Залізничний трансформатор: типи, технічні характеристики та застосування

 

вступ

Для безпечної та ефективної роботи високо-швидкісних поїздів, трамваїв, легких рейок, метро та звичайних поїздів потрібне надійне електропостачання. За цим джерелом живлення стоїть ряд спеціалізованих залізничних трансформаторів, призначених для перетворення та розподілу електроенергії для різних частин системи електрифікації залізниці. Серед нихтягитрансформаторивідіграють ключову роль. Вони використовуються на залізничних тягових підстанціях і, в деяких випадках, на борту поїздів для перетворення електроенергії в напругу та конфігурацію, необхідну для залізничних тягових систем. У цій статті ми пояснюємо, що таке залізничний трансформатор, як працюють тягові трансформатори, основні типи залізничних трансформаторів, їх основні характеристики та як правильно вибрати трансформатор для системи електропостачання залізниці.

 

Що таке тяговий трансформатор залізниці?

Залізничний трансформатор призначений для використання в системах електрифікації залізниць для перетворення, ізоляції та розподілу електроенергії для поїздів і відповідного обладнання. Одним з основних типів є тяговий трансформатор, який забезпечує живлення тягової системи залізниці.

Залізничний тяговий трансформатор, також відомий як тяговий силовий трансформатор, зазвичай перетворює високу{0}}напругу змінного струму від комунальної мережі або мережі електропостачання залізниці на напругу, придатну для тягової системи. Його зазвичай встановлюють на тяговій підстанції залізниці, де він постачає електроенергію в контактну мережу або третю -залізничну систему. Деякі тягові трансформатори також призначені для безпосередньої установки на електропоїздах.

На відміну від звичайних силових трансформаторів, тяговий трансформатор повинен витримувати часті та швидкі зміни навантаження. Прискорення поїзда може спричинити раптове збільшення струму, тоді як гальмування та зміни в роботі поїзда можуть призвести до подальших коливань електричного навантаження. Таким чином, залізничні тягові трансформатори розроблені для надійної роботи в умовах динамічних навантажень, електричних навантажень, вібрації та інших складних залізничних умов.

Для більш широкого ознайомлення з конструкцією та компонентами тягового трансформатора

побачити нашОгляд тягового трансформатора.

 

3. Принцип роботи залізничного трансформатора

Принцип роботи залізничного трансформатора заснований на електромагнітній індукції. На тяговій підстанції трансформатор знижує високу{1}}напругу від мережі або мережі електропостачання залізниці до напруги, придатної для тягової системи залізниці.

Висока-вхідна напруга: Електрика від повітряних контактних ліній або систем третьої -залізниці подається в первинну обмотку залізничного трансформатора. Вхідна напруга може коливатися від 15 кВ до 25 кВ залежно від залізничної системи.

 

Перетворення напруги:Висока{0}}вхідна напруга живить первинну обмотку та створює мінливе магнітне поле в сердечнику трансформатора. Через електромагнітну індукцію це магнітне поле індукує нижчу напругу у вторинній обмотці, причому напруга визначається коефіцієнтом витків трансформатора.

 

Регулювання напруги: Залізничний трансформатор регулює напругу відповідно до вимог тягової системи поїзда, зазвичай знижуючи її до нижчого рівня напруги, придатного для силової установки поїзда.

 

Електропостачання: перетворена потужність потім доставляється до тягової системи, включаючи тягові двигуни чи інше бортове обладнання, що забезпечує роботу поїзда.

 

Захист і контроль: Залізничні трансформатори повинні витримувати як високу вхідну напругу, так і змінні вимоги до навантаження під час руху поїзда. Захисні пристрої, такі як автоматичні вимикачі та датчики, контролюють температуру, напругу та струм для забезпечення безпечної та надійної роботи.

 

Зворотний зв'язок і коригування: Постійний моніторинг дозволяє системі реагувати на зміни в навантаженні та робочих умовах, допомагаючи підтримувати стабільну продуктивність і запобігати збоям.

 

4. Типи залізничних трансформаторів

Існує кілька типів залізничних трансформаторів, і їх конструкції відрізняються залежно від системи електропостачання залізниці, місця установки та застосування. Основні типи включають стаціонарні тягові трансформатори, бортові тягові трансформатори, авто-трансформатори та багато-системні тягові трансформатори.

 

4.1 Стаціонарні тягові трансформатори

Стаціонарні тягові трансформатори встановлюються на залізничних підстанціях уздовж колії. Вони відключають високу-напругу від електромережі або мережі електропостачання залізниці перед тим, як подати електроенергію до поїзда через контактну мережу або третю рейку.

Ці трансформатори зазвичай використовуються в системах електрифікації залізниць для забезпечення стабільного та надійного електропостачання електропоїздів.

 

4.2 Бортові тягові трансформатори

Бортові тягові трансформатори встановлюють безпосередньо на електропоїздах або локомотивах. Вони мають компактну та легку конструкцію, оскільки вони повинні рухатися разом із потягом, задовольняючи високі-вимоги до потужності тягової системи.

Ці трансформатори отримують живлення від підвісної системи залізниці та знижують його до відповідної напруги для тягового та електричного обладнання поїзда.

 

4.3 Тягові авто-трансформатори

Тягові авто-трансформатори використовуються в системах електропостачання залізниць, особливо в системах високої-напруги та -швидкісних залізниць. Вони допомагають підтримувати необхідну напругу вздовж залізничної лінії та можуть зменшити падіння напруги та втрати потужності на великих відстанях.

На відміну від звичайних дво{0}}обмоткових трансформаторів, авто-трансформатор використовує спільну обмотку для частини первинного та вторинного кіл.

 

4.4 Багато{1}}системні тягові трансформатори

Багато-системні тягові трансформатори призначені для електропоїздів, які працюють на залізничних мережах із різними системами електрифікації. Вони можуть підтримувати різні напруги та частоти живлення, що дозволяє поїздам працювати в різних регіонах або країнах з різними стандартами електроенергії залізниць.

 

4.5 Трансформатори для тягових систем змінного та постійного струму

Залізничні тягові трансформатори також можна класифікувати за типом електропостачання залізниці.

Тягові трансформатори змінного струму використовуються в системах електрифікації залізниць змінного струму, зокрема в багатьох -міських і високошвидкісних залізничних мережах. Вони знижують вхідну напругу змінного струму до рівня, необхідного для системи тяги поїзда.

Системи тяги постійного струму зазвичай використовуються для поїздів метро, ​​трамваїв і приміських залізниць. У цих системах трансформатори, як правило, використовуються разом із випрямлячами для перетворення вхідної потужності змінного струму в потужність постійного струму, необхідну для залізничної системи.

Вибір залізничного трансформатора залежить від системи електрифікації залізниці, напруги та частоти, типу установки, вимог до поїзда та умов експлуатації.

 

5. Застосування тягових трансформаторів залізниці

Залізничні тягові трансформатори в основному використовуються в електрифікованих залізничних системах для забезпечення надійного живлення поїздів і відповідного залізничного обладнання. Їх застосування залежить від типу залізниці, поїзда та системи електрифікації.

 

6. Конструкція та технічні характеристики тягового трансформатора залізниці

Конструкція тягового трансформатора залежить від системи електрифікації залізниці, типу установки, рівня напруги, вимог до потужності та умов експлуатації. У порівнянні зі стандартними силовими трансформаторами залізничні трансформатори повинні витримувати часті зміни навантаження, механічну вібрацію, електричні навантаження та складні умови експлуатації.

 

6.1 Сердечник і обмотки

Сердечник трансформатора забезпечує низький-магнітний потік для магнітного потоку між обмотками. Високоякісні -матеріали сердечника та жорстка конструкція допомагають трансформатору підтримувати надійну роботу під час коливань залізничних навантажень.

Обмотки розроблені відповідно до необхідної напруги та потужності. Високоякісні провідникові матеріали та системи ізоляції використовуються для забезпечення механічної міцності та електричної ізоляції, необхідних для застосування на залізниці.

 

6.2 Напруга та частота

Характеристики тягового трансформатора залежать від системи електропостачання залізниці. Загальні рівні постачання залізниці включають:

• 15 кВ, 16,7 Гц змінного струму - використовується в деяких європейських залізничних мережах.
• 25 кВ, 50/60 Гц змінного струму - широко використовується для електрифікації залізниць.
• Тягові системи 1,5 кВ постійного струму та 3 кВ постійного струму - використовуються в деяких міських і звичайних залізничних мережах.

Вихідна напруга вибирається відповідно до вимог тягової системи та подальшого електрообладнання.

 

6.3 Номінальна потужність

Номінальна потужність тягового трансформатора зазвичай вказується в кВА або МВА і залежить від поїзда, залізничної мережі та очікуваного навантаження. Для різних застосувань може знадобитися різна номінальна потужність: від менших одиниць для легкорейкового транспорту та трамваїв до трансформаторів більшої-потужності для високо-швидкісних поїздів і важких-залізниць.

Трансформатор також має бути розроблений таким чином, щоб витримувати короткочасні-перевантаження та швидкі зміни навантаження під час прискорення поїзда, гальмування та нормальної роботи.

 

6.4 Охолодження та конструкція

Тягові трансформатори можуть використовувати різні методи охолодження залежно від установки та вимог до потужності.

Масляні-трансформатори використовують ізоляційну рідину як для охолодження, так і для ізоляції.

Сухі-трансформатори використовують повітря для охолодження та тверді ізоляційні матеріали, що робить їх придатними для застосувань, де масло не є кращим.

Для застосування на борту трансформатор також повинен відповідати строгим вимогам щодо простору та ваги. Залежно від конструкції поїзда, трансформатори можуть бути встановлені в машинних відділеннях, під підлогою, на низьких-підлогах або на даху.

 

6.5 Перемикач відводів і регулювання напруги

Для регулювання напруги трансформатора відповідно до вимог залізничної енергосистеми можна використовувати перемикач РПН. Залежно від застосування тяговий трансформатор може використовувати перемикач РПН під-навантаження (OLTC) або перемикач РПН-без навантаження.

РПН може регулювати напругу, поки трансформатор залишається під напругою, тоді як перемикач РПН-не навантаження вимагає від’єднання трансформатора перед зміною положення РПН.

 

6.6 Ефективність і втрати енергії

Тягові трансформатори розроблені для високої ефективності, оскільки вