机车牵引变压器结构设计时，应采用油导 向循环方案，使器身各个部分能得到有效的冷却，以防止可能引起的局部过热。 2 2 电力机车运行环境对其设计的要求 交流传动电力机车的牵引变压器一般都全部安装于机车车底，牵引变压器的 高度受到严格限制，散热条件相当恶劣。机车运行的环境温度为2 5 4 0 c ，除了 要承受风雨尘埃的侵袭外，还要直接承受多个方向的较大冲击，振动加速度最大 可达纵向5 9 ，横向3 9 。因此牵引变压器对安全性、抗振性要求很高。在进行牵引 变压器设计时要加强油箱的强度分析，油箱材料或表面要在散热和防锈等方面加 以考虑。同时，为了降低变压器的油箱高度，必须尽可能地吸收国内外成熟的先 进技术，绕组电流密度、铁心磁通密度、主空道尺寸等的选择要达到最大极限， 以便有效地节省高度空间。 电力机车运行时的电气环境也不甚理想。由于机车在铁道供电网上频繁启 动，以及运行机车数量的变化，使得电网电压波动范围较大。国标规定其额定电 压为2 5 k v ，电压波动范围为1 9 - 2 9 k v 。如果机车采用再生制动，制动时能量要反 馈回电网，因此最高电压可能达到3 1 3 2 k v 。当网压达到这个水平时，牵引变压 器的铁心磁密将大丈增加，从而出现严重的过励磁，励磁电流大幅度增大，导致 多台机车牵引变压器高压绕组烧毁。于是在设计交流传动牵引变压器时，磁密不 湖南大学硕士学位论文 韶山7 型电力机车主变压器的分析与计算 能选择太高。若以额定工况进行考核，采用普通冷轧硅钢片，牵引变压器最高磁 密以不超过1 6 t 为宜；如果采用高导磁的冷轧硅钢片，则可取到l6 1 6 5 t 。 2 3 直流磁化问题 由于电力机车在运行时受电弓离线和变流器发生偏移是不可避免的，可能使 牵引侧绕组中的电流的正半周和负半周波形不对称。牵引变压器一次电流中出现 直流分量，引起变压器的直流磁化，其主要现象有； l 牵引变压器铁心饱和，励磁电流激增，电流畸变严重： 2 牵引绕组的漏抗减少，使得一次侧牵引电流增大，开关元件的d 砌t 增大， 进而峰值电流增大，可能导致保护装置的误动作。 图2 2 ( a ) 为牵引变压器正常工作时的一次电流波形，图2 2 ( b ) 为牵引变压器发 生直流磁化时的次电流波形。为了防止牵引变压器直流磁化，从变压器自身的 设计来说，磁密不能取得太高，应留有一定的裕度。有必要的话，一次侧和牵引 绕组之间可采用气隙铁心，以保证即使发生直流磁化时，牵引绕组仍有最低限度 的漏抗。气隙铁心如同电抗器铁心中的气隙，它夹在一次侧与牵引之间，使得 几个牵引绕组在工作中相互不受干扰。从控制电路来说，应限制脉冲宽度的变化， ( a ) 正常工作时的波形 ( b ) 直流磁化时的波形 图2 2 牵引变压器次电流的工作波形 不允许脉宽突然间有较大的变化；在驱动电路的设计上应尽量保持对称。绝对防 8 湖南大学硕士学位论文 韶i j i7 型电力机车主变压器的分析与计算 l e 脉冲丢失现象；提高数据处理能力，进行实时控制。 2 4 轻量化、小型化问厦 牵引变压器的重量受到机车轴重的严格限制，体积也受到安装位置的严格限 制，因此，它的体积和重量是设计时需要考虑的一项关键指标。为了使牵引变压 器的重量更轻、体积更小，一般可以从以下几个方面入手： 在结构形式方面，一般情况下，主变压器采用壳式变压器时重量较轻、体积 较小。这是因为壳式变压器具有冲击电压分布特性好，散热效果好，机械力小。 强度高，结构紧凑，引线方便，结构损耗小等优点。另外，壳式变压器靠油箱支 撑，铁心侧面与油箱无须绝缘距离，抗震性好，容易制成适形油箱。 1 可对牵引变压器的电磁和结构方面进行优化设计。这包括在满足工作可靠 性的前提下，适当减小设计裕度，例如选用较高的电密和磁密；合理地选择各种 绝缘材料，以减少散热器的热交换容量；减小油箱体积，合理地选择油泵和风机 等配套设备； 2 采用密度较小的铝质材料替代铜、铁质材料： 3 采用耐热等级高的绝缘材料。 塑垦查兰! 生兰垡笙苎 塑! 卫型皇垄塑兰圭壅堡堡塑坌塑量! 竺 第三章韶山7 ( s s 7 ) 型电力机车壳式变压 器的结构与特点 3 1 概述 电力机车主变压器为单相变压器，按结构分为两大类，即壳式变压器和心式 变压器。壳式变压器的线圈被铁心外磁路所包围，铁心和线圈的轴向均处于水平 位置，铁心柱截面及线圈截面均为长方形；而心式变压器的铁心柱被线圈所包围， 通常立放，铁心柱截面及线圈截面是圆形，如图3 1 所示。 ( a ) 壳式变压器 ( b ) 心式变压器 图3 1 变压器的结构示意图 壳式变压器因其结构紧凑、体积小、重量轻等特点而常常被用于电力机车上， 作为牵引动力变压器。我国新近设计制造的韶山7 型( s s 7 型) 客货两用电力机 车，即采用壳式结构的组合式变压器为牵引、取暖和照明等设备供电。 0 湖南大学硕士学位论文韶山7 型电力机车主变压器的分析与计算 3 2 韶山7 型电力机车主变压嚣的结构 该组合式变压器内装有一台主变压器，六台平波电抗器，一台高压电压互感 器，六台电流互感器以及向机车提供电力用的两台供电电抗器。它的主要特点是 牵引绕组为不等分三段桥，没有功率因数补偿电抗器。 3 2 1 主变压器 主变压器是交流电力机车上的一个重要部件，用来把接触网上取得的2 5 l ( 、r 高 压电变换为供给牵引电动机及其他电机、电器工作所适合的电压，其工作原理与 普通电力变压器相同。主变压器为壳式结构，现对其各部分介绍如下： l 线圈 主变压器所有绕组均为矩形截面饼式线圈，高压( 网侧) 、低压( 牵引) 、取 暖、辅助、励磁等各种线圈沿器轴向交错排列，如图3 2 所示。构是为了满足机 车线路对变压器提出的1 3 种阻抗要求，见表5 1 。 高压绕组的一端x 永久接地，称为接地端；另一端a 与接触网相接，称为高 压端，为提高耐冲击过电压的能力，除首端4 个线饼采用加强绝缘导线、增大饼 间油道和隔板数外，在第一线饼侧还装设了薄铜板制成的静电屏，它与网侧绕组 引出线端头相连接，以改善匝间电容的分布，降低起始电位梯度。为了保证低压 电路工作的可靠性，与高压端邻近的牵引绕组侧装有接地屏。 高压线圈和取暖线圈均由两根扁导线并绕而成，每根芯线上都包有电缆纸。 其他的牵引、辅助和励磁线圈以及静电屏和接地屏均由铜板焊接而成。铜板的外 形尺寸相同，但厚度不同，并分成匝数不同的若干组，分别处于变压器轴向不同 位置，由外部引线连接成各自所需的匝数。 j 塑螳堡主兰堡堕苎 塑些! 型皇垄垫主圭奎里墅塑坌塑兰盐苎 矧重量蚕 高压 励磁 牵引 取暖 牵引 高压 牵引 励磁 量兰童三三量三量三重量萤 重茎翼 = = = = 二= = = = = = j = = = = = = = = = = = 重茎蚕 重茎蓦 e s e e i i e e e 匐 图3 2 韶山7 型电力机车主变压器绕组结构示意图 考虑到电力机车变压器经常处于颠簸的运行环境中，因此线圈均经过粘合及 浸漆处理，以提高其机械强度。 2 铁心 铁心结构如图3 3 所示。铁心是由d q l 5 1 3 5 硅钢片叠成的双口字形结构。全 斜接缝。考虑到前一章所讨论的问题，磁密取得不太高，心柱磁通密度为! 5 3 5 t 。 铁心中部用绝缘纸压紧，压紧后上、下箱沿焊死，中间铁心采用楔形板把线圈挤 紧。