V/X 接线牵引变压器温升与寿命损失研究

吴羽生，李群湛，冯金博，高 洁

0 引言

近年来，随着社会经济的不断发展，高速客运专线得到了飞速的发展，牵引变压器作为高速客运专线牵引供电系统的重要组成部分，其能否安全、可靠、经济地运行将对整个客运专线系统的运营产生至关重要的影响。牵引变压器的温升对其设备的老化和绝缘的影响是变压器技术研究的重点和热点问题。温度越高，老化的速度越快，直接影响设备的使用寿命及经济效益[1]。目前，国内针对普速电气化干线牵引变压器负荷特点的温升和寿命损失有大量的研究，针对高速电气化干线牵引变压器负荷特点的温升和寿命损失研究还较少。高速电气化干线的牵引变压器安装容量大，其主要负载为交直交型电力机车，具有功率大、速度高、功率因数高等特点，所以高速客运干线牵引负荷特点较普速有较大区别。

目前，V/X 接线牵引变压器在京津城际客运专线和郑西客运专线都有广泛的运用，V/X 接线牵引变压器的温升和寿命损失的研究使设计人员能直观地了解该变压器运行状况。本文根据客运专线运营中实际牵引负荷的情况，对V/X 接线牵引变压器的温升和绕组最热点进行了计算，并根据绕组最热点温升曲线计算牵引变压器的寿命损失，进而对影响牵引变压器寿命损失的因素进行了分析，最后就如何在合理利用寿命损失的基础上对牵引变压器容量优化提出了建议。

1 V/X 接线牵引变压器

基于V/X 接线牵引变压器的AT 供电方式在高速客运专线牵引供电系统中得到了广泛的运用，V/X 接线牵引变压器的接线方式如图1 所示。

图1 V/X 接线牵引变压器接线形式示意图

从图1 中可知，V/X 接线牵引变压器由2 台单相三绕组的牵引变压器构成。2 台变压器的原边绕组分别接入三相电力系统的AC 相和BC 相，其副边绕组端子分别接到上、下行的接触线T、正馈线F 和钢轨R 上。当原副边绕组满足一定的阻抗匹配关系时，可以省去变电所出口AT 变压器。

在所有能用于AT 供电方式的变压器中，V/X接线牵引变压器结构相对简单，容量利用率高，对电力系统负序的影响同V/V 接线变压器相当。

2 变压器温升计算模型

变压器运行时会产生铁耗、铜耗和杂散损耗等，该损耗将转变为热能，该热量被周围的变压器油吸收后，油温升高，密度减少。变压器的绝缘材料长期处在热作用下将变得很松脆，机械特性变劣，如果温度过高则会导致变压器油中的水分和气体发生氧化作用，变压器的机械强度和电气强度将很快丧失，从而加速变压器的绝缘老化[2]。

在任意负荷下，变压器绕组热点对空气的温升可以分为绕组对油的温升和油对空气的温升。这2部分的温升可用下述公式计算。

任意负荷下，绕组对油的温升（最大值）：

式中，τr−km为绕组对空气的允许温升；τy−km为顶层油对空气的允许温升；K 为实际负荷与额定负荷之比；y 为计算最热点温升用的指数，随冷却方式的不同而不同，一般取y = 0.8～1。

实际负荷曲线是多段的。由于各段时间短，一般每一段的温升都达不到稳定值。在该情况下，油对空气的温升宜采用式（2）进行计算[4]。

τiw为第i 段负荷为Ki时的稳定温升，τiw可由下式计算。

式中，d 为额定负荷下的短路损耗与空载损耗之比，为2～6；x 为计算油温用的指数，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

取额定状态下空气的平均温度为20℃，则变压器绕组最热点温升为

3 变压器寿命损失计算模型

变压器的绝缘老化是指绝缘受到热或其它物理化学作用而逐渐失去其机械强度和电气强度。变压器绝缘老化的速度主要由温度决定，绝缘的工作温度愈高，化学反应（主要是氧化作用）进行得愈快，绝缘的机械强度和电气强度丧失得愈快，绝缘老化的速度愈快，变压器的使用年限也愈短[4]。

