高速铁路变压器过载特性分析

孙萍丽

（中交机电工程局有限公司，湖北 武汉 430064）

0 引 言

高速铁路快速发展，其供电系统的变压器容量选择在铁路电力设计方面至关重要。高速铁路用电系统中存在信号负荷和牵引负荷，具有短时冲击的特性及非线性、不对称以及波动性的特点[1]。若变压器容量过大，长期工作在低负荷率状态，则会降低变压器经济性；而若变压器容量过小，则当出现冲击负荷，使变压器处于过载状态时会引起绝缘老化，严重时甚至烧毁变压器。因此选用合适的变压器容量不仅可节约材料成本和制作费用，减小后续检修难度，而且能保障供电可靠和安全。

选取变压器容量时要将过载特性考虑在内，让变压器工作在高负荷率下，提高其经济性。同时面对铁路用电负荷波动时，变压器过载后仍能正常工作，避免发生损坏。对铁路供电变压器过载特性分析有助于选择出既满足运行安全又能充分发挥经济性的变压器容量。

1 油浸式变压器的过载特性

油浸式变压器所带负载超出额定负载，处于过载状态会使变压器内线圈、磁场以及绝缘物质发生变化。如果长期处于过载状态，油浸式变压器的绝缘油会变质，绝缘性能严重下降导致变压器寿命缩短[2]。处于过载状态的油浸式变压器发生的主要发生如下。一是温度上升，长时间工作于过载状态，温度持续升高，导致绕组过热变形，绝缘油超出工作耐受温度而变质。二是铁芯磁通增大，由于负荷较大，变压器内部漏磁通增大，涡流效应明显，涡流增大引起铁芯发热，使其过励磁能力减弱。三是绝缘油成分变化，温度升高使得变压器内绝缘油中气体和液体成分比例发生变化，内部产生热应力，使变压器物理结构发生形变。

2 油浸式变压器模型

变压器过载能力主要由绝缘能力所决定，直接影响变压器绝缘能力的是工作温度[3]。变压器内部温度分布从顶端到底端可近似为线性分布，如图1所示，其中H为热点系数，gr为额定电流下热点温度对平均油温的温度差。变压器的最大温度称为热点温度，通常出现在绝缘油靠近绕组处。本文以热点温度作为评估变压器过载能力及寿命损失的主要依据建立热点温度模型，热点温度为环境温度、顶层油温升以及热点对顶层油温差三者相加。

图1 变压器内部温度分布

依据国家标准GB/T 1094.7—2008中提出的指数方程法和微分方程法计算热点温度。以阶跃变化的负载通常使用指数方程求解，非阶跃变化的负载使用微分方程求解[4]。负载上升时，热点温度为：

负载下降时，热点温度为：

式中，θh(t)为热点温度；θa为环境温度；Δθoi为初始状态顶层油温升；Hgi为初始状态热点对顶层油温度差；Δθor为总损耗下顶层油温升；Hgr为额定电流下热点对顶层油温度差；R为负载损耗或空载损耗；K为负载系数；x为顶层油指数；y为绕组指数；f1(t)为反映顶层油温升上升量的时间函数；f2(t)为反映热点对顶层油温度差变化的时间函数；f3(t)为反映顶层油温升降低量的时间函数。

式中，τ0为油时间常数；k为时间系数。

变压器因绝缘老化造成寿命缩减，其规律为变压器热点温度每超过额定温度6 ℃，寿命减少一半。依此可建立寿命损失模型，相对绝缘老化率为：

3 不同类型急救负荷下热点温度变化

根据上述热点温度和寿命损失模型，代入不同过载时间和过载倍率计算可得热点温度的变化趋势，分析比较长期过载和短期过载下变压器老化程度。变压器工作过载时间长短不同，影响着其在温度限值范围内的最大过载倍数。将急救负荷按接入时间长短分为长期急救负荷与短期急救负荷，分别研究热点温度的变化趋势。长期急救负载下热点温度如图2所示，其中K为变压器过载倍数，变压器长期过载1.34～1.49倍时，热点温度在限值范围140～160 ℃。

图2 长期急救负载下热点温度

当变压器短时工作于过载状态时，热点温度随过载时间和过载倍数的变化如图3所示。过载倍数K为1.5时，不超过160 ℃温度限值的最大过载时间为769 min；过载倍数K为2时，过载113 min热点温度达限值160 ℃。

图3 过载状态下热点温度随过载时间和过载倍数的变化

4 结 论

依据以上建立的热点温度模型和寿命损失模型可以得出，油浸式变压器过载倍数低于1.5时不会超过160 ℃温度限值，而过载倍数为1.5时，理论过载工作769 min后达温度限值，过载倍数为2时，理论过载113 min达温度限值。利用变压器短时工作于过载状态特性，可以为高速铁路短时冲击负荷合理选择变压器容量提供技术支持，使变压器既能保证使用寿命，又能兼顾经济性。