为了减少线圈漏磁引起的附加损耗，油箱上压紧铁心用的“兀” 图3 3 韶山7 型电力机车主变压器绕组结构示意图 湖南大学硕士学位论文韶山7 型电力机车主变压器的分析与计算 形筋板，楔形板及其上、下垫板均采用低磁钢板，并在线圈内腔的铁心上、下方 安装了由硅钢片制成的磁分路。 7 3 绝缘件 壳式变压器绝缘件的结构与心式变压器相比要复杂得多，它通过各种u 形槽 板构成匝绝缘( 分组绝缘) ，l 形角板按不同排列构成主绝缘。在不同的线圈间加 垫导油隔板，构成导向的油通路，来实现油的导向循环。各种绝缘件由绝缘纸板 或纯硫酸盐纸浆制成，浸以变压器油，构成油一纸绝缘系统。 4 油箱及油保护装置e 、一 油箱采用钢板焊接结构，分上、下两节，分别焊有支撑件和压台，用于固定 器身和压紧铁心。上、下节油箱装配好后沿箱沿焊死。 储油柜采用铝板焊接结构，带有油表、吸湿器、油流继电器等装晟。信号温 度计的感温头采用垂直安装，温度计安装座中可注变压器汕。当油温超过8 0 c 时， 司机可在故障显示屏上看到警告信号。压力释放阀带有两对常开接点，当变压器 箱体内压力超过7 0 k p a 时，压力释放阀打开，接点闭合，一对在显示屏上显示， 一对跳主断路器j 以防止事故扩大。 3 2 2 其他主要设备的结构 l 供电电抗器 韶山7 型电力机车在平波电抗器油箱中放置两台供电电抗器，用来满足机车 向客车供电的要求。该供电电抗器的结构类似于机车的平波电抗器，两台电抗器 共用一个铁心，组成一组。 供电电抗器铁心由o 5 毫米d w 4 7 0 5 0 硅钢板叠成，心柱截面为7 级阶梯状的 近似圆形。铁轭截面为矩形。铁心柱气隙为分散布置，每一心柱有五段气隙。这 是因为铁心中的磁通在通过气隙时，一部分垂直穿过，另一部分则由气隙外面绕 行而过，后者称为绕行磁通。绕行磁通垂直穿过硅钢片边缘时，会产生较大的涡 流损耗和噪音。特别是当铁心处于饱和状态时，相当大的绕行磁通会产生刺耳的 叫声。气隙分段后，每段气隙相对变小，绕行磁通相应减少。产生的涡流损耗和 湖南大学硕士学位论文韶山7 型电力机车主变压器的分析与计算 噪音就显著减小。 在两个带气隙心柱间设有中间磁分路，当两路供电回路正常工作时，其磁通 流向如图3 4 ( 吣所示。此时中间磁路无磁通流过，主磁通为两个绕组产生的磁通 的叠加，因此可在绕组匝数较少的情况下获得较大的电感值。与独立铁心结构相 比，在获得同样电感值的情况下，该铁心的重量可减轻3 0 。当一供电回路 因故障被切除时，仅有一路供电回路正常运行，此时磁通的流向如图3 4 ( b ) 所示。 部分磁通流入中间磁分路，此时电感值仅比正常工作时的额定值约低1 0 。 li 一l 瓤 冈匡 纠e 手 _ j i ( a ) 正常工作时磁通流向( b ) 发生故障时磁通流向 图3 4 供电电抗器铁心磁通流向 在铁心的每个窗框中紧紧套装一个供电电抗器线圈。线圈为连续式线圈，采 用六根导线并绕。线圈组装好后，采用带绝缘管、绝缘垫的穿心螺杆来夹紧铁心 叠片。 2 电流互感器 为了监测主变压器二次侧牵引绕组流过的电流，韶山7 型电力机车采用了 l m z j ( y ) - 0 5 - 4 0 0 m 1 0 v 电流互感器串接入绕组回路。由于主变压器共有四组牵引 绕组，故全车共有四只4 0 0 0 a 1 0 v 电流互感器。该电流互感器安装于机车变压器 室中，采用穿心式矩形结构，导电排从其中方孔穿过，二次侧内部并联有一只大 功率的1 00 电阻，将其输出的电流信号变为电压信号，送入机车电子控制柜该 、电阻并联于二次侧也有防止电流互感器二次侧开路的作用。因为如果电流互感器 二次侧开路运行，由一次侧电流产生的磁势得不到二次磁势的抵消而全部成为励 磁磁势，使电流互感器的铁心饱和，其结果是在二次侧出现较高的电压，十分危 1 4 湖南大学硕士学位论文 韶山7 型电力机车主变压器的分析与计算 险。