关于牵引变压器的设计与研究

毕业设计（论文）中文摘要关于牵引变压器的设计与研究摘要本文在调研分析铁路牵引变电所变压器的发展与应用情况的基础上，研究分析了常用牵引变压器的原理和接线形式，针对铁路牵引单相供电的特殊性，着重研究了能够实现平衡变换的斯科特接线变压器。运用PSIM仿真软件搭建牵引变压器运行模型，分析对比斯科特变压器平衡变换的效果和优越性。针对现有实训条件缺少对斯科特变压器原理形象化展示的现状，设计制作了实物斯科特变压器模型，通过实验测试验证了模型的正确性。课题综合运行理论分析、计算机仿真、物理实验的方式，对牵引变压器进行了分析研究，并为教学提供了可供展示和讲解的实物，具有理论和实践双方面的意义。关键词：铁道牵引；变压器；斯科特变压器目录TOC\o"1-2"\h\u1绪论 页共21页1绪论1.1研究的背景和意义铁路是我国交通系统中引以为傲的重要特色交通方式，在我国基础设施建设中具有具足轻重的地位。到2019年底，中国铁路经百余年的建设和发展，运营里程将达到13.9万多公里，其中高铁占比四分之一，处于世界首位。从2019年到11月，国家铁路完成货运量31.15亿吨，比2018年增加1.98亿吨，增长6.8％。电气化铁路需要安全可靠的供电系统，电力机车的牵引电源来铁路牵引变电所，而其中将公共电网的电变换为电力机车所需供电形式的重要环节就是牵引变压器。电力变压器的起步源于国外的技术，我国牵引变压器经过几十年的高速发展，在设计、制造等方面一直不断发展和进步，在技术水平和制造能力等方面已经同国外牵引变压器完全接轨。在我国纵横交错的铁路网中，牵引变压器承载了机车牵引线路对电力供应的各项需求，是促进我国电气化铁路迅猛发展的重要支撑环节。本课题以牵引变压器为研究对象，立足学院铁道供电研究的核心技术范畴，选择技术先进、性能优越的斯科特变压器为重点，跟随了业内较为先进的技术发展方向。同时以仿真、实验为手段，以教学研究模型实物为目标导向，能够起到理论指导实践的效果。1.2本课题研究的内容本课题的研究内容主要包括搜资调研、理论分析、仿真建模、变压器实物制作与实验四个主要部分。首先，调研分析了铁路牵引变压器的发展与应用情况；其次，研究分析了常用牵引变压器的原理和接线形式，针对铁路牵引单相供电的特殊性，着重研究了能够实现平衡变换的斯科特接线变压器；再次，运用PSIM仿真软件搭建牵引变压器运行模型，分析对比斯科特变压器平衡变换的效果和优越性；最后，考虑到现有实训条件缺少对斯科特变压器原理的形象化展示，而市场上又没有小型的斯科特变压器模型可以购买，因此设计制作了实物斯科特变压器模型，并通过实验测试验证了模型的正确性。2牵引变压器概况2.1变压器的类型变压器有不同的类型，依据不同的侧重点可以进行不同的分类，如变压器的相数、变压器的散热方式、变压器的结构形式等。按结构可以分为心式变压器和壳式变压器。心式变压器的绕组包围铁芯，适用于高压的电力变压器；壳式变压器的铁芯包围绕组，适用于大电流的特殊变压器。按电源相数可以分为单相变压器、三相变压器和多相变压器。按冷却方式可以分为油浸自冷变压器、油浸风冷或水冷变压器、干式变压器、充气式变压器。按绕组形式可以分为双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器以及自耦变压器。铁路牵引所的主变压器一般采用油浸式变压器，其与普通电力变压器的主要区别在于供电负荷属于单相用电设备，因此运行中没有三相对称的负载环境。随之而来的是不平衡、负序电流等一些需要解决的技术问题。2.2牵引变压器的结构牵引变压器是牵引变电所最主要的设备之一。牵引变压器主要用于将公共电网供给的110kV三相高压电变换为单相的27.5kV交流电，以适于电力机车单相取电应用。作为大容量的油浸式变压器，牵引变压器主要由铁芯、绕组、油箱及附件等组成，其中铁芯和绕组为器身，是变压器的内部结构，安装在充油的油箱内。