牵引变压器绕组不等匝识别研究及应用

方坤荣 徐玮宏 于晓颖 薛倩 毕敬宇 刘骅萱

中车大连机车车辆有限公司        辽宁大连      116022

摘要 开展25kV牵引变压器的高压绕组不等匝问题的研究，对于提高铁路牵引供电系统的运行可靠性具有重要意义。通过研究变压器高压绕组不等匝的特点和成因，并通过数学模型、数值模拟和实验测试等方法，可以更好的了解其对变压器性能和安全性的影响，进而提出相应的改进措施，优化变压器的设计和制造工艺，提高25kV牵引变压器在牵引供电系统中的可靠性、稳定性和安全性，从而为我国高速铁路的建设和发展做出积极贡献。

    关键词：牵引变压器 不等匝 电磁仿真

1 前言

牵引供电系统承担着为电气化铁路转换和传输电能的重要角色，电气化铁路要安全可靠地运行必须保证牵引供电系统的正常运行。牵引变压器作为牵引供电系统输变电的核心设备，其正常、稳定的运行是保证电气化铁路安全运行的基础。25kV牵引变压器是铁路牵引供电系统中的核心设备之一，主要用于将牵引供电网（25kV，50Hz）的高电压转换为适用于牵引电机的适中电压（通常为1.5kV或3kV）。在实际变压器生产制造过程中，由于工艺、现场等方面的原因，高压绕组偶尔会发生绕制匝数不等的情况。而在牵引变压器高压绕组不等匝时，变压器投入运行会在各绕组相并联的同名端间有电势差存在，引起绕组的附加损耗，并可能会导致变压器输出电压偏离预期值，并在并联支路上产生环流，引起牵引电机工作异常等问题，甚至会增加牵引系统的故障率并可能会烧毁设备，影响铁路运输的安全和正常运行。

2 仿真模型建立

    在有限元法求解过程中，需要已知绕组中的激励电流，但牵引变压器采用电压源作为激励，磁化电流密度是未知的。因此，使用传统的有限元法很难准确分析主变压器的磁场。如果把从基尔霍夫第二定律获得的回路方程与麦克斯韦方程进行组合用于磁场的分析，则可以直接计算出主磁场以及磁化电流随时间的变化情况，这种方法叫做“直接场路耦合法”。根据麦克斯韦方程，矢量磁位A满足的控制方程如下:

                                       (2.1)

通过基尔霍夫第二定律获得的变压器回路方程如下：

                                      (2.2)

变压器的绕组由多根导线绕制而成。导体中的涡流假设为零，在有限元模型中假设它为铰链导体，由很细的导线组成。在实际的有限元模型中易于实体的建模与剖分，因而瞬态求解器将其对电流的影响以电密的形式平均分配到整个导体区域。

构成铰链导体的所有细导线可为串联方式和并联方式，但每根导线均通有相同的电流，因此可以将式2.1中的涡流项忽略，因此新的磁场控制方程为：

                                              (2.3)

其中，Js是均匀分布的电流密度，可表述为：

                                              (2.4)

其中，if为绕组总电流，Sf为绕组的总截面积，Nf为绕组中股线总数，df为回路的极性，a为绕组的并绕根数，p为实际模型与有限元求解域的比。

绕组一端看到的电压是这些股线的总电压与外部电抗电压的和：

                                   (2.5)

其中，R为绕组总直流电阻，l为模型的叠片方向深度。

通过联立求解上述方程组，在每一时间点磁化电流瞬时值以及有限元模型中每一点的矢量磁位的值都可得到[1]。

为了解牵引变压器高压绕组不等匝情况下的特性及识别方法，采用既有四绕组变压器进行电磁仿真。在计算变压器三维磁场问题时，由于需要分析不等匝对变压器的铁耗，环流，和对阻抗的影响，所以必须对变压器结构进行精细剖分，计算规模较大。为简化计算，同时保证求解精度，利用变压器模型本身的对称性，建立1/2仿真计算模型，如图1。

图1  2500KVA/25kV牵引变压器仿真分析模型

3 不同连接方式的电磁仿真

牵引变压器需要将铁路供电网上的25kv电压转换为不同制式的低电压，高压绕组通常匝数较高，可达1000多匝，并且线径较小，在绕制时多1匝或少1匝肉眼无法分辨，甚至进行直流电阻、变比测试时也很难发现。所以，在识别高压绕组不等匝时，需采用特殊手段，将不等匝绕组的电压、电流等特性放大，以达到进行识别的目的。

3.1 高压绕组反向串联

将同一柱两个高压绕组命名为G1、G2，将其同名端反向串联，其他绕组开路。分别测量等匝与不等匝情况下的各绕组电压电流。

图2 同柱高压绕组G1,G2反向串联连接电路图

图3 高压绕组G1,G2反向串联等匝时电压波形图

图4 高压绕组G1,G2反向串联G1多1匝时电压波形图

图5 高压绕组G1,G2反向串联G1少1匝时电压波形图

在高压绕组1,2反向串联时，电流在等匝与不等匝时无明显变化，而电压变化明显，匝数多的高压绕组电压明显升高。

3.2  电位差法

将两牵引绕组同向并联，同时将对应两高压绕组反向串联，测量高压绕组另两同名端的电位差。

图6 电位差法连接电路图

图7 等匝时高压绕组电位差波形图

图8 高压1少1匝时高压绕组电位差波形图

图9 高压1多1匝时高压绕组电位差波形图

等匝时电位差为300μV，少1匝时电位差约为1000mV，多1匝时电位差约为1000mV。即存在不等匝情况时，会存在电位差，等匝时几乎测不出电位差。

同时，也进行高压绕组反向并联、不同柱高压绕组反向串并联、同柱牵引绕组串并联等不同组合形式电路，但仿真结果均无明显变化。

综上，高压绕组反向串联测量各绕组电压以及电位差法对高压绕组不等匝识别具有较高的可操作性。

4 试验验证

   为验证仿真的准确性，采用电位差法进行对上述方案进行试验验证。

表1 电位差法

高压绕组	电压值V
不加匝	0.056
加1匝	0.483

通过计算匝电势为0.48V，当不加匝时，通过上文的电位差电路测量电位差为0.056V，远低于单匝电势。当人为加1匝后，电位差为0.483V，与匝电势相当。此试验数据与仿真结果相同，同理试验高压反向串联方式也呈现与仿真一致的结果。因此，上述两种方式可以在不拆解变压器绕组的情况下有效识别不等匝情况。

参考文献:

[1]赵博 张洪亮.ansoft12 在工程电磁场中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2015.