同时，铁心也会因铁损过大、发热加剧而损坏互感器的绝缘。 另外还装有高压电流互感器和l m z 05 型电流互感器各一台。 3 高压电压互感器 韶山7 型电力机车上装有一台t b y i 2 5 高压电压互感器，用于测量电力机车 电网电压和机车电度表电压线圈的电压源。高压电压互感器一次侧绕组要与被测 负荷并联，其二次侧所有测量仪表的电压线圈要与二次侧短路。因此在电压互感 器二次电路中接有保护用自动开关。电压互感器在使用中，其二次侧绕组的一端 和外壳要可靠接地，以防一次侧绕组放电或击穿时，高电压进a - - 次侧测量电路， 危及人身和仪表安全。 4 平波电抗器 为了减少谐波电流的影响，韶山7 型电力机车上装有三组共六台平波电抗器， 每台电抗器与一台牵引电动机串联。每两台电抗器共用一个铁心。组成一组，三 组装在平波电抗器油箱内。 3 3 采用壳式变压矗的主要特点 韶山7 型电力机车主变压器的电压不是特别商，容量也不是特别大，当采用 壳式结构时就能具备一系列的特点，现介绍如下。 3 3 1 容量较大，运输方便 壳式变压器的电抗计算式与心式的基本相同，只是每一个漏磁组可看成是一 对同心式线圈卧放的情况，如图3 5 所示。心式变压器轴向为高度方向，因受限 制使线圈多为同心式套装。线圈越多，主绝缘越多，肋越大，短路阻抗是不可 能继续下降的。同时受连线不便、冷却不良、电位分布不好等诸因索的影响，所 以国内产品的漏磁组数很难大于三个。壳式变压器则不然，其轴向为长度方向， 所受的限制较小，高低压线圈交错套装，各漏磁组的邪不变，也消除了上述心 式变压器的缺点，很容易做成两个、四个及八个漏磁组的结构。由于壳式变压器 湖南大学硕士学位论文韶山 型电力机车主变压器的分析与计算 可做成多个漏磁组，其铁心柱截面减小，因此很适合于电压较高、容量较大的变 压器。韶山7 型电力机车主变压器在额定工况下。其漏磁场分布即为四个漏磁组。 霸融坦麓磁组 横心 ( a ) 心式变压器( 同心式)( b ) 壳式变压器( 交错式) 图3 5 壳式与心式变压器漏磁组分布特点 壳式变压器的外形结构便于运输，尤其在立式运输不便时可以倒装运输，以 降低运输高度。与此相应的是占用面积小，适合于电力机车使用。 3 3 2 损耗低 我们知道在工程上，负载损耗中附加损耗所占的比例，在一定程度上反映了 变压器的技术性能和经济性能。壳式变压器的附加损耗较同规格的心式变压器小， 这主要是因为以下几点： l 壳式变压器的绕组多采用多漏磁组数的结构。漏磁组数灵活多变是壳式变 压器的重要特点之一。当变压器的单台容量增大时，漏磁组数同时增大，而每个 漏磁组的容量数并不增大，则漏磁通密度不增大，变压器轴向短路力不增大，附 加损耗比值不增大，局部过热的现象也就不会出现。 2 壳式变压器矩形绕组的长边处于铁心包围之中，外露绕组漏磁扩散空间小， 因此附加损耗减小。 3 对于绕组外露部分的漏磁扩散，在油箱壁及有关金属件外均作了严格的磁 肼敝处理。山于绕组外缮部分空问较小，这种处理较易实施。 湖南大学硕士学位论文 韶山7 型电力机车主变压器的分析与计算 4 由于采用了适形油箱，即油箱兼有压紧铁心和绕组的功能，因而可以取消 夹件、穿心螺杆、压板、压钉、拉板、方铁等零件，其上的涡流损耗也就不复存 在了。 另外，由于线圈被铁心包围，起到一定的屏蔽作用，因而油箱的杂散损耗也 减小了。这样，壳式变压器的总损耗就降低了。 3 3 3 冲击电位分布好 线圈为连续式，宽度较大，线段数少，段问对地有槽形绝缘，端部有静电环。 由于段间面积较大，增加了纵向电容，而对地段数少，对地电容相对地小。线圈 第，段对地电位为： k 幽h 专a 式中e 一外施冲击电压： 一总段数； 确力段； 口= c p c s( c p = c f ，c s = c c ) ； c 。一每段对地电容； c 。一段间电容。 对于壳式变压器，n 卸5 1 5 ，冲击振荡小，分布接近于线性。这样，线段 间绝缘可以相对减小。 3 3 4 机械力小，强度好 壳式变压器的线圈多采用交错式结构，而心式变压器常采用同心式绕组，因 此在通常情况下，心式变压器的轴、辐向漏磁分别相当予壳式变压器的辐、轴向 漏磁，对应产生辐、轴向力和轴、辐向力。一般而言心式变压器的轴向与壳式变 压器的辐向的漏磁大，因此心式的轴向力小而辐向力大，壳式的轴向力大而辐向 7 湖南大学硕士学位论文 韶山7 型电力机车主变压器的分析与计算 力小。壳式变压器的辐向力小正好适应了长方形线圈耐受机械力差的情况。 由于壳式变压器线圈漏磁组分得多，每组漏磁小，相应的短路应力无论是轴 向还是辐向均小，辐向作用在导线上的应力仅为心式的2 0 ，所以壳式变压器的 机械强度好。 3 3 5 冷却效果好 壳式变压器的高低压线圈的线饼是立式布置，油道是竖直的，油循环时对流 方便，自然冷却好。当采用强油导向冷却时，其优点更为显著。此时线圈最热点 的温度与油平均温度的温差比较小。 3 3 6 结构紧凑，引线安装方便 壳式变压器的铁心靠油箱支撑，铁心侧面与油箱无须绝缘距离。且其线圈为 长方形，套在铁心柱上所余四角的空隙比心式变压器的要小，容易制成体积较小 的适形油箱，适合于电力机车变压器结构紧凑、体积小的要求。线圈卧放，则引 出线在上部，装配省事。 当然，壳式变压器也有其发生故障后难于检修的缺点，需要将铁心全部拆除 后，才能处理线圈。 湖南大学硕士学位论文 韶山7 型电力机车主变压器的分析与计算 第四章变压器短路阻抗的计算方法 4 1 概述 在本课题的研究中，短路阻抗的计算是一项重要的内容，计算结果是否正确 直接关系到研究的成败，因此本章将介绍变压器短路阻抗的几种计算方法。 短路阻抗是变压器设计中不可或缺的一个参量，计算时常常用阻抗电压的形 式表示。阻抗电压是指变压器二次绕组短路并流过额定电流时，变压器原边绕组 所应施加的额定频率的电压，通常用额定电压的百分值表示。它包括两个分量， 即电阻电压和电抗电压，分别对应这短路电阻和短路电抗。电阻电压须换算到绕 组平均运行温度7 5 时的值，由于它很小，对于大型变压器通常忽略不计。阻抗 电压以额定电压百分值表示时，则电阻电压为： u x o 垮x 1 0 0 = 每 式中 ，。一额定电流； ( ，。额定电压： r x ，换算到7 5 c 时的绕组短路电阻； & 。7 5 c 时的负载损耗( w ) ； p 额定容量( k v a ) 。 i 乜抗电压： u x x ：挚1 0 0 u 式中x 。短路电抗。 阻抗电压： u f = ( “) 2 + ( u 麒) 2 短路阻抗对变压器设计具有重要意义，它涉及到变压器的成本、效率、机械 湖南大学硕士学位论文韶山7 型电力机车主变压器的分析与计算 强度和短路电流大小等。为了降低负载损耗，提高效率，短路阻抗应该较小；为 了降低短路电流和增加机械上的可靠性，则短路阻抗应该较大，所以确定短路阻 抗的大小需要综合考虑。短路阻抗己列入国家标准，一般情况下应该按国家标准 选取，对于特殊要求，则由用户和制造厂商协商决定。 电抗电压占短路阻抗的比例较大，且计算复杂，而电阻电压很小，因此变压 器阻抗计算的绝大多数工作量都落在电抗的计算上，本文也将以电抗电压的计算 作为重点。为了计算电抗电压，必须寻求等值漏抗或短路电抗的计算方法。常用来 计算短路电抗的传统方法大致有磁路法、能量法、漏磁组法和解析法等，这些方 法可用来手算比较简单的绕组结构之间的短路电抗，也可用作检验有限元模型正 确与否的工具，本文的第五章就采用了根据漏磁组法得到的公式，来验证文中有 限元模型是否正确。