直流制式下機車變壓器用作電抗器的電磁特性分析及設(shè)計優(yōu)化*

李曉松 ,吳素平 ,周正龍

(1．長沙理工大學(xué) 湖南省智能電網(wǎng)運行與控制重點實驗室, 湖南 長沙 410004；2．殼牌中國勘探有限公司，四川 成都 610016)

直流制式下機車變壓器用作電抗器的電磁特性分析及設(shè)計優(yōu)化*

李曉松1?,吳素平1,周正龍2

(1．長沙理工大學(xué) 湖南省智能電網(wǎng)運行與控制重點實驗室, 湖南 長沙 410004；2．殼牌中國勘探有限公司，四川 成都 610016)

跨線運行的電氣機車，由直流供電時其變壓器用作濾波電抗器.本文針對一臺心式結(jié)構(gòu)且具有4個高壓和4個低壓(牽引)繞組的機車變壓器在直流供電時的有關(guān)電磁特性進行了研究.此時，高壓繞組并聯(lián)開路，低壓繞組兩兩串聯(lián)分別接入兩個直流回路中用于濾波，兩個直流回路或同時工作或單獨工作.按同一鐵心柱上兩個繞組串聯(lián)連接，則4個低壓繞組有4種接法.文章在用ANSYS軟件對磁場進行深入分析的基礎(chǔ)上，計算了繞組間的電感矩陣及相應(yīng)連接時的電感.同時，深入研究了4個低壓繞組兩兩串聯(lián)后或同時工作或單獨工作時電感值隨負載電流變化的特性，推薦了直流制式下變壓器用作濾波電抗器時其低壓繞組一種較合適的連接方式，且這種連接方式的電感計算值得到了試驗驗證.文章最后還針對所推薦的連接方式，在單回路工作時較雙回路工作時所呈現(xiàn)的電感值差異，提出了一種增設(shè)第三繞組的補償方案，并就有關(guān)問題進行了分析.

機車變壓器；直流供電；繞組連接方式；磁場分析；電感計算；設(shè)計優(yōu)化

運行于雙流制下的電氣機車，由直流供電時，其變壓器常用作濾波電抗器，這種變壓器鐵心一般采用芯式，繞組呈四分裂式結(jié)構(gòu).位于同一鐵心柱上的兩個低壓(牽引)繞組串聯(lián)接入直流濾波回路中，四個高壓繞組并聯(lián)開路.一般有兩個直流供電回路，可以同時工作也可以單獨工作.顯然，關(guān)于這種用途的機車變壓器有很多問題值得研究.如，為避免低壓繞組中流過數(shù)百安直流電流時使得鐵心深度飽和，低壓側(cè)的多個繞組應(yīng)如何連接；如何滿足濾波對電感值的要求；又如，兩路直流可能同時工作(雙邊工作)或僅一路單獨工作(單邊工作)，這樣同一接法的兩牽引繞組所呈現(xiàn)的電感值是不同的，從而影響濾波效果；還有，從直流供電進入交流供電切換瞬間，由于直流偏磁可能引起較大的變壓器交流合閘沖擊電流，以及在直流供電時高壓繞組的接法對供電制式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電磁暫態(tài)過程的影響等.近年來，國內(nèi)外學(xué)者對工作于交流制下的機車變壓器或多繞組變壓器，從結(jié)構(gòu)和接線形式、磁場、阻抗參數(shù)、端口等效電路、環(huán)流、直流偏磁到暫態(tài)過程等問題進行了較全面和深入的研究[1-9]，但關(guān)于運行于雙流制下的機車變壓器有關(guān)問題的研究較少，文獻[10]主要就交流供電時變壓器的等效電路及暫態(tài)過程做了較詳細的分析，而僅對運行于直流下牽引繞組的連接做了簡單介紹.文獻[11]則是對直流供電時變壓器電感計算模型并結(jié)合實驗進行了研究，但僅限于解析或半解析法，且未能考慮鐵心材料的非線性.文獻[12]較全面研究了這種用途的變壓器在直流供電時的電感計算及繞組連接對電感的影響，但建立的磁場分析模型是二維的．事實上，在直流制式下變壓器用作濾波電感時，為避免大電流帶來的鐵心深度飽和，繞組往往做反向串聯(lián)連接，這時產(chǎn)生的漏磁場分布非常復(fù)雜，很難用二維場模型予以描述.本文針對一臺由南車某公司設(shè)計制造的工作于雙流制下的機車變壓器，先用ANSYS軟件進行了磁場分析并比較了不同連接方式的磁場分布特點，接著計算了多個繞組的電感矩陣及做相應(yīng)連接時的電感.同時，深入研究了牽引繞組兩兩串聯(lián)后或雙邊工作或單邊工作時電感值隨負載電流變化的特點.綜合磁場分析及電感計算結(jié)果考慮，給出了機車運行于直流制式下變壓器用作濾波電抗器時低壓繞組一種較理想的連接方式，且這種連接方式在單邊工作時的電感計算值得到了試驗驗證.文章最后還針對所推薦的連接方式，在單邊工作時較雙邊工作時所呈現(xiàn)的電感值差異，提出了一種增設(shè)第三繞組的補償方案，并就排列方式和匝數(shù)對電感的影響進行了分析.