外部附件主要包括高压套管、低压套管、分接开关、瓦斯继电器、安全气道、油枕、油位计、呼吸器、散热器、温度计、净油器等。图2-1变压器的结构2.3牵引变压器的接线方式牵引变压器实现三相系统向单相系统的供电，很大程度上依靠接线方式的调整。引入牵引变电所的电源相数不同，则其接线方式也不同。对单相牵引变电所和三相牵引变电所分别分析其牵引变压器的接线。单相牵引变电所：由于引入的是单相电源，其变压器接线较为简单。采用单相牵引变压器，直接将输入的高压降为牵引网电压。该类牵引变电所输入只有一相电压，所以输出的两供电臂也是同一相电压，而对于三相电力系统来说，这样的用电负荷会产生的很大的负序电流。同时，对于牵引变电所自用电中涉及三相供电的设备，其电源需要从其他地方引入。三相牵引变电所：由电力系统引入三相电源，经变压后以不同相电压向两侧牵引网供电。三相牵引变电所主变压器接线可分为两类：一类是以普通三个对称绕组变压器或单相变压器构成，属于这一类的有：YN，d11及V接线等方式；另一类是以各种不对称绕组结线实现牵引变电所次边单相负荷与原边三相平衡负荷的转换。这类接线称“三相—两相平衡接线”。属于这一类的有斯科特型（Scott）、伍德布里奇型(WoodBridge)、列不兰型（Leblame）和三相阻抗匹配型等。（1）单相结线变压器：牵引变压器的原边跨接于三相电力系统中的两相；副边一端与牵引侧母线连接，另一端与轨道及接地网连接。牵引变压器的容量利用率高，但是电力系统中单相牵引负载所产生的负序电流较大，向悬链线供电不能实现双向供电。因此，这种连接线仅适用于电力系统容量较大，电网较发达，可以由本地电网可靠地提供三相负载功耗的场合。另外，单相牵引变压器要按全绝缘设计制造。两个变压器的高压绕组跨相同的两相连接，低压绕组的一端连接到母线，并且变电站的两个臂的负载同时提供。相邻两相两段悬链线的绝缘隔离，不仅有利于缩小停电范围，而且可以提高供电的灵活性。低压绕组的另一端可靠地与接地线，轨道和返回线连接，以便轨道和返回线中的负载电流以及接地中的电流流回变压器。（2）单相V,v结线变压器（三相）：将两台单相变压器以V的方式联于三相电力系统每一个牵引变电所都可以实现由三相系统的两相线电压供电。两变压器次边绕组，各取一端联至牵引变电所两相母线上。而它们的另一端则以联成公共端的方式接至钢轨引回的回流线。这时，两臂电压相位差60接线，电流的不对称度有所减少。这种接线即通常所说的60接线。（3）三相YN，d11双绕组变压器：三相YN，d11结线牵引变压器的高压侧通过引入线按规定次序接到110kV或220kV，三相电力系统的高压输电线上；变压器低压侧的一角c与轨道、接地网连接，变压器另两个角a和b分别接到27.5kV的a相和b相母线上。由两相牵引母线分别向两侧对应的供电臂供电，两臂电压的相位差为60度，也是60度接线。因此，在这两个相邻的接触网区段间采用了分相绝缘器。Y指一次侧为星形接法，y指二次侧为星形接法；D指一次侧为三角形接法，d指二次侧为三角形接法；N指星形接法的中性点接地；11表示接线组：这意味着一次绕组和二次绕组的同名端的电量相差30度，就像时钟的时针和分针在11点处形成的角度。YN，d11表明该双绕组变压器的一次侧为星形接法且其中性点接地，二次侧为△接，组别11。（4）斯科特结线变压器：斯科特(Scott)变压器，是一种特种变压器。它可以将电源的三相电源转换为两相电源（两个相位相差90度），提供两相电源，并确保三相电源的平衡。一般斯科特变压器大多用在电气化牵引铁路中；该变压器原边有两个绕组，接成倒T形，它的底部绕组（称为底绕组）接入高压系统的两相间电压（如A，C两相间），另一绕组（称为高绕组）则连接于底绕组中心点和高压三个电压中的另一相（如B相），底绕组和高绕组的匝数比为1:√3/2；次边匝数相同的两个单相绕组，在空间结构上分别与倒T形原边绕组型对应、构成互成π/2相位差的两相次边电压,,分别向两侧不同的接触网分段供电。