韶山型電力機(jī)車主變風(fēng)機(jī)節(jié)能控制裝置

馮嘉慶，李瑋利，張立所(北京鐵路局，北京 100860)

韶山型電力機(jī)車主變風(fēng)機(jī)節(jié)能控制裝置

馮嘉慶，李瑋利，張立所(北京鐵路局，北京 100860)

電力機(jī)車通過安裝節(jié)能裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)車主變壓器油溫，在一定溫度范圍內(nèi)停止通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，能顯著地降低機(jī)車能耗。本文介紹了該節(jié)能裝置的主要功能及安裝注意事項(xiàng)。

電力機(jī)車;主變風(fēng)機(jī);節(jié)能裝置

1 節(jié)能裝置的作用

電力機(jī)車通過主變壓器把供電接觸網(wǎng)的25 kV高壓電經(jīng)過變壓、整流后供機(jī)車牽引驅(qū)動(dòng)使用，在這個(gè)過程中變壓器有4 000 W～12 000 W左右的電能損耗轉(zhuǎn)變成熱能，當(dāng)溫度過高時(shí)將使變壓器絕緣受到影響，因此電力機(jī)車主變壓器一般采用強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷的散熱方式，通過油散熱帶走熱量，通風(fēng)機(jī)作為變壓器散熱的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力也消耗部分電能。由于溫升受環(huán)境溫度和負(fù)載的影響，并不是時(shí)時(shí)刻刻都需要通風(fēng)機(jī)進(jìn)行工作，為此，通過安裝節(jié)能裝置實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)車主變壓器油溫，在一定溫度范圍內(nèi)停止通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，可達(dá)到節(jié)省電能的目的。

2 變壓器溫度對(duì)變壓器壽命的影響

影響變壓器壽命的主要因素是變壓器絕緣壽命，牽引變壓器內(nèi)部絕緣為A級(jí)。A級(jí)絕緣的極限溫度為105℃，高于105℃絕緣材料會(huì)很快老化。根據(jù)牽引變壓器的“6℃定則”，變壓器的使用壽命和長(zhǎng)期運(yùn)行溫度的關(guān)系可以描述為溫度每升高6℃，變壓器壽命下降一半。一般變壓器經(jīng)濟(jì)使用年限定為20年，正常絕緣運(yùn)行溫度98℃。同時(shí)為了防止油質(zhì)劣化，所以規(guī)定變壓器上層油溫最高不得超過95℃。因此油浸變壓器絕緣溫度一定要低于95℃［1，2］。

因?yàn)闋恳儔浩鳛橐粋€(gè)整體，其絕緣溫度難以測(cè)量，因此現(xiàn)行車上所測(cè)量的變壓器溫度主要是變壓器冷卻油上層油溫，它比實(shí)際變壓器絕緣溫度要低。根據(jù)國(guó)家電力變壓器標(biāo)準(zhǔn)GB1094—79的規(guī)定［3］，油浸變壓器的實(shí)驗(yàn)溫升限值見表1。

表1 油溫和絕緣溫度的折算關(guān)系

從表1可以看出，頂層油溫和絕緣溫度之間相差約25℃，因此必須限定頂層油溫低于70℃(95℃ －25℃ =70℃)，一般機(jī)務(wù)段設(shè)定油溫不得高于70℃。只要不超過這個(gè)溫度，對(duì)變壓器的壽命影響是很小的。節(jié)能裝置設(shè)置控制開啟溫度最高為55℃開，加上與絕緣層之間差25℃，對(duì)應(yīng)絕緣層控制溫度為80℃，離絕緣控制溫度95℃差15℃，不會(huì)對(duì)原設(shè)計(jì)方式和變壓器實(shí)際使用壽命產(chǎn)生任何影響。況且機(jī)車在運(yùn)行過程中主變壓器冷卻系統(tǒng)中的潛油泵始終處于運(yùn)行狀態(tài)，潛油泵打出來的油進(jìn)入冷卻器循環(huán)，冷卻器靠機(jī)車運(yùn)行時(shí)的空氣流動(dòng)也可散發(fā)熱量。

3 節(jié)能裝置整體設(shè)計(jì)

3.1 基本原理

裝置的主要功能分為:檢測(cè)主變壓器油溫;分析主變壓器油溫的變化，計(jì)算油溫的上升速度及與實(shí)際控制溫度的差;控制通風(fēng)機(jī)運(yùn)行或關(guān)斷。

(1)通過在變壓器油箱內(nèi)安裝一溫度傳感器來檢測(cè)油溫。由于傳感器與裝置有一定距離，為了防止干擾，傳感器采用數(shù)字式智能溫度傳感器，并采用可靠的電流環(huán)接口，可以保證300 m的距離內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確采集溫度，而實(shí)際距離不超過8 m，因此裝置能夠準(zhǔn)確采集變壓器油溫而幾乎不受干擾。

(2)通風(fēng)機(jī)是由一個(gè)接觸器進(jìn)行控制，控制該接觸器就可以控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行與否，接觸器在開通的瞬間電流超過10 A，裝置采用無觸點(diǎn)的MOS開關(guān)進(jìn)行控制，具有控制電流大、功耗低的特點(diǎn)，以保證良好的導(dǎo)通性。

3.2 安裝方式

為了安裝方便、控制可靠，按照就近安裝的原則進(jìn)行裝置設(shè)計(jì)，模塊之間的連接采用航空插頭連接以保證連接的可靠性。

溫度傳感器安裝在油箱中預(yù)留的溫度傳感器安裝位上。風(fēng)機(jī)接觸器控制部分安裝在低壓屏柜邊風(fēng)機(jī)接觸器旁，直接通過3根機(jī)車線和接觸器相連。

3.3 節(jié)能裝置安裝的注意事項(xiàng)

