电力机车主变压器常见故障判断与检修保养.doc

湖南大学硕士学位论文电力机车主变压器优化设计姓名：李欣申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：欧阳红林20070428摘要我国电力机车市场的迅速发展，给电力机车主变压器的厂家带来了机遇，但是市场竞争日趋激烈，交货周期的缩短，原材料价格的上涨，也带来了巨大的挑战。利用最优化与计算机辅助设计技术进行变压器优化设计可以明显缩短产品的设计周期、降低生产成本和提高产品的质量，增强产品的市场竞争力，取得显著的社会经济效益。论文首先研究了电力机车主变压器的设计计算方法，给出了变压器的优化数学模型，根据电力机车主变压器的特点，把重量作为优化目标函数，采用罚函数对违反相关约束条件的情况进行惩罚。由于变压器优化设计是一个多变量、离散性、多峰值的工程优化问题，基于微分的搜索技术容易陷入局部最优解，枚举搜索技术容易陷入维数灾难，随机搜索技术不一定能够得到最优解，所以在优化算法的选择上，以模拟进化算法的重要分支遗传算法为研究对象，并且在初始种群设定、适应度函数变换、遗传算子的改变等方面对遗传算法进行改进，使遗传算法能够有效克服自身存在的缺点，获得全局最优解。根据以上研究的变压器设计优化方法，采用Visual C+平台开发了电力机车主变压器优化设计软件，软件主要分为电磁计算、遗传算法、输入输出数据管理三个模块，实现变压器设计计算、设计方案保存、标准形式结果显示等功能，软件设计以提高整个工作流程自动化水平和运行效率为原则，以面向工程实用为目的，以期提高电力机车主变压器的设计水平。最后，设计了一个变压器实例，给出了优化结果和厂家试验数据。关键词：电力机车；变压器；优化设计；遗传算法；软件湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密，在_年解密后适用本授权书。2、不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 日期： 年月日导师签名： 日期： 年月日第1 章绪论1.1 国内外电力机车的发展当今世界，电力机车已经从直流传动时代迈入了交流传动时代，电力机车也因此从低速走向了高速，获得了前所未有的发展机遇。铁路运输业是伴随着工业革命发展起来的，在科技发展的带动下，铁路运行速度不断提高，到今天，已经到了一个相当可观的程度。铁路运输在中短距离客运交通上的性价比要高于航空运输，货运交通就更不用说了。在发达国家相继出现了高速铁路运输，国际上已将高速铁路运输视为现代化的象征，高速铁路新技术已成为铁路运输技术的龙头。目前世界上交流传动高速电动车组最高运营速度已实现了每小时三百多公里，最高试验速度达到了553km/h。伴随着信息技术和知识经济的发展，交流传动对于电力牵引技术而言将会展现更加无穷的魅力，因为它带来的高速度引领铁路电力机车发展适应了现代社会高效率、快节奏的要求，给广大旅客和企业节省了宝贵的时间1。发展铁路运输，对于我国来说，具有重要的意义。因为和高速公路相比，铁路建设占地面积小，只有它的二分之一或者三分之一，所以大力发展铁路，能够节约大量的耕地。而且，我国幅员辽阔，长距离的运输需求很大，铁路运输装载量大，速度快，具备明显的竞争优势，从资源消耗来讲，单位重量运输的资源消耗，汽车运力所消耗远远高于铁路运输，维修费用也高于铁路运输，而且，公路运输中车辆的污染也远远高于铁路。所以，大力发展高速铁路运输，是明智的选择。而电力机车技术的飞速发展，也为高速铁路创造了良好的基础。晶闸管的问世和电力电子技术的诞生，使得电力机车走向实用，迎来大发展。1965 年，晶闸管整流器电力机车的问世，使牵引动力电传动技术发生了根本性变革，全球兴起了单相工频交流电网电气化铁路的高潮。直流传动电力机车获得了大发展，直流电机具有容易调速，控制方式简单的优点5。20 世纪70 年代，异步交流传动的内燃机车DE2500 问世，交流传动开始展现其独特的优势。现在，电力机车已经逐步在淘汰使用直流电动机驱动的型号，改为使用交流电动机。和直流电机相比，交流电机无磨耗环节，无换向器、滑环，运动部分只有轴承，因而维修量极少。电机结构简单，重量轻、体积小、功率大。重量轻，减小了机车转向架的簧下质量，改善了轮轨作用力，适应了高速的需要；体积小，满足了安装尺寸的限制；功率大，能够为高速运行提供足够的动力。电机结构坚固、故障率低、维修周期长。电路部分一般采用四象限整流器和逆变器相结合的形式，构成交直交的电压供应，能量可以在电网和机车之间双向流动。早期功率开关以GTO 为主，不过随着科技的进步，功耗更小、开关频率更高、配套电路更简单的IGBT 器件逐渐占据主要地位。电机控制方式以矢量控制和直接转矩控制为主，控制精度比较高24。图1.1 交流传动机车主电路原理图如图1.1，25KV 的电网电压经过4QS 四象限整流器后变为直流，经过PWM逆变器成为交流向异步电机供电。中间的直流环节还有保护回路。另外还设置了转换开关，用于切除发生故障的整流器和逆变器。目前，高速电力机车领域形成了法国、德国、日本三国鼎立的局面，法国的TGV 系列、德国的ICE 系列以及日本的新干线系列代表了当今世界的先进水平。我国水平与这些国家相比还有很大的差距，但是也取得了一定的成绩，“蓝箭”、“先锋”、“中华之星” 等一批高速机车的研制成功，标志着我国在世界高速机车领域取得了一席之地，今后，随着我国科研水平的进步，相信总有一天可以追上世界先进水平。1.2 我国的牵引变压器我国电力牵引变压器设计及工艺技术起源于20 世纪50 年代从前苏联引进的6Y2 机车牵引变压器技术, 代表产品为SS1 型电力机车用TBQ1 型牵引变压器。该变压器为立式结构, 采用铜管冷却、车内进风等技术。经过不断的技术改进, 基本上形成了一个初步技术平台。20 世纪70 年代后期经过自主创新及技术升级等艰难过程, 完成了SS2, SS3型机车牵引变压器的研制, 此阶段为牵引变压器发展的初始期。80 年代, 随着我国改革开放, 铁路发展加快, 市场需求增加, 牵引变压器技术进入了其发展壮大期,国内相继研制成功SS4 系列货运机车用TBQ4 系列变压器、SS5 型机车用TBQ5型变压器及SS7 系列机车牵引变压器。90 年代完成了交直牵引系列牵引变压器研制, 包含SS6, SS7, SS8, SS9 等型机车系列牵引变压器产品。90 年代中期开始了交流传动牵引变压器产品的研制, 先后研制成功AC4000, DJ, DJJ 等机车用10种交流传动牵引变压器。21 世纪初期我国引进了DJ1 型机车及ABB 公司的技术,牵引变压器设计及制造技术得到快速发展, 平均每年有两个以上新品种面世。1.2.1 变压器铁心及绕组技术现状近几年电传动技术不断发展, 牵引变压器作为电传动系统关键部件日益向轻量化、小型化、高可靠性方向发展。目前我国牵引变压器铁心及绕组有以下4 种典型结构：(1)心式铁心+混合线圈结构(层式线圈+饼式线圈)这种变压器结构比较新颖, 综合了层式线圈和饼式线圈的优点, 解决了饼式线圈空间漏磁屏蔽问题及层式线圈的绝缘强度问题, 加上合理的内部结构布置,具有重量轻、尺寸小的特点。南车电机公司曾经用饼式线圈、层式线圈、混合式线圈对SS9 独立通风型机车变压器进行过优化求解, 采用穷举法, 对所有方案进行优化筛选, 发现混合式线圈结构在重量上有5%10%的优势；在尺寸方面有2050mm 的高度优势。该种变压器以西门子动车组(如ICE3 等动车组)用变压器为代表, 目前国内生产的乌兹别克斯坦机车用牵引变压器就是采用该技术。(2)心式铁心+饼式线圈结构从20世纪90年代末期开始,国内尝试采用饼式线圈结构,从AC4000交流传动车开始设计了5种以上型号的饼式线圈变压器。其主要特点为：采用心式铁心和饼式线圈。该变压器有阻抗大,冷却效果好、制造简单的优点,如线圈只需一种垫块。中华之星等车上使用的牵引变压器使用的就是这种结构。但是,该变压器重量指标不是很优越, 而且空间漏磁大,屏蔽问题不好解决,会增加变压器的损耗和重量。