当两馈电分段电流为，时，通过电流变比和相位转换，可得原边三相电流且相位是对称的，使原边三相负荷实现了平衡。由于斯科特变压器具有保持三相电源平衡的突出优点，因此本课题研究以斯科特变压器为重点。2.4牵引变压器的技术参数牵引变压器要在规定的适用环境和条件下运行，主要技术数据一般都标注在变压器的铭牌上。主要包括：额定容量、额定电压及其分接、额定频率、绕组联结组以及额定性能数据（阻抗电压、空载电流、空载损耗和负载损耗）和总重。3斯科特变压器斯科特变压器是一种三相-两相平衡变压器。有条件地将两组容量的单相负载转换为平衡的三相负载，从而解决了单相负载引起的三相电网不平衡问题。斯科特变压器也称为“T”接线变压器，给可以或不可以分开的单相负载供电，同时维持三相电源基本平衡。3.1斯科特变压器的基本原理斯科特接线是采用二台单相变压器，进行三相到两相向量变换的一种联接方法，在图3-1中，如果A、B、C分别表示三相系统的三个端子，而N表示中性点，那么组成三角形联结的三相组的三台单相变压器的一次侧绕组就可以用AB、BC、CA来表示。如果希望把一次侧绕组改成星形联结,那么一次侧绕组可用图3-1中，AN延长到s点，AS垂直于BC,显然用同二台单相变压器就可以形成三相组。图3-1斯科特连接的向量图这两台变压器的一次侧绕组可分别用AS和BC表示,同时，每变压器采用单独的二次绕组，那么采用这种联结可以组成三相变二相的组合，在图3-1中这些二次绕组分别用a1、a2和bl、b2表示。斯科特组合最简单可行的形式，叫做不可互换的组合,它包括二台单相变压器，其中一台变压器的一次侧绕组的匝数比恰好等于线电压比，在这台变压器中，三相侧绕组的中心点必须引出，以便与另一台变压器相联结。上述这台变压器通常叫做“主”或“M”变压器。另一台变压器通常叫做“T”变压器，它的一次绕组的匝数比等于线电压比的0.866倍，这可以从图3-1中明显看出。ABC是一个等边三角形，中线AS必然等于每条边长的0.866倍，每个二次侧绕组均是简单绕组，它们的端电压和流过的电流与普通的变压器无异，但在三相侧的电压和电流却与普通变压器不同。用每一台变压器二相侧绕组的电压乘以流过该绕组的电流，即可得出每一台变压器的容量。在主变压器中它等于组合容量的0.577倍，而在T变压器中它等于组合容量的0.5倍，所以在斯科特联结的组合中，虽然二相侧绕组与同容量的二台普通单相变压器的绕组相同，但是变压器的三相侧绕组的容量却比同容量的单相变压器大15.5%。假定单相变压器的二次绕组裕度相同，那么在斯科特联结组合中的主变压器的容量将增大7.75%，但T变压器的容量不增加。图3-2表示不可互换的斯科特组合的联结方法，中性点N位于三相侧，但是除非为了接地或其它目的，中性点可以不必引出。如果需要中性点，可在T变压器绕组匝数的2:1处引岀。这点从图3-1中的几何图形上可以明显看出。图3-2不可互换的斯科特组合的连接方式T变压器三相侧绕组中的电流在到达主变压器时分成相等的二部分，这二部分的电流方向相反。如果主变压器三相侧绕组这二部分的绕制方法，能够使得它们之间漏磁最小，二部分的的电流将互相平衡，同时主变压器对该电流的阻抗很小。然而如果这二部分之间的耦合很小，那么主变压器对从T变压器流过来的电流，将起到扼流圈的作用，这将引起电压的明显不对称。在斯科特组合变压器中，如果用U1表示三相侧的线电压，用I1表示三相侧的线电流，用P表示斯科特组合的容量，那么T位变压器的一、二次侧绕组的电压、电流和容量之间的关系与普通变压器不一样，即： （4-1） （4-2）——变压器的组合容量，KVA；——T位变压器的容量，KVA；——主、T变压器二次侧的相电压，V；——主、T变压器二次侧绕组的额定电流，A；在主变压器的一、二次侧绕组的电压、电流和容量之间的关系与普通变压器也不一样，即： （4-3） （4-4）三相侧的电流与普通三相变压器一样，即 （4-5）——主位变压器的容量，KVA；——变压器三相侧线电流，A.