随着计算机业的飞速发展，基于数值分析的有限元法也越来 越多地得到应用。下面将分别介绍这几种方法，并将在传统方法的基础上，得出 韶山7 型电力机车主变压器中所采用的长圆形绕组的短路阻抗的计算方法。 4 2 磁路法 对于短路电抗的计算，不论是通过等值的漏电感或是通过漏电势的方法，都 需要以磁通为桥梁，而磁通是用磁路的方法得到的，因此这类方法称为磁路法。 下面以图4 1 所示的双绕组漏磁分布情况推导短路电抗的表达式。 图41 双绕组漏磁分布情况 湖南大学硕士学位论文 韶山7 型电力机车主变压器的分析与计算 设。和：的分界线位于绕组i 外面的主空道处，以 表示有了漏磁分界线 就可以用磁路法求出绕组i 、i i 的磁链数，再求出漏电势毋，最后求出短 路电抗船。 绕组i 的总磁链数可按下面的步骤得到： 漏磁空道中的磁势大小可看作个恒定值，因此在l 一2 之间的磁链数很容易 求出，即为： j 2 2 b m y x ( 2 r i + 2 a , + y ) ( 4 2 1 ) 绕组中的磁势在垂直于铁心轴线的方向上呈线性变化，因此2 3 之间的磁链 可用积分求出为： 2 一，。r 。孝。：。，2 ，r ( j r i + j r ) 硝 ( 。：) 观碱。言a i + 和 则总的磁链数为： 舾= 2 砌m l v ( 凡q + ；) + b ( 置+ 知) 】 ( 4 2 3 ) 同理，绕组的总磁链数为： 九口= 2 ，出m 口【( 口：一y ) ( 尺一+ 口l + d 。：+ i y ) + j 1 口。( 尺：一；n 。) 】 漏磁通在绕组i 、中的感应电势为： e s i = 4 4 4 f ( l 口) 1 0 。 e s 2 = 4 4 4 f ( 2 仃) 1 0 4 总的漏电势为： b = e s i + b ，= 2 口4 4 4 j b m w d x l 0 “ ( 4 2 4 ) 式中 。= j 1q ( r 。+ i 3a i ) + ；a 2 ( r 2 - i 3a 2 ) + 4 ：( r i + a i + j lo 。) ll 2 j 4 l + i 4 2 + 0 1 2 2 公式中的尺寸见图4 1 ，单位为厘米。 从上面的公式可以看出，b 与y 值的大小无关，即与漏磁通分界线n n 无关。 2 l 湖南大学硕士学位论文韶山7 型电力机车主变压器的分析与计算 可以证明n n 不论是位于绕组内部、外部，还是在绕组上，b 与b ：之和为常数。 利用磁路的概念以及一些假设条件可得到最大磁密b m 。我们把漏磁通的分布 看作是理想的，认为漏磁场感应线平行于铁心柱的轴线，并且磁场强度在两个绕 组以外的区域中为零。这样，绕组内部磁密沿着半径方向按梯形规律变化，而在 绕组之间的磁密沿径向成直线规律变化。根据全电流定律可得： 鱼一h ：而叮 即, n op 巩= 1 7 8 1 m p h 式中p 洛氏系数，考虑绕组端部磁力线弯曲，则实际漏磁场高度为绕 组高度的l p ； r 一安匝数； 卜绕组电抗高度。 将b 。代入式( 4 2 4 ) 得： 岛= 4 9 6 而f l m 订2 e d p 所以，短路阻抗为 s i r = 孚= 百4 9 6 f m a z d p 以百分值表示电抗电压为： u “胎等。 ：4 9 6 f 1 n m e d p e , hx 1 0 6 式中q 每匝电势( 巳：垃) ； 口 u 。绕组额定相电压； “绕组额定相电流。 ( 4 2 5 ) ( 4 2 6 ) 4 3 能量法 能量法是利用磁场能量的不同表达式求出等值的电感l 。