(3)心式铁心+层式线圈结构1986 年我国从欧洲引进的8K 型机车用变压器采用这种结构,在国内DDJ1 等机车变压器采用该方案。该种变压器有冷却效果好,制造简单,重量指标优越的特点。但是,该变压器存在层间电压过高,变压器高压线圈电气强度差,端部涡流损耗偏大的缺点,在我国大同西机务段使用的8K 型机车变压器曾多次发生层间击穿故障。如果能够正确处理高压线圈层间绝缘问题,可以将该种牵引变压器推广应用。(4)壳式变压器结构该变压器采用壳式铁心,饼式线圈,具有高度小、尺寸小的特点,空间漏磁问题容易解决,结构紧凑,重量也较轻。以SS7 型机车、200 km/h 电动车组变压器为代表, 其重量指标小于1kg/kVA。该技术在日本应用比较早,而且比较成熟。该技术适应于牵引绕组比较少的电路,否则退耦问题不易解决3。1.3 牵引变压器技术发展展望(1)轻量化、小型化对于高速客运牵引机车,车体底架相对轨道的高度受到严格限制,重量指标非常重要,而且在长度及宽度方面也存在许多技术约束,所以其牵引变压器面临的主要问题是如何缩小体积,减轻重量。目前须就如何减少体积及重量进行研究,不断地进行优化设计,尽量满足总体技术要求。另外,超导变压器也是其一个前景较好的发展方向。(2)一体化结构现在的牵引变压器内部安装各种电抗器等电磁部件,甚至还有各种互感器存在,所以牵引变压器是一个集成的概念,内部需要解决安装空间、电磁兼容、联结等许多系统集成问题。这就需要采取较好的一体化设计思路。(3)大容量化交流传动技术经过几十年发展已经非常成熟。20 世纪80 年代初,一台轴式为BO-BO、质量为84t 的三相交流机车功率为5600kW,单轴功率为1400kW,机车单位质量功率达67kW/t；现在研制出的BO-BO 轴式、质量86 t、持续功率达6400kW的异步牵引传动电力机车,其单轴功率达1600 kW,机车单位质量功率接近75kW/t。这时摆在牵引变压器研究者面前的任务就是如何进一步提高牵引绕组容量或者整个变压器容量。所以,在满足要求的前提下提高变压器容量是变压器进一步发展的方向。(4)高可靠性牵引变压器可靠性影响到整车及铁路系统运行,所以将来在如何提高可靠性方面要开展进一步研究,其主要内容包括部件可靠性,结构可靠性,材料可靠性, 安装可靠性等。(5)环保化随着社会不断进步,环境保护越来越受到关注,变压器环境保护方面的问题主要有三个：第一为噪声控制,第二是变压器油的污染问题,第三为电磁污染问题。所以在将来如何降低噪声污染是一个大的研究课题,在变压器油方面将采用可以降解的变压器油为主线,同时还必须采取措施解决电磁污染问题。(6)智能化以往牵引变压器保护环节少,监控困难,给使用及检查带来一定困难。随着计算机技术的发展,使复杂的变压器数据采集及处理问题变得越来越容易实现,从而大大促进了牵引变压器监控技术的成熟与发展。大量的电子技术及数控技术将得到广泛应用,实现多渠道对变压器数据现场监控,保证牵引变压器安全、稳定运行,并且达到节能的目的。(7)模块化、系列化设计国外一些主要牵引变压器制造企业的产品技术已经达到了很高的水平,建立了完整的产品技术平台,如铁心制造平台、线圈制造平台、绝缘处理平台等,使产品技术标准化、模块化、通用化。通过严格控制标准化接口,将预设计、预制造和预试验过的标准化和最优化的集成部件组合在一起,科学、合理地形成标准化、通用化变压器部件模块,可大大提高牵引变压器模块化设计和制造能力,保证产品的成熟性和可靠性。1.4 变压器优化设计的发展随着市场竞争日趋激烈,原材料价格不断上涨,节能降耗的要求不断提高,变压器设计人员在实际工作中，肯定会面临这样的一类问题：工程设计中如何选择参数，使得设计在满足技术要求的前提下,能降低成本或者减少损耗,获得较好的经济效益。这类问题的共同特点，就是要在所有可能的方案中，选出最合理的，达到事先规定的最优目标的方案，这个方案称为最优方案。寻找最优方案的方法称为最优方法。最优化问题是个古老的课题，早在17 世纪己经提出极值问题。