3.3.1 安裝要點(diǎn)

本裝置的整體設(shè)計(jì)思路是在改造過程中不影響機(jī)車原有的運(yùn)行方式，以保證裝置工作的可靠。

可靠的電源設(shè)計(jì)是裝置能夠正常工作的前提，本裝置采用110 V供電，選用質(zhì)量合格廠家的電源模塊，并在輸入輸出的前后端加裝濾波電路，保證系統(tǒng)的電磁兼容性。通過實(shí)際運(yùn)用表明該電源模塊完全能夠適應(yīng)機(jī)車工作環(huán)境。

裝置采用光電隔離方法，把外部采集信號(hào)和控制裝置本身隔離開來，保證外部信號(hào)所帶來的干擾減到最小。

遠(yuǎn)距離通訊采用電流環(huán)而不是電壓環(huán)，可以有效地降低共模電壓干擾。

對(duì)于關(guān)鍵的控制部位—接觸器控制采用有觸點(diǎn)的繼電器和無觸點(diǎn)的MOS開關(guān)進(jìn)行并聯(lián)，MOS開關(guān)處于工作模式，繼電器處于備用模式。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，繼電器保證切換到原有控制模式，并且還備有一個(gè)手動(dòng)開關(guān)，可以人為地切換到原有工作模式。

溫度傳感器安裝位置對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說非常重要，初期我們采用的是非接觸式的測(cè)溫方式，也就是將傳感頭貼在變壓器油箱的外面，在機(jī)車運(yùn)行的震動(dòng)中，溫度無法測(cè)準(zhǔn)，且反應(yīng)不及時(shí)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋的問題，我們及時(shí)地對(duì)傳感器進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，傳感器設(shè)計(jì)成全密封的凱裝式，將溫度傳感器安裝在機(jī)車主變壓器油箱預(yù)留的測(cè)溫孔上。3.3.2 主風(fēng)機(jī)回塵的防治措施

對(duì)于一些主變壓器風(fēng)道不是獨(dú)立風(fēng)道的機(jī)車(如:SS3、SS7)，開始時(shí)我們沒有考慮主變風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)后的回塵問題，使得電器間易集塵，發(fā)現(xiàn)問題后及時(shí)加裝了防塵罩，并作了大量的實(shí)驗(yàn)，證明措施可靠、易行。

為測(cè)試主變風(fēng)機(jī)加裝防回塵罩后對(duì)通風(fēng)量的影響，對(duì)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的風(fēng)速進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，結(jié)果如下:

主變風(fēng)機(jī)原額定通風(fēng)量技術(shù)參數(shù)(SS7)［4］:

風(fēng)量:19 200 m3/h=5.333 m3/s 葉輪直徑: 700 mm 風(fēng)筒直徑:750 mm

風(fēng)機(jī)風(fēng)筒截面積:π×r2=3.14×0.3752= 0.442 m2

風(fēng)速 =風(fēng)量/風(fēng)筒截面積 =5.333 m3/s÷ 0.442 m2=12.066 m/s

風(fēng)速儀型號(hào):EY3-2A電子微風(fēng)儀;測(cè)量范圍: 1～30 m/s;測(cè)量準(zhǔn)確度:≤±2%F.S

測(cè)試結(jié)果:(SS7-101#機(jī)車)

未加裝防回塵罩時(shí)的出風(fēng)口風(fēng)速:11 m/s (因不是測(cè)試風(fēng)筒內(nèi)部，風(fēng)速有損失)

加裝防回塵罩后的出風(fēng)口風(fēng)速:10 m/s

從測(cè)試結(jié)果來看，加裝防回塵罩后對(duì)風(fēng)速的影響是很小的(減小9%)，還是在正常的風(fēng)速范圍內(nèi)，不會(huì)影響變壓器的散熱。

4 運(yùn)用試驗(yàn)情況

為了驗(yàn)證裝置的可靠性和實(shí)際節(jié)能效果，在石家莊電力機(jī)務(wù)段配屬的SS4型0425號(hào) B節(jié)機(jī)車安裝了主變風(fēng)機(jī)節(jié)能裝置。裝置控制主變壓器在油溫高于54℃時(shí)開啟風(fēng)機(jī)，低于46℃關(guān)閉。經(jīng)過1年的試驗(yàn)，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示:完成總重31 416.1萬t·km，機(jī)車走行151 209 km，機(jī)車耗電314.92萬kWh。經(jīng)查定:A節(jié)機(jī)車耗電160.01萬kWh，B節(jié)耗電154.91萬kWh，B節(jié)比A節(jié)少耗電5.1萬kWh，節(jié)約成本4.44萬元，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。并于2007年11月21日通過了北京鐵路局科委的鑒定。

5 結(jié)語

該節(jié)能裝置通過控制主變壓器風(fēng)機(jī)運(yùn)行能顯著降低機(jī)車能耗，產(chǎn)生十分明顯的經(jīng)濟(jì)效益，特別在目前電力供應(yīng)相對(duì)緊張的狀況下，安裝該裝置也具有顯著的社會(huì)效益，符合國(guó)家“節(jié)能減排”政策，能夠有力地支持國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

［1］ GB/T15164—1994，油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則［S］.

［2］ TB/T1680—2006，鐵路應(yīng)用 機(jī)車車輛牽引變壓器和電抗器［S］.

［3］ GB1094—1979，電力變壓器［S］.

［4］ 楊永林.韶山7E型電力機(jī)車［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2004.

TK01+8

B

2095－1671(2011)01－0022－03

2010-11-19;

2011-01-04

馮嘉慶(1963－)，男，天津人，工程師，北京鐵路局計(jì)劃統(tǒng)計(jì)處節(jié)能監(jiān)測(cè)站副主任。