Vx接線卷鐵心牽引變壓器建模與仿真

王冬梅，董智慧，車一鳴

（1.保定電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071020；2.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

引言

目前，牽引變壓器鐵心多采用普通的疊鐵心結(jié)構(gòu)，具有空載損耗大、節(jié)能效果不理想等缺陷。節(jié)能型卷鐵心變壓器仍選用傳統(tǒng)硅鋼材料，僅通過結(jié)構(gòu)改進便實現(xiàn)了高效節(jié)能，并且已經(jīng)在電力系統(tǒng)配電網(wǎng)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，由于牽引變壓器容量大，其目前在牽引供電系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用還處在探索階段，以往進行的卷鐵心變壓器有限元建模研究，也多集中于農(nóng)網(wǎng)和城網(wǎng)配電變壓器，就牽引變壓器而言，這類研究相對較少。本文搭建了卷鐵心牽引變壓器的有限元模型，并進行了有限元模型空載及短路運行特性仿真，將結(jié)果與同等容量疊鐵心牽引變壓器相對比，驗證了卷鐵心牽引變壓器的節(jié)能效果。

1 節(jié)能型卷鐵心變壓器有限元建模

1.1 Vx接線卷鐵心牽引變壓器結(jié)構(gòu)

Vx接線牽引變壓器是電氣化鐵路AT供電方式中的一種常用接線方式，它由兩臺單相三繞組變壓器組合而成，每臺變壓器的高壓為一個繞組，低壓分為T和F繞組，兩個低壓繞組中間接地[1]。其接線示意圖如圖1所示。

本文的分析對象為三相單框式Vx接線卷鐵心變壓器，它由兩臺額定容量分別為31.5 MVA和25 MVA的單相單框式Vx卷鐵心變壓器組合而成。需要說明的是本文以其中的25 MVA卷鐵心變壓器為例進行建模分析，該變壓器的鐵心結(jié)構(gòu)示意圖及繞組排列圖分別如圖2、圖3所示。其鐵心由兩個單獨卷繞的半鐵心拼接而成，中間放置油道，高壓H繞組采用兩部分并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，牽引繞組（T繞組）和饋電繞組（F繞組）交錯配置，做到結(jié)構(gòu)上對稱[2]。

1.2 有限元模型建立

1.2.1 相關(guān)參數(shù)計算

卷鐵心牽引變壓器的模型參數(shù)如表1所示。

表1 卷鐵心牽引變壓器模型參數(shù)

其中鐵心直徑按照以下公式進行計算所得：

式中：D為鐵心直徑，mm；S柱為變壓器每柱容量，kVA；K為經(jīng)驗系數(shù)。

繞組每伏匝數(shù)計算公式為：

式中：k為變壓器鐵心柱疊裝系數(shù)，在此取0.96；f為交流電頻率，取50 Hz；B為硅鋼片磁通密度，按硅鋼片型號取1.7 T；S截為變壓器鐵心柱截面積，cm2。

經(jīng)計算得N=0.007 6（匝/V），進而求得變壓器高壓側(cè)繞組匝數(shù)為1 672匝，低壓側(cè)繞組匝數(shù)為220匝（取二次側(cè)繞組匝數(shù)附加系數(shù)為1.05，即N2=1.05 NU2）。

1.2.2 模型建立

按照模型參數(shù)，在Ansoft Maxwell 3D中，對牽引變壓器進行1∶1建模。圖4給出的是單框卷鐵心3D模型圖，其由兩個對稱的單框組合而成，對于兩個單框之間設(shè)立的散熱油道，在此進行了簡化設(shè)置，忽略了油道對鐵心主磁場分布的影響，以空氣縫隙設(shè)置代替。整體3D模型圖如圖5所示，模型中繞組的分布為：左側(cè)鐵心柱上繞組從內(nèi)到外依次是F_1繞組、T_1繞組、H_1繞組，右側(cè)鐵心柱上繞組從內(nèi)到外依次是T_2繞組、F_2繞組、H_2繞組。

為便于將卷鐵心變壓器的性能同普通變壓器進行對比分析，本文用同樣的方法搭建了一臺同容量的單框式單相疊鐵心變壓器模型，該變壓器的3D模型圖如圖6所示。

1.2.3 模型材料屬性設(shè)置

鐵心材料采用冷軋有取向27QG100硅鋼片，厚度為0.27 mm，在軟件中設(shè)置其相關(guān)參數(shù)及曲線，硅鋼片的初始B-H曲線和鐵損曲線（即B-P曲線）分別如圖7、圖8所示。

12.4 激勵源及邊界條件選擇

根據(jù)所建立的變壓器模型的實際情況，邊界條件選擇Zero Tangential H Field邊界條件，即磁場強度切向分量恒為零邊界條件。

2 節(jié)能型卷鐵心牽引變壓器仿真結(jié)果

對搭建的同容量卷鐵心及疊鐵心牽引變壓器有限元模型分別進行了空載和短路試驗仿真，仿真得到的勵磁涌流波形圖、空載損耗波形圖及短路時高壓繞組H_1兩端的電壓波形圖分別如圖9、下頁圖10和下頁圖11所示。

為便于比較，將相關(guān)仿真數(shù)據(jù)記錄如下頁表2。

表2 卷鐵心牽引變壓器與疊鐵心牽引變壓器仿真結(jié)果

3 結(jié)論

仿真結(jié)果表明，與同容量的疊鐵心牽引變壓器相比，卷鐵心牽引變壓器的勵磁涌流最大值降低了50%，空載電流減小了45.5%，空載損耗下降了23.9%，短路電壓百分比也有所下降，說明卷鐵心牽引變壓器具有很好的節(jié)能效果。

目前，受限于技術(shù)、制造成本、制造周期等原因，節(jié)能型卷鐵心變壓器的生產(chǎn)主要集中于10 kV的電力系統(tǒng)配電變壓器，容量一般在315 kVA以下，在牽引供電系統(tǒng)中的應(yīng)用實例并不多，隨著人們在制造研發(fā)大容量卷鐵心變壓器的過程中自主創(chuàng)新，不斷實現(xiàn)技術(shù)突破，卷鐵心變壓器將被推廣至更多的應(yīng)用領(lǐng)域，產(chǎn)生更大的經(jīng)濟意義。