从二十世纪四十年代以来，由于生产和科学研究突飞猛进的发展，特别是电子计算机日益广泛的应用，最优化问题不仅成为一种迫切需要，而且有了求解的有力工具。最优化理论和算法也迅速发展起来，形成一门新的学科并在实际应用中发挥着越来越大的作用。在优化问题中，根据决策变量的取值可以分为连续型和离散型两种，根据目标函数和约束表达式的不同可以分为线性优化问题和非线性优化问题。变压器优化属于非线性、离散型的优化问题。优化设计在工程设计的各个领域得到了广泛的应用。实际应用证明，优化设计不仅为工程设计提供了一种新的科学设计方法，使得在解决复杂设计问题是，能从众多的设计方案中找到尽可能完善的或最合适的设计方案，而且采用这种设计方法能大大提高设计效率和设计质量，具有较明显的经济效益和社会效益。国外经验表明，采用优化设计，可使结构节约材料或造价10%50%。优化设计是一种将设计变量表示为产品性能指标、结构指标或运动参量指标的函数，然后在产品规定的性态、几何、运动及其它限制的范围内，寻找满足一个目标函数或多个目标函数最大或最小的设计变量组合的数学方法。优化设计的理论基础是数学规划，采用的工具是电子计算机，因此它具有常规设计所不具备的一些特点：(1)优化设计能够向最优的方向调整设计参数，直到找到一个尽可能完善的设计方案。常规设计虽然也希望找到最佳方案，但都是凭借设计人员的经验来进行的，并不能保证能够找到最优的方案。(2)优化设计的手段是采用电子计算机，在很短的时间内就可以分析一个方案，判断方案的优劣和可行性，因此可以从大量设计方案中选出更优的方案，这是常规设计所不能比拟的。优化是在给定环境条件下获取最好结果的行为。作为一个数学问题，优化问题可以定义为对一个函数求极值的问题。由于f(x)的极大值同一f(x)的极小值的对应关系，优化问题更可以一般性地定义为求取函数F(x)的最小值的行为。优化方法的出现可以上溯到牛顿时代，微积分的发明使基于微分学的优化成为可能。拉格朗日和柯西在此时分别创立了拉格朗日乘子法和最快下降法两种优化方法。但是在20世纪以前，由于计算工具的落后，优化方法的进展相当缓慢。20世纪中电子计算机的出现，才使优化程序的实现成为可能，优化理论得到了长足的发展。20世纪60年代，无约束优化数值方法的理论基本成熟，求解线性规划问题的单纯形法和动态规划问题的最优化原理相继出现。但是到目前为止，对于非线性约束规划问题尚无普遍适用的计算方法。为寻找求解非线性规划问题的方法，前人己经作了很多工作。在二十世纪八十年代之前，解决非线性规划问题的方法主要有以下几种:贪婪法、可行方向法(一维搜索)、复形法、罚函数法(包括外点法、内点法、乘子法)、蒙特卡洛法、正交试验法、循环变数法等等。这些方法都源自迭代法，在给出f(x)的极值点(极小或极大)位置的一个初始估计x (初始点)后，计算一系列的x (0) (k)(k=1,2,.)，希望点列 x(k )的极限x * 就是f(x)的一个极值点。算法的重点在于如何得到这个点列，也就是说当有了迭代点x (k ) 怎么得出新的迭代点x (k +1) 。求得新的迭代点的方法是在某个邻域中选出搜索方向以及迭代步长。x(k +1)=x(k )+ d ，其中d 是一个向量，k (k ) (k )称为搜索方向， 称为步长。得出新的迭代点x ，检验是否为最优解或者是否k (k +1)为最优解的近似解。例如，若梯度的模小于某个预先指定的数 ，即|f(x (k +1) ) ，就认为x (k +1) 是近似最优解，迭代过程终止；否则继续进行迭代。这种搜索可以称之为局部搜索21。这些以迭代为基础的优化算法对于单峰函数很有效，适当选取搜索方向和步长，往往能得出比较好的结果。但是对于多极值问题，这些方法就出现了致命的缺点：它们会陷入局部最优点即所谓的“陷阱”而再也不能出来。为了解决传统优化算法这个问题，前人提出了很多如何选择初始点和搜索方向的方法。到了20世纪80年代，出现了一些新兴的算法，如禁忌算法、模拟退火算法、遗传算法和人工神经网络。这些算法统称为现代优化算法。现代优化算法的主要应用对象是优化问题中的难题问题，也就是NP-hard问题。正是因为很多实际优化问题的难解性和现代优化算法在一些优化问题中的成功应用，使得现代优化算法成为解决优化问题的一种有力工具。局部搜索是一种比较“确定”的方法即不管用何种方法选择搜索的方向，方向总是固定的。现代优化算法为了避免掉入局部最优点，使用了不同的方法跳出局部陷阱。比如禁忌搜索法使用禁忌表记录下已经到达过的局部最优点，在下一次搜索中不再搜索这些点以此来跳出局部最优点；遗传算法则通过对染色体的变异操作来跳出局部最优点.这些方法都有一个共同点随机性。正是因为随机性，搜索才不至于掉入局部陷阱，然而带来的问题是不能保证落入全局最优点的谷底。但不管怎样，使用现代优化算法得出的结果还是令人满意的。国外变压器优化设计的研究工作起始于50年代，1953年5月，美国通用电气公司完成了双线圈自冷、风冷电压为138 kV的变压器设计程序。1954年8月，又完成了强油风冷的有载调压三线圈、自耦以及电炉变压器的设计程序。90年代中期，美国的Alabama大学用遗传算法(GA)对变压器优化问题进行了试验，结果表明，GA算法对于简单的电力变压器优化非常成功，是一种对于离散变量规划问题有效的算法42。到目前为止，国外的某些企业己将变压器的机辅设计发展到一个较为完善的程度。从电磁、结构参数的优化，到实体造型设计和装配设计，都能在计算机上实现可视化设计，并能进行装配干涉检查和质量性能分析，实现所谓的虚拟现实制造(VRM)。我国变压器CAD工作始于70年代，相对于工业发达国家起步较晚。1975年，合肥变压器厂与中国科技大学首先用对分法和分支定界法对35 kV级容量在50630KVA的变压器进行了设计，并于第二年又完成了SL-2000/35变压器的优化设计工作。与此同时，沈阳变压器厂解决了铁心最佳截面积的局部优化问题，随后又采用循环遍数法实现了中小型变压器以及220 kV级电力变压器的优化设计程序。进入90年代以后，我国变压器CAD的研究开发工作不断深入，并取得了丰硕成果。主要体现在传统的数学优化方法不断被改进，出现了网格法与虎克杰夫法综合应用的改进方法、改进的Powell法、改进的正交实验法等多种改进的优化方法，从而更加适合于变压器优化问题；产生了变压器多目标综合优化设计的理论，使以前单一追求低成本的模式得到改变；一些全新的优化方法和理论被引入变压器设计之中，如神经网络、遗传算法等，把变压器优化方法的研究又推进了一大步。青岛大学作了将遗传退火算法用于电力变压器优化设计的尝试，取得了令人满意的效果。西安交通大学也对遗传算法应用于变压器设计进行了探索22。变压器设计针对的是有约束、多变量、非线性混合型的数学模型，其目标函数具有多个极值，且不能够用变量的显性数学公式表达。这些特点给变压器的优化设计带来了很大的困难。目前国内外设计人员采用的变压器的优化设计算法主要有以下的几类：(1)约束遍数法。约束遍数法是应用时间最长，也是最成熟的一种算法。它的基本思想就是将各种组合进行穷举，逐个计算和判断。约束遍数法具有简单易行的优点，但是效率较低；(2)直接法。直接法是优化方法中应用比较普遍的一类算法，包括网格法、胡克一杰夫方法以及Powell法等搜索算法。直接法的数学研究比较成熟，效率较高，但是对变压器设计这类多极值问题，往往会出现过早陷入局部最优的问题；(3)改进的其他搜索方法。随机搜索是解决局部最优问题的比较有效的方法，在变压器的优化设计中也有应用；(4)试验方法，例如正交试验法；(5)一些新的优化方法。这些方法主要有遗传算法和模拟退火算法。目前这一方面的研究相当活跃，这些方法本身也具有传统方法所不具有的全局选优性能好的优点，取得了一些研究成果。1.7 课题来源与任务课题来源于南车电机公司，该公司是专业生产铁路机车用电机和变压器的厂家，为我国电力机车事业做出了很大的贡献。这次该公司要求根据大功率电力机车的变压器结构，进行优化设计，并且编制一套软件。表1.1 牵引变压器设计参数单位高压绕组牵引绕组辅助绕组1 辅助绕组2额定容量KVA 8216 1111 ×6 350 1200额定电压V 25000 1285 ×6 343 3000额定电流I 328.64 864.6 ×6 1020 400短路阻抗% 33.7 ± 10% 14 14频率Hz 50 ± 1备注冷却方式：强迫导向油循环风冷ODAF，双冷却回路。安装方式：车内中间走廊一侧立式安装。网压范围：17.531kV 恒功范围：22.527.5kV1.8 本文完成的工作本文分析了牵引变压器的特点，对牵引变压器的电磁计算方法进行了研究，得出了具体的计算公式；通过研究遗传算法的数学基础，分析了遗传算法的内在机理、特点和缺陷，提出了遗传算法的改进措施；研究了变压器优化设计的数学模型，并且把遗传算法用于变压器的优化设计；使用Visual C+开发平台编写了一套设计软件，并且通过一个变压器的实例，验证了优化算法的有效性。第2 章牵引变压器的设计变压器设计应包括两个阶段，首先确定基本结构，然后再进行电磁计算及绘制产品生产图纸。电磁设计的主要任务是确定变压器的电磁负载、主要几何尺寸，计算其性能参数和各个部分的温升以及变压器的重量。电磁计算是整个产品设计的基础，是设计的关键部分，优化设计的目的是在任务确定情况下，尽量使得各方面的性能得到最优。2.1 牵引变压器的特点高速电力机车主变压器与一般的变压器没有原理上的区别，但作为牵引设备有其特殊的要求，这些要求包括：a.由于减重的要求(尤其对高速列车)，主变压器往往设计成多铜少铁的变压器。一台变压器的总质量取决于其有效部分(绕组铜线、硅钢片、绝缘)、变压器油箱和绝缘液的质量，为此往往选用优质材料。冷却媒质，以往多采用矿物油，为防火和减少质量，目前多采用硅油及合成脂。b.主变压器的外形尺寸与它的安装位置有关，有的安装于车内，有的悬挂于车体底架下。对于电动车组，一般安装于车体底架下，且往往采用扁平的结构，这样不占用客室的面积。另外还要求主变压器在给定的体积、外形尺寸和规定的质量下达到规定的功率。c.主变压器能够承受振动、加速度和短路时机械强度的能力。d.主变压器是一个多绕组变压器，尽可能要求各绕组完全退耦。为限制变压器的高次谐波对电网的影响，一般要求较高的短路阻抗，并且要求高压绕组和牵引绕组之间的短路阻抗尽可能相同。e.提高效率(低损耗)。f.主变压器外部的泄漏应尽可能少，以避免对电子装置产生干扰。牵引变压器一般安装在机车内部，有些甚至安装在车厢底部，所以散热条件比较恶劣。变压器随机车运动，除了受到灰尘的侵袭之外，还要承受各种方向的冲击和震动。因此，和普通的电力变压器相比，牵引变压器在性能上要求更高。变压器必须抗腐蚀防锈，散热功能好，发热量低，结构强度大，抗震动。牵引变压器运行的电气条件也不好。由于机车在铁路供电网上频繁启停，整个供电网上的机车运行数目不断变化，导致用电负荷发生较大变动，引起电压不稳。国标规定铁路电网电压25kV，实际运行时电压一般在17.5 31kV 范围内波动。当电压过高时，铁心磁密将大大增加，出现严重的过励磁，励磁电流大为增加，烧坏变压器。因此铁心磁密不宜取得过高，一般不能超过1.6T2。2.2 牵引变压器设计计算2.2.1 总体结构设计变压器设计首先必须确定变压器的基本结构，包括铁心形式和绕组排列方式，这样才能方便进行电磁计算。变压器的铁心形式分为两种：壳式铁心和心式铁心。壳式铁心结构强度好，抗电动力能力强，所以适合于制造超大容量的变压器，又因为其形状扁平低矮，所以又适合用于动车组，放置在车厢底部。但是其绝缘结构复杂，采用多层次油纸屏障绝缘，制造困难，在过电压作用下，较易发生绝缘的放电性损伤（场强设计裕度及油纸绝缘结构的布置上更须谨慎）。心式铁心的绝缘设计成熟，制造方便，所以本次设计采用心式铁心结构。变压器绕组接线图如下所示：A Xa4 x4 a5 x5 a6 x6 a8 x8a1 x1 a2 x2 a3 x3 a7 x7图2.1 变压器接线图如图，AX 之间是高压线圈，分成六组并联，平均分配在两铁心柱上供电，并且平分高压电流。