斯科特变压器的铁心结构，容量较大的常用二组独立的单相心式阶梯铁心结构,绕组分别套装在4个铁心柱上联结而成，小容量的常为单铁心共轴式,旁铁辗与铁心的截面积相同，共用铁轴为铁心的截面积1.4倍。3.2斯科特接线变压器的电流关系由于T变压器二次侧电压超前M变压器二次侧的电压90°，如果设T变压器二次侧电流为基准量，则有。根据基尔霍夫节点电流方程及变压器磁势平衡可得： （4-6）解上述方程组，可得原边三相电流为： （4-7）其中，。由于复数和模均为2，所以三相电流的数值相等。电流关系的相量图如图3-3所示。图3-3斯科特接线变压器原副边电流关系（）3.2斯科特接线变压器的容量利用率斯科特接线变压器的容量可视为M座和T座两个单相变压器的容量之和，而M座变压器的原绕组又可看成对称的两部分，所以原边的总容量为： （4-8）当副边电流时，由式4-8可得： （4-9）带入式4-8可得： （4-10）变压器的输出容量也为两个单相变压器输出容量之和，即： （4-11）根据公式4-10和公式4-11，斯科特变压器的输出容量接近变压器的额定容量，容量利用率接近1。3.3斯科特变压器的改进在实际的设计中,可以对斯科特变压器做了一些改进,匝数为、、的绕组及二次绕组布置在T位变压器心柱上,匝数为、绕组可用两股线同时绕制成一个绕组；匝数为、的绕组及另一个二次绕组布置在主位变压器心柱上。接线原理图和对应的相量图如图3-4所示。匝数为、的绕组及另一个二次绕组布置在主位变压器心柱上。匝数为的绕组构成三相侧A相,匝数为、的绕组反向串联构成三相侧B相，匝数为、的绕组顺向串联构成三相侧C相。构成对称的三相电压,各绕组的匝数关系如图3-4(a)所示。(a)接线图(b)相量图图3-4改进后的斯科特变压器接线图和相量图4仿真对比使用电力仿真软件PSIM对牵引变压器的接线进行建模和仿真，对比普通V/v接线变压器和斯科特变压器对单相负载的平衡效果差别。PSIM全称PowerSimulation，用于对电力电路进行仿真，它由SIMCAD和SIMVIEM两个软件组成。其中SIMCAD用于搭建电气模型和仿真解算，包含了常用的各类一次电气元件的基础模型、控制元件模型，以及计量元件模型；SIMVIEM类似于一个软件示波器和数据分析器，可以图形化展示仿真观测波形，并对仿真结果的数据进行计算和分析。本课题研究的牵引变压器接线环节可以在PSIM环境下方便的完成建模与仿真分析工作。主要仿真对比V/v接线变压器和斯科特变压器运行中在三相平衡方面的特性差异。4.1V/v接线变压器运行仿真搭建牵引供电V/v接线变压器模型，以电阻代替负载进行运行仿真。仿真模型如下图所示。图4-1V/v接线变压器仿真模型其中Ua、Ub、Uc是相位相差120°的三相电源，T1、T2是单相变压器，以V/v接线方式给两个单相负载供电。在高压侧和低压侧分别添加电压表和电流表观测波形。从下图4-2仿真电压波形看到，输入为三相对称的110kV交流电压，输出为两个27.5kV的单相电压，相位相差60°，是典型的V/v接线特点。图4-2V/v接线变压器电压波形（上图一次侧，下图二次侧，弹窗为有效值列表）从下图4-3仿真电流波形看出，二次侧两相负载电流大小相等，但一次侧三相电流存在显著的不平衡现象，含有较大负序电流，对电力系统的正常运行造成负面的影响。图4-3V/v接线变压器电流波形（上图一次侧，下图二次侧）4.2斯科特变压器运行仿真搭建牵引供电斯科特变压器模型，以电阻代替负载进行运行仿真。仿真模型如下图所示。图4-4斯科特变压器仿真模型其中Ua、Ub、Uc是相位相差120°的三相电源，M座变压器和T座变压器按照上一章分析的绕组比例关系进行配置，组合形成完整的斯科特变压器，给两个单相负载供电。在高压侧和低压侧分别添加电压表和电流表观测波形。从下图4-5仿真电压波形看到，输入为三相对称的110kV交流电压，输出为两个27.5kV的单相电压，相位相差90°，是典型的斯科特接线特点。由于90°为正交相位，可以形成平衡转换的效果。