[科普中国]-机车牵引变压器

简介

电气化铁路运输是当今世界技术最先进的、应用最广泛的铁路运输方式。电力机车是电气化铁路的牵引动力设备。而电力机车牵引变压器主变压器则是机车上最重要的设备之一，其运行的安全可靠是关乎整个铁路运输的重要因素。

我国电气化铁路采用单相工频供电系统，额定工作电压为25KV，正常的工作电压20~29KV，允许偏差+16%和-20%，接触网提供的单相工频25KV电源，通过受电弓接触进入电力机车，电力机车牵引变压器将此电压降压，多路输出到牵引变流器主变流器、辅助变流器、励磁电源、控制电源、旅客列车供电系统等其他用电设备。电力机车电动车组的牵引变压器是电力牵引系统中电压等级变换和电源分配的重要设备，也是电力机车电动车组中重量和体积最大、价格最贵的单台电器设备。可以说电力机车牵引变压器就是整个列车心脏，是列车动力的来源，其运行状况直接影响电气化铁路系统能否安全、高效的运营。

运行环境特点由于机车牵引变压器工作在电力机车特殊环境中，其具有一系列与一般电力变压器运行环境所不同的特点，这必然会在电力机车牵引变压器的实际工作中反映出来，造成电力机车牵引变压器具有不同于普通变压器的工作条件和特点。电力机车牵引变压器的工作条件及特点，主要表现在以下几个方面：

（1）经常受到机械冲击和连续而强烈地机械振动；

（2）环境温差较大，电力机车牵引变压器长期处于机车高压室内通风散热条件极为有限；

（3）接触网波动范围比较大，牵引负荷变化也比较大；

（4）受大气过电压和操作过电压的作用，同时低压侧有较高的短路概率；

（5）外型尺寸和重量有较严格限制，机车车体内安放电气设备的空间极为有限，且机车内部存在大功率变流装置和大功率电动机等，牵引变压器处于强电磁环境中运行。

综上所述，主变压器的工作条件与普通电力变压器截然不同，它的工作条件和工作环境是相当恶劣的。

此外，电力机车牵引变压器运行条件特殊，接触网电压变化大。电力机车牵引电网额定工作电压为25KV，正常工作电压为20~29KV，允许偏差+16%和-20%，故障运行电压为19KV。在实际运行中，接触网首端电压有时达到31KV，机车再生制动时，网压可达到32KV。而电力变压器网压变化率只有5%。与一般变压器相比，主变压器的馈电电压变动范围大;另外，馈电的分段处有电力中断，同时还伴有相位变化，所以主变压器常受到大的电冲击。

机车运行时要求无流通过分相区，接触网分相距离一般为20~40km。牵引变压器要经常断开和接通。当列车平均速度为80km/h时，机车主变压器约15~30min投切一次。当列车平均速度为200km/h时，则10~20min就要投切一次。

基本结构电力机车牵引变压器的基本结构分为芯式和壳式两种。芯式结构或壳式结构是指变压器铁芯与绕组的相对位置而言。在我国，芯式变压器在应用上占有优势，除SS7以外都是采用心式结构，SS7采用的是壳式结构。电力机车牵引变压器的基本结构如下图1所示。

车型不同，各种绕组的配置也有所不同，但从总体结构上来看，牵引变压器可以分为铁心、绕组、油箱、油保护装置、冷却系统、套管、变压器油等七大组成部分。

铁心芯式变压器和壳式变压器的区别在于：

（1）芯式变压器芯式变压器的原、副绕组套装在铁心的两个铁心柱上，结构简单，电力变压器一般采用心式结构。

（2）壳式变压器壳式变压器的铁心包围绕组的上下和侧面，制造复杂，小型干式变压器多采用这种结构。

图2为壳式变压器和心式变压器的结构图。

铁心分为铁心柱和铁扼两部分，铁心柱上装有绕组，铁扼则主要是用于闭合磁路。我国的牵引变压器铁心柱采用11级阶梯状断面，铁扼则采用“T”型断面，这样可以降低高度。

线圈绕组牵引变压器的绕组分为高压绕组和低压绕组，高压绕组只有一组，而低压绕组有多组，按照功能可以分为牵引绕组、辅助绕组、励磁绕组等。按照高、低压绕组之间的相对位置，可以布置成同心式或交叠式两类。同心式绕组指的是高、低压绕组同心的套在铁心柱上。而交叠式绕组通常被做成饼式，高、低压绕组交叠的放置。同心式绕组按照其绕制方法的不同，又可以分为圆筒式、螺旋式和连续式等。

由于各种车型的性能侧重点不同，所以各型号的牵引变压器的各种绕组的绕制方法各有不同，例如SS8的高压线圈采用的是连续式绕法，共有两个高压线圈，分别设置在A柱和X柱。两个高压线圈互相并联。牵引线圈由于主电路采用不等分三段桥，所以被一分为二，一部分用于大桥，电压为牵引总电压的1/2，另一部则带有中间抽头，每一部分电压为总电压的1/4，其中大桥用牵引绕组采用双螺旋式，小桥用牵引绕组采用双饼式。辅助绕组也是采用双饼式。励磁绕组只安装在X柱上，采用的是单层圆筒式绕法。

油箱我国牵引变压器的油箱一般都分为两层，一层用以安放主变压器，一层用以安装其他电抗器设备。此外，在油箱上还装有吊攀、活门、放油塞、压力释放阀、测温桶等辅助装置，方便变压器的吊装、油样采集等操作。上油箱和下油箱之间都进行了隔磁处理，割断漏磁的通路。

油保护装置（1）储油柜：储油柜主要作用是防止因变压器油热胀冷缩引起的变压器油箱油压过高或缺油，因此其容量应可以保证在变压器最高工作温度下，变压器有不会溢出，在变压器最低工作温度下，储油柜中还有油。

（2）油位表：用于显示变压器壳体中的油量。

（3）吸湿器：通过管道与储油箱的上部相连，对变压器油箱中的空气除湿，并且在变压器油冷却收缩的时候，保证注入储油箱的空气是干燥的空气。

（4）信号温度计：常见的有WTZ-288和WTZK-02两种型号，主要用于油温测量，由测温桶、金属毛细管、弹簧等部件组成，信号温度计还设有电接点，可以发出电信号，方便预警和控制。

（5）油流继电器：常见的有YJ-100和YJ-100-A型，用以检测变压器内油循环是否正常。它还带有一组常开和常闭接点，可用于实现潜油泵的控制以及油循环故障报警。

（6）压力释放阀：当变压器出现故障，或者外部电路出现短路导致变压器温度过高时，会引起变压器油汽化，压力释放阀的存在可以保护油箱不至于被膨胀的气体胀破，从而导致变压器油的泄漏，最终导致变压器无法工作。

冷却系统韶山系列机车的冷却系统由油路和风路系统组成，变压器油在潜油泵的加压下，由下向上流过主变压器、电抗器、潜油泵、油流继电器进入冷却柜，冷却柜放置在通风机的风道中，冷却风由上往下吹过冷却柜，将变压器油冷却，冷却后的变压器油经管路回到主变压器。

套管套管的主要作用就是将变压器的接线引出来，根据材料可以分为两种，一种采用电瓷件为绝缘件，一种采用胶木板作为绝缘件，以胶木板为绝缘件的套管还可以由接线头的个数分为二联、三联等。

变压器油变压器油主要起绝缘和冷却的作用。为无色无味粘稠状液体。在使用一段时间后会发黄，绝缘系数下降，所以每次轻大修时，根据采样测试的结果，有可能需要更换。

此外，为了减少整流电压的脉动，改善电机的换向、提高机车的功率因数，减少电网谐波，降低供电所无功功率，电力机车根据不同型号的需求，还加装了各种电抗器来实现上述功能。主要包括:平波电抗器、滤波电抗器、功率因数补偿电抗器、磁场分流电抗器等1。