a1x1,a2x2,a3x3,a4x4,a5x5,a6x6 是牵引线圈，也是平均分配在两铁心柱上。a7x7,a8x8 是辅助线圈，主要用于空调设备或者其他设备的辅助供电。主变压器各绕组间的电磁耦合优化设计：各牵引绕组间完全退耦，彼此相互影响很小。六组牵引线圈平均分配在两铁心柱上，每一铁心柱上的三组牵引线圈沿铁心柱轴向布置。牵引线圈采用层式线圈。层式线圈的纵向电容远大于对地电容，所以，冲击波形起始分布很接近稳态分布，冲击特性好。同时，层式线圈油的导向和散热效果优于饼式线圈。线圈绕制也更方便。变压器满足IEC3102牵引变压器和电抗器。变压器采用A 级绝缘和普通矿物油。变压器竖立安装在机械室中央走廊一侧，借鉴了欧洲隧道的ESLvehicle 机车主变压器的某些经验。变压器的冷却方式为强迫导向油循环风冷（ODAF），采用两组油回路。该主变压器在材料和结构上考虑了3050的工作环境。变压器的铁心柱用不锈钢板夹紧，并用热收缩带对心柱进行包扎，但铁心柱的叠片和包扎需严格的工艺进行保障。变压器的引线结构用圆铜棒进行引线，引线之间联结参照西门子技术。主变压器的出线装置在油箱下部的两侧。变压器的出线装置处均装有可观察的防护门。变压器绕组具体布置如下，高压绕组分为六组HV1HV6 并联供电，牵引绕组也分成六组，AUX1 和AUX2 是辅助绕组。各绕组对称排列。牵引绕组靠近心柱排列，其次是高压绕组，辅助绕组分布在最外围。TR1HV1AUX11TR2HV2AUX21TR3HV3AUX12AUX13HV4TR4AUX22HV5TR5AUX14HV6TR6A柱X柱图2.2 绕组布置图2.2.2 电磁设计通过电磁计算，可以确定变压器产品的电、热、机械等方面的基本参数，主要包括：(1)额定相电压、相电流；(2)铁心基本凡何尺寸，电磁性能参数，包括磁通密度、铁损等；(3)线圈每匝电压和匝数；(4)线圈形式和描述尺寸参数，包括匝段分布情况，以及轴向、辐向尺寸；(5)线圈导线规格；(6)线圈的电磁性能，包括短路阻抗、空载电流、基本损耗、附加损耗、杂散损耗；(7)高压和低压的温升；(8)各部分和各种材料的重量；(9)成本估计。在企业中，设计计算的结果是以规定格式的计算单形式提交的。计算单中除了上述数据的计算结果外，还需要列出必要的中间结果以及简略的计算过程，以便方案评价和后续步骤引用和参考。由于制造和运行的考虑角度不同，在不同的设计中，对某些性能数据或者外形凡何尺寸的要求往往有所不同。因此变压器的设计需要同时计算多个可行方案，根据每个方案的不同特点，综合各方面的因素，选择最佳方案。1)铁心计算硅钢片是制造变压器的关键性材料之一，它的性能直接关系到变压器的性能和几何尺寸。一般要求硅钢片导磁性好，片体薄。这样有利于减少漏磁和降低涡流损耗。必须首先明确硅钢片的性能，然后依次再确定铁心柱直径和截面积等。变压器的硅钢片一般采用冷轧高导磁取向硅钢片，这种硅钢片性能好，单位损耗小，为低损耗变压器所采用。由变压器原理的分析可知，在保持铁芯磁密一定的条件下，铁芯直径的增大将使得绕组匝数减少，换句话说，铁芯材料消耗的增加将使得导线材料的减少并使得短路阻抗、负载损耗值降低：如果减少铁芯直径，则会得出相反的结论。其次，如保持绕组匝数不变，增大铁芯直径将使得磁密降低，而空载电流、空载损耗均将下降，但铁芯材料消耗将增加；反之，如减少铁芯直径则有可能引起铁芯过饱和以致使空载电流和空载损耗均大为增加。由此可知：铁芯直径的选取首先将关系到整个变压器的制造成本。这主要应视铁芯材料的增加(或减少)及导线材料的减少(或增加)之中哪一个量变化对制造的影响更大来决定，在这一点上，变压器的设计类似于其他电机的设计，存在一个最优的铜铁比选择的问题。其次，铁芯直径的变化还将影响到变压器各种技术性能参数(如空载电流、空载损耗、负载损耗、短路阻抗等) 的改变，而在设计时这些性能参数的变化均应符合相应国家标准的规定。第三，铁芯直径的选取还影响到整个变压器的尺寸、形状等。所以需要综合考虑6。工程上，计算铁心有如下一个经验公式：D=K4S (2.1) 柱式中： D 铁心直径(mm)S 变压器每柱容量(KVA) 柱K 经验系数实际上，这样求出来的D并不准确，需要调整，但是可以用D来作为调整的参考。还可以根据设计要求，反向推理，求出铁心直径。例如确定好低压绕组电压U,磁密B，低压匝数W 后，可以求出铁心直径D。因为 ，B= ,所以A= ，然后根据铁心级数和叠片系数就可以t eWUAet 45BW45U求出铁心直径。A铁心有效截面； 每匝电压； t e2)匝数计算铁心直径选定后，磁通密度大小与绕组匝数成反比，而绕组匝数的二次方与阻抗电压成正比，即磁通密度与阻抗电压有关。若磁通密度值选得过大，则空载损耗，空载电流也大。所以磁通密度的选择在保证阻抗电压、空载损耗、空载电流符合技术条件要求的情况下，尽量的取小一点。对于一台变压器，绕组匝数取决于铁心柱截面的大小。因为当铁心采用某一牌号硅钢片以后，磁密B 基本上是一个变化范围很小的量；而且在某一相电压作用下，绕组每匝电势e ，与该绕组匝数的乘积也是一个常量，所以铁心柱截面积t大时，绕组每匝电势e 也大，则该绕组匝数减少。既然绕组的匝数完全取决于每t匝电势e ，所以首先计算e 。在铁心有效截面确定以后，绕组每匝电势e 为： t t te 4.44fBA 7。t t首先计算牵引线圈匝数，用牵引线圈电压除以每匝电压，凑成整数匝，再用牵引电压除以求出来的牵引匝数，得到最终的每匝电压e ，然后以此为标准，分t别求出高压线圈匝数和辅助线圈匝数。接着重算磁密B，得到最终磁密。3)轴向尺寸计算a.饼式绕组轴向尺寸计算(2.2) p H = bn + K h式中b带绝缘导线宽度；h 油道总高度；K 垫块的工艺压缩系数，取0.95； pn沿轴向导线总段数。b.层式绕组轴向尺寸计算 ( 1) (2.3) 1 2 H = bn n + 式中b带绝缘导线宽度；n 导线沿轴向的并联根数； 1n 每层匝数； 2 制造裕度,取2；当导线沿轴向有两根并联时，需进行一次换位，此时轴向高度应增加一根导线宽度。4）幅向尺寸的计算a.饼式绕组幅向尺寸计算B=a (2.4) '1n '2n 其中a带绝缘导线厚度；沿幅向的导线并联根数； '1n每段匝数； '2 n 制造裕度，取1.03。b.层式绕组幅向尺寸计算16 ( 1) (2.5) 0 0B = an'n + n 1 式中a带绝缘导线厚度；n' 导线沿幅向并联根数；n 油道一侧的线圈层数； 0层绝缘厚度； 1 裕度，取5。5)短路阻抗计算短路阻抗是变压器设计中不可或缺的一个参数，计算时常常用阻抗电压的形式表示。阻抗电压是指变压器二次绕组短路并流过额定电流时，变压器原边绕组所应施加的额定频率的电压，通常用额定电压的百分值表示。它包括两个分量，即电阻电压和电抗电压，分别对应这短路电阻和短路电抗。电阻电压须换算到绕组平均运行温度750C 时的值，由于它很小，对于大型变压器通常忽略不计。阻抗电压以额定电压百分值表示时，则电阻电压为：(2.6)75 100 7510k kkaN NU r PU P % = × % = %式中： 额定电流，A； 额定电压，V； N U换算到750C 时的绕组短路电阻，； k 75 r750C 时的负载损耗，W； k 75 P额定容量，KVA。N P电抗电压：k 100 (2.7)kxNU XU % = × %式中： 短路电抗。k X阻抗电压：U%= U% +U%短路阻抗对变压器设计具有重要意义，它涉及到变压器的成本、效率、机械强度和短路电流大小等。为了降低负载损耗，提高效率，短路阻抗应该较小；为了降低短路电流和增加机械上的可靠性，则短路阻抗应该较大，所以确定短路阻抗的大小需要综合考虑。8-10不过一般来说牵引变压器的短路阻抗都比较大，主要是为了限制短路电流。因为铁路网压不稳定，有时会过高，如果恰好又发生短路故障，短路电流会比较大，烧坏变压器。电抗电压占短路阻抗的比例较大，且计算复杂，而电阻电压很小，因此变压器阻抗计算的绝大多数工作量都落在电抗的计算上。为了计算电抗电压，必须寻求等