图4-5斯科特变压器电压波形（上图一次侧，下图二次侧，弹窗为有效值列表）从下图4-6仿真电流波形看出，二次侧两相负载电流大小相等，相位同样相差90°。与之前V/v接线方式下不同的是，一次侧三相电流保持了平衡，没有产生负序电流。图4-6斯科特变压器电流波形（上图一次侧，下图二次侧）4.3仿真对比结论从斯科特变压器与V/v接线变压器的仿真结果对比可以证明，斯科特变压器实现了三相到两相的平衡转换，从而改善了牵引系统单相负荷对接入电网的不良影响。5斯科特变压器教学模型的设计、制作与实验通过实际实验来展示斯科特变压器平衡变换的原理和效果，这是帮助本专业学生更形象的理解和认识牵引变压器原理的有效手段。然而由于斯科特变压器接线及绕组的特殊性，目前市场上尚无该类教学演示产品可供采购。为了在实践中加深对斯科特变压器原理的认知，同时填补此种教学设备的空白，本课题设计和制作了实物斯科特变压器模型，并进行了实验测试。5.1变压器设计计算变压器初、次线匝数,与其输入输出电压及输出功率有关，功率大小又与硅钢片截面积有关。常用小型变压器每伏匝数计算公式为：N=10000/(4.44FBS) （5-1）其中：N—每伏匝数，F—交流电频率（我国为50HZ），B—磁通密度来，S——铁芯截面积。磁通密度一般因材料而异，常见的硅钢片取1.2-1.7左右。根据此公式，量一下变压器磁芯尺寸，计算出截面积，就可推算出每伏匝数。知道每伏匝数后，即可方便计算出初、次线匝数。量得买到的变压器塑料骨架中间舌宽为1.6CM，叠厚为2.3CM，则基截面为：1.6*2.3=3.68（cm2）买到的硅钢片，厂家给出B值为1.4。则计算每伏匝数为：N＝10000/(4.44*50*1.4*3.68)=8.74（匝/伏）如果初线接220V电源，则初线匝数=220*8.74=1922.8（匝）取1923即可。 为了演示安全，设次级输出电源为6V，则6*8.74=52.44，取53匝即可。线径的选择，初线电流小，选择0.03mm2的铜漆包线，次线电流稍大，选择0.3mm2的铜漆包线。上述参数的变压器可以作为斯科特变压器的T座变压器，M座变压器的次边绕组与T座变压器相同，原边绕组为T座变压器的倍，可取2220匝，且在1110匝位置引出中点接线。5.2变压器制作5.2.1材料准备从淘宝商城购买制作变压器的材料。1）铁芯：硅钢片图5-1硅钢片产品搜索最终选择的硅钢片如下图所示。图5-2硅钢片2）绕组支撑：骨架图5-3骨架产品搜索最终选择的骨架如下图所示图5-4骨架3）绕组：漆包线图5-5漆包线产品搜索最终选择0.03和0.3两种线径的铜漆包线。5.2.2变压器绕制变压器的制作先从绕组开始，将绕线骨架进行固定，并设置可以绕中心顺畅旋转；先按照设计的圈数绕制次边绕组，完成后焊接引出接线；然后绕制原边绕组，完成后焊引出线；用绝缘胶带包裹焊接处，并围绕绕组做绝缘保护缠绕；最后插入硅钢片铁芯，注意先插E型硅钢片，逐片反向交叠，最后用I型硅钢片补上空隙。 （a）次边绕组绕制 （b）次边绕组焊引线 （c）原边绕组绕制 （d）原边绕组焊引线（e）插入铁芯图5-6变压器制作过程5.2.3斯科特变压器组装用两块废旧电路板作为变压器的上下支撑结构，热熔胶固定，变压器引出线刚好可以从电路板上的焊孔伸出，如下图所示。图5-7斯科特接线变压器制作选择可插拔的子母端子用于引线固定和外部接线。母头接线端子用热熔胶固定在电路板上，其焊针与引线间用电烙铁焊接；公头具有螺丝固定的接线孔，可接好电源或负载线后，插入到端子。这样，一台教学演示用的小型斯科特变压器的就制作完成了。图5-8斯科特接线变压器模型5.3实验测试搭建实验条件，以实验室380V三相交流电压作为输入，借助示波器和电压测量探头，对斯科特变压器的输出两相电压进行测量，捕捉波形判断所制作变压器的效果，实验过程照片如下图所示。示波器被测斯科特变压器示波器被测斯科特变压器图5-9测试系统搭建接通380V三相交流电，经过斯科特变压器后，输出两相电压