1 變壓器結(jié)構(gòu)

變壓器結(jié)構(gòu)如圖1所示，鐵心為芯式，兩鐵心柱上分別有2個高壓繞組、2個低壓繞組.其中，低壓繞組記為LV1～LV4；高壓繞組則為HV1～HV4，有關(guān)參數(shù)見表1.在直流供電時，同一鐵心柱上的兩個低壓繞組串聯(lián)接入直流回路用作濾波器.4個低壓繞組的4種可能連接方式見表2.從理論上講，4個高壓繞組可以或并聯(lián)開路或并聯(lián)短路，顯然，高壓繞組的這兩種接線方式將影響機車從直流供電轉(zhuǎn)入交流供電時變壓器產(chǎn)生的合閘沖擊電流.從供電制式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電磁暫態(tài)考慮，直流供電時4個高壓繞組并聯(lián)開路.

表1 變壓器參數(shù)

圖1 變壓器結(jié)構(gòu)

表2 直流供電的低壓繞組連接方式

2 磁場分析

2．1 問題描述

分析時只考慮直流供電時的穩(wěn)態(tài)，故將忽略高壓繞組的影響；計入鐵心的磁飽和.磁場分析區(qū)域包括鐵心、繞組、油箱及油箱外側(cè)一層40 cm厚的氣隙.則[13]

(1)

(2)

圖2 變壓器3-D有限元模型

2．2 分析結(jié)果及其討論

圖3～圖5分別給出了機車變壓器工作于直流制式下(電流為650A)時低壓繞組4種連接方式的磁場沿有關(guān)路徑的分布．圖(a)～(d)分別對應(yīng)連接方式1～4．圖3中路徑“鐵心柱”段(Z方向)位于整個路徑長度的0.845～1.467 m處；圖4中的“上鐵軛”段(X方向)位于路徑的0.248 5～1.939 5 m處．可見，連接方式2的鐵心柱磁密的Z分量及鐵軛磁密的X分量最大；而連接方式1的鐵軛中磁場的X分量大多較Z分量低。此外，計算表明，對于連接方式1，位于高(低)壓繞組1和2之間的左鐵心柱截面上磁密Z方向分量的平均磁密只有38.29 Gs，這有點類似在鐵心柱中設(shè)置了一段氣隙，從而改變了漏磁場的分布．在繞組HV1(LV1)中部處鐵心截面上Z方向分量的平均磁密為1.204 3 T；上鐵軛中部截面上磁密的X分量平均值也只有0.266 3 T．綜上，連接方式1的鐵心磁飽和程度低于其他3種連接方式，且漏磁場分布也最為復(fù)雜．