根据蒙特辛格关系，任意温度θc与温度θcr（额定负荷条件下的温度）时的寿命损失率之比，即相对寿命损失率

按照国际电工委员会第76 号出版物（1967）规定，取变压器的θcr值为98℃。在式（5）的基础上，通过取以10 为底的对数，得到式（6）。

变压器的绝缘寿命损失

式中，V 为相对寿命损失率；n 为时间段的总数；i为每个时间段的序数；hi为某一负载作用的持续时间。

4 变压器温升和寿命损失计算

某牵引变电所采用220 kV 进线，有220 kV/2×27.5 kV 单相变压器 4 台，单台容量为31.5 MV · A，2 台单相变压器组成V/X 接线。其主要负载是CRH2 和CRH3 2 种类型动车组。试运行期间每天发车60 对，图2 为运行期间某天3：45—24：00 的负荷过程曲线。

根据变压器接线方式通过分相计算可得到V/X 接线牵引变压器原边AC、BC 相电流，利用变压器温升计算模型可以得到变压器绕组温升曲线，如图3 所示。

牵引变压器中每个绕组电流不一定相等，牵引变压器的最热点温升也各不相同，所以应取各绕组中最高温度作为牵引变压器的最热点温升曲线，并以此为依据，计算牵引变压器寿命损失[2]。变压器最热点温升曲线如图4 所示。

图2 实际牵引负荷曲线图

图3 V/X 接线牵引变压器各绕组温升曲线图

图4 绕组最热点温升曲线图

在变压器绕组最热点温升曲线的基础上，通过变压器寿命损失计算模型可以得到变压器的寿命损失如图5 所示。

从上面的计算结果可以看出，在试运行期间，现行变压器运行不合理，实际变压器绕组温升和寿命损失值远远小于标准规定变压器绕组温升和寿命损失额定上限值，变压器寿命损失没有得到充分利用，容量利用率较低，运行不够经济。这一方面可能是因为变压器本身安装容量选取过大，另一方面，可能是考虑到牵引变电所的远期牵引负荷较大，为以后线路的扩容提供裕量。

图5 V/X 接线牵引变压器寿命损失曲线图

5 牵引变压器容量优化

实际牵引变压器的寿命损失很小，日寿命损失不到2 min，为提高牵引变压器实际容量利用率，可以充分利用现有牵引变压器寿命损失而放宽对绕组最高温升限值，实际操作方式是将现有牵引变压器降低容量等级来优化变压器容量。

表1 V/X 接线牵引变压器容量优化结果表

V/X 接线牵引变压器降容后寿命损失与绕组最热点温升结果如表1 所示，随着容量等级的降低，变压器寿命损失逐渐增大，但仍未超过标准规定的日寿命损失上限值24 h，而且在容量大于15 MV · A 的情况下，变压器绕组最热点温升也未超过标准规定的绕组最热点温升上限值140℃。所以在当前行车计划下，对变压器降低一定容量等级后，也能满足该客运专线的运营要求。

6 结论

本文在实际V/X 接线牵引变压器负荷过程的基础上，通过建立适用于牵引变压器温升和寿命损失计算的模型，分析了V/X 接线牵引变压器的温升和寿命损失，并就如何优化牵引变压器容量提出了建议，得到的结论如下：

（1）客运专线由于运量大、速度快，使其牵引负荷大、随机波动剧烈，从而负荷对变压器冲击剧烈，加上变压器本身安装容量大，造成牵引变压器容量利用率低。

（2）为提高牵引变压器的容量利用率，可通过降低牵引变压器容量等级，充分利用变压器寿命损失，放宽对绕组最高温升限值的方法对变压器容量进行优化。

（3）在客运专线牵引变压器安装容量的选择上，由于国内客运专线牵引变电所的远期牵引负荷较大，应充分考虑近远期运营的一致性、可扩展性，使牵引变压器在长期运行过程中，变压器实际负荷与自身容量相匹配，从而实现牵引变压器运行更安全、可靠、经济的目的。

[1] 赵德奎，王建，黄建涛，等.基于LabVIEW 软件的牵引变压器温升参数研究[J].电工电气，2010，（3）：9.

[2] 王杰文.牵引变压器典型负荷曲线的建模、仿真与应用[D].西南交通大学硕士研究生论文，2004.

[3] GB/T15164-94 油浸式电力变压器负载导则[S].

[4] 徐树栓.电力变压器运行[M].北京：水利电力出版社，1993.