Vx接线卷铁心牵引变压器建模与仿真

王冬梅，董智慧，车一鸣

（1.保定电力职业技术学院，河北 保定 071020；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063）

引言

目前，牵引变压器铁心多采用普通的叠铁心结构，具有空载损耗大、节能效果不理想等缺陷。节能型卷铁心变压器仍选用传统硅钢材料，仅通过结构改进便实现了高效节能，并且已经在电力系统配电网领域得到了广泛应用，由于牵引变压器容量大，其目前在牵引供电系统领域的应用还处在探索阶段，以往进行的卷铁心变压器有限元建模研究，也多集中于农网和城网配电变压器，就牵引变压器而言，这类研究相对较少。本文搭建了卷铁心牵引变压器的有限元模型，并进行了有限元模型空载及短路运行特性仿真，将结果与同等容量叠铁心牵引变压器相对比，验证了卷铁心牵引变压器的节能效果。

1 节能型卷铁心变压器有限元建模

1.1 Vx接线卷铁心牵引变压器结构

Vx接线牵引变压器是电气化铁路AT供电方式中的一种常用接线方式，它由两台单相三绕组变压器组合而成，每台变压器的高压为一个绕组，低压分为T和F绕组，两个低压绕组中间接地[1]。其接线示意图如图1所示。

本文的分析对象为三相单框式Vx接线卷铁心变压器，它由两台额定容量分别为31.5 MVA和25 MVA的单相单框式Vx卷铁心变压器组合而成。需要说明的是本文以其中的25 MVA卷铁心变压器为例进行建模分析，该变压器的铁心结构示意图及绕组排列图分别如图2、图3所示。其铁心由两个单独卷绕的半铁心拼接而成，中间放置油道，高压H绕组采用两部分并联的结构，牵引绕组（T绕组）和馈电绕组（F绕组）交错配置，做到结构上对称[2]。

1.2 有限元模型建立

1.2.1 相关参数计算

卷铁心牵引变压器的模型参数如表1所示。

表1 卷铁心牵引变压器模型参数

其中铁心直径按照以下公式进行计算所得：

式中：D为铁心直径，mm；S柱为变压器每柱容量，kVA；K为经验系数。

绕组每伏匝数计算公式为：

式中：k为变压器铁心柱叠装系数，在此取0.96；f为交流电频率，取50 Hz；B为硅钢片磁通密度，按硅钢片型号取1.7 T；S截为变压器铁心柱截面积，cm2。

经计算得N=0.007 6（匝/V），进而求得变压器高压侧绕组匝数为1 672匝，低压侧绕组匝数为220匝（取二次侧绕组匝数附加系数为1.05，即N2=1.05 NU2）。

1.2.2 模型建立

按照模型参数，在Ansoft Maxwell 3D中，对牵引变压器进行1∶1建模。图4给出的是单框卷铁心3D模型图，其由两个对称的单框组合而成，对于两个单框之间设立的散热油道，在此进行了简化设置，忽略了油道对铁心主磁场分布的影响，以空气缝隙设置代替。整体3D模型图如图5所示，模型中绕组的分布为：左侧铁心柱上绕组从内到外依次是F_1绕组、T_1绕组、H_1绕组，右侧铁心柱上绕组从内到外依次是T_2绕组、F_2绕组、H_2绕组。

为便于将卷铁心变压器的性能同普通变压器进行对比分析，本文用同样的方法搭建了一台同容量的单框式单相叠铁心变压器模型，该变压器的3D模型图如图6所示。

1.2.3 模型材料属性设置

铁心材料采用冷轧有取向27QG100硅钢片，厚度为0.27 mm，在软件中设置其相关参数及曲线，硅钢片的初始B-H曲线和铁损曲线（即B-P曲线）分别如图7、图8所示。

12.4 激励源及边界条件选择

根据所建立的变压器模型的实际情况，边界条件选择Zero Tangential H Field边界条件，即磁场强度切向分量恒为零边界条件。

2 节能型卷铁心牵引变压器仿真结果

对搭建的同容量卷铁心及叠铁心牵引变压器有限元模型分别进行了空载和短路试验仿真，仿真得到的励磁涌流波形图、空载损耗波形图及短路时高压绕组H_1两端的电压波形图分别如图9、下页图10和下页图11所示。

为便于比较，将相关仿真数据记录如下页表2。

表2 卷铁心牵引变压器与叠铁心牵引变压器仿真结果

3 结论

仿真结果表明，与同容量的叠铁心牵引变压器相比，卷铁心牵引变压器的励磁涌流最大值降低了50%，空载电流减小了45.5%，空载损耗下降了23.9%，短路电压百分比也有所下降，说明卷铁心牵引变压器具有很好的节能效果。

目前，受限于技术、制造成本、制造周期等原因，节能型卷铁心变压器的生产主要集中于10 kV的电力系统配电变压器，容量一般在315 kVA以下，在牵引供电系统中的应用实例并不多，随着人们在制造研发大容量卷铁心变压器的过程中自主创新，不断实现技术突破，卷铁心变压器将被推广至更多的应用领域，产生更大的经济意义。