圖3 繞組連接方式1～4的磁場沿左鐵心柱軸線路徑(Z方向)的分布(a)～(d)分別對應(yīng)連接方式1～4

圖4 繞組連接方式1～4的磁場沿上鐵軛中心線路徑(X方向)的分布(a)～(d)分別對應(yīng)連接方式1～4

圖5 繞組連接方式1～4的磁場沿繞組LV1(LV3)和LV2(LV4)之間路徑(X方向)的分布(a)～(d)分別對應(yīng)連接方式1～4

3 電感計算

在磁場分析的基礎(chǔ)上可根據(jù)儲藏在分析區(qū)域中的磁場能量計算電感[15]．

(3)

式中：Wm為磁場能量；Li是第i個繞組自感；Mij為繞組i與繞組j之間的互感；Vi或Vij分別為有關(guān)繞組區(qū)域的體積.在用ANSYS軟件分析磁場后，用一個磁宏命令即可完成多繞組的電感矩陣計算.表3給出了直流供電且低壓繞組工作電流為650 A時四個低壓繞組的電感矩陣及4種連接方式的電感值.表中，Li，Mij(i,j=1,2,3,4)分別為低壓繞組自感和互感；L12(或L34) 為從低壓繞組LV1和LV2(或LV3和LV4)組成的電路端口看進去的等效電感, 且包括了LV3和LV4(或LV1和LV2)的影響.圖6則給出了繞組連接方式1和方式2或雙邊工作或單邊工作時端口等效電感隨電流的變化情況.從表3和圖6所示的電感計算結(jié)果可以看出：

1) 對于連接方式2，不論是單邊工作還是雙邊工作，電感值均隨電流增大而減小，這是因為在這種繞組連接方式下，隨電流增大磁路飽和程度增加.而對于連接方式1，雙邊工作時電感值不隨電流呈單調(diào)變化，這是因為這種連接方式的漏磁場分布較為復(fù)雜.

2)連接方式1單邊工作時電感值隨電流變化較小，且在DC600A時的電感計算值與廠家試驗值較吻合，兩者分別是5.433 9mH及 5.63mH.

Current/A

表3 直流650 A時低壓繞組4種不同連接方式的電感

從磁路飽和及其對交直流供電制式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電磁暫態(tài)的影響考慮,且單邊或雙邊工作時希望電感值隨負載變化而保持相對穩(wěn)定，因此，在直流供電且變壓器作為濾波電抗器使用時，連接方式1是最佳選擇.但也需要解決單雙邊工作時所呈現(xiàn)的電感值不等的問題.

4 方案改進

對于連接方式1，單邊工作和雙邊工作時的電感值(額定負載DC650 A)分別是6.881 0 mH和18.714 8 mH，兩者相差較大，嚴重影響濾波效果．為此，在每個鐵心柱上增加一個繞組，有關(guān)布置方式及與兩個低壓繞組的連接如圖7(a)和(b)所示.圖7(c)給出了三個繞組(LV1，LV2和LV5)串聯(lián)等效電感值隨附加繞組匝數(shù)變化的關(guān)系；圖7(d)及(e)則為有關(guān)磁場分布.從圖可見，當附加繞組匝數(shù)從32到54變化時，單回路的等效電感值在48匝時達到最小值，且與雙邊工作時的電感值較接近，分別為19.576 2 mH和18.714 8 mH，這也正是廠家設(shè)計選取的匝數(shù)．另外，左鐵心柱上大部分區(qū)間磁場的Z方向分量達到2 T，而在上鐵軛中的部分區(qū)段磁場的Z方向分量甚至較X方向分量還大；因此，從磁場和電感分析結(jié)果可知，該方案不甚理想.圖8給出了一種改進方案的有關(guān)結(jié)果.該方案中將第3繞組LV5的布置高度縮小，如圖8(a)所示，三個繞組的連接方式不變；圖8(b)和(c)分別為該連接方式的電感值隨匝數(shù)和電流的變化關(guān)系.圖8(d)和(e)則為附加繞組24匝電流650 A時磁場沿左鐵心柱和上鐵軛中心的分布.此時附加繞組只需24匝即可獲得與連接方式1雙邊工作時相近的電感，較廠家設(shè)計方案的48匝減少一半.從圖8(c)和(d)可見，在匝數(shù)22和電流250 A時電感值變化曲線分別都有一個下凹，這可能與 磁路的飽和情況有關(guān).總之，從磁場和電感分析結(jié)果來看，這種通過設(shè)置附加繞組以達到增大單邊工作時等效電感的設(shè)計方案還有待于進一步優(yōu)化.