，然后根据x 。= 砒。 得到所需的计算公式。 磁场能量有两种表达形式，一是虬= 。，j ，另一足= ；j 户u d 矿，所以 l x = 去泸h d p 通过对占、的体积积分，同样可以得到电抗电压的公式。 类似磁路法，用能量法推导短路阻抗的简化公式时须作几点假设： 1 计算短路阻抗时，假设一次侧磁势与二次侧磁势完全平衡，即励磁磁势可 以忽略不计； 2 绕组磁势完全降落在绕组高度范围内的磁路上，即绕组以外空间( 绕组之 间的空道作为绕组所占空间的一部分不包括再内) 储存的磁场能量可以忽略不计： 3 横向漏磁分量可以忽略不计，即绕组高度范围内只有纵向漏磁分量。 这样，把b = p 。h 代入上式得： “= 鲁护2 d v 为便于计算，可把要积分的空间分为三部分，一部分是主空道n 。其磁场强 度相同并等于宰；另两部分是绕组所占空问( 口i ，n ：) ，在绕组i 那部分，磁场强 度的分布为： 以：监x ：挈z “i，l “i 同理，适当选择坐标时，绕组的磁场强度分布为； ：坚x d 2 有了上述关系，可求得h 2 的体积积分在n ，：内为： 湖南大学硕士学位论文 韶山7 型电力机车主变压器的分析与计算 = r ( 半) 2 h x2 # ( r m 删出 = 譬眦c r l + a j + - 警) = 兰盟h 在珥内为 = r 辔) 2 x 2 2 ”( 即砷 出 妒2 肌竿三州r 2 - 3 三4 、“ ( 431 ) ( 4 3 2 ) ( 4 3 3 ) 2 i 竿扣辛m 辛 捌叫) ：掣芑d 、。 e d = 扣 l + i 3 + 口i ：n ：+ ；州r ：一a o 2 j 4 i + 4 1 2 r 1 2 + l i a 2 r 2 所以( 考虑长度单位换算成米) k = 虿l a ox t 2 1 r w 2 1 ；。1 。一2 x 。：2 矾。：坐些掣l o ： 考虑到部分忽略条件，上式也要乘以p 。 f = 4 9 6 矿f w 2 e d p ( 4 3 5 ) 君 湖南大学硕士学位论文韶山7 型电力机车主变压器的分析与计算 碳卅“等川嘣 ：! ! ：型! 圣墅 e , hx 1 0 6 式中符号完全同式( 426 ) 。 4 4 漏磁组法 ( 4 3 6 ) 大容量变压器的高压、低压侧绕组常常被设计成匝数近似相等的几个部分， 如图4 2 所示。计算这种结构的短路阻抗，常采用漏磁组法较为方便。所谓漏磁 组是指磁势分布曲线在基准线同一侧的两个相邻零点之间的图形所代表的漏磁 场。一个漏磁组的漏磁通是自成闭合回路的，且同心式绕组的磁势产生纵向漏磁 通，而交错式绕组的磁势产生横向漏磁通。 这种方法需先画出漏磁组，画好之后我们可以把每个漏磁组视为一台双绕组 变压器，分别求出每个漏磁组的电抗电压，即： 多母 图4 2 高一低一高结构的漏磁组 湖南大学硕士学位论文 韶山7 型电力机车主变压器的分析与计算 = 半黑产 = 等挚月。i u f 曲冉将欧姆值换算成百分值。在换算时， 以真实变压器的相电压与相电流之比为基值的， y r t 2 1 7 ；：= - 。l o o in 4_96trmtzd i p i 4 ) e , h 1 1 0 0、曰，+ 珂， x r 2 = 格。 ( 4 41 ) 要注意我们所需要的百分值，是 即： ：4 9 6 f l n m 2 百 y , d 一2 p 2 ( l ) q 也i o 、口i + 吼 由于高压i 和高压为串联，故总漏抗的百分值为： x 2 x f l + x 2 即 u f = u f i + u f 2 在上述公式中，两个漏磁组的等值漏磁面积分别为： d i = a 2 3 ，+ ；0 2 1 + ；n