圖7 加入第3繞組的有關(guān)結(jié)果

圖8 改進方案的有關(guān)信息

5 結(jié)束語

本文用ANSYS軟件對機車變壓器在直流供電時用作電抗器的磁場進行了分析，較深入研究了繞組的電感特性，其中充分考慮了繞組不同連接方式及鐵磁材料磁飽和的影響，且單邊工作的電感計算結(jié)果得到了試驗驗證.

關(guān)于跨線運行的變壓器，還有很多問題值得深入研究.接下來，我們將對變壓器進行優(yōu)化設(shè)計，以便能兼顧兩種供電制式下性能；還將對交直流供電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電磁暫態(tài)過程進行探討，包括斷開直流瞬間在高壓繞組中的感應(yīng)電壓、交流合閘涌流等.顯然，與運行于單一交流制下的變壓器有很多不同，如，從直流斷開瞬間，高壓繞組的連接方式將影響在其中感應(yīng)的電壓；又如，直流供電時可能產(chǎn)生較強剩磁從而大幅度增加交流合閘沖擊電流等.

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Analysis of Electromagnetic Characteristics of a Locomotive Transformer as a Filter and Design Optimization in DC System

LI Xiao-song1?,WU Su-ping2, ZHOU Zheng-long2

(1．Hunan Province Key Laboratory of Intelligent Power Grid Operation and Control, Changsha Univ of Science and Technology, Changsha,Hunan 410004,China; 2．China Shell Exploration Co Ltd,Chengdu,Sichuan 610016, China)

AC supply and DC supply coexist in electrified railway in some countries, such as South Africa. When a locomotive runs to a railway section powered by DC, its transformer is usually used as a filter reactor. In this paper, the electromagnetic characteristics of a locomotive transformer in DC system were studied with a geometry of "C-core" core-type and four high voltage windings and four low voltage windings symmetrically arranged on two core limbs respectively. When a locomotive is powered by DC, the four high voltage windings of a transformer are connected in parallel and in open circuit, and the two low voltage windings on a limb are connected in series and used as the filter reactor. There are two DC powered circuits in a locotomotive and one of them can work alone or the two work together. In this paper, the magnetic field of the transformer was analyzed and the inductances were calculated, in which different connections of the four low voltage windings were considered. Moreover the characteristics of inductances with changes of the currents in the windings were studied, and the inductance computation was proved with tests for that in which a DC circuit works alone. Then, a proper connection of the low voltage windings in DC system was proposed according to the above analysis. Finally, some investigation was done to increase the inductance when a DC circuit works alone and an improved design was presented.

electric transformer locomotive; DC power supply; connection ways of the low voltage windings; analysis of magnetic field; calculation of inductance; improved design

1674-2974(2015)08-0066-08

2014-05-21

湖南省自然科學(xué)基金資助項目(12JJ5013)

李曉松(1960-)，男，湖南岳陽人，長沙理工大學(xué)教授，博士

?通訊聯(lián)系人，E-mail:yylixs@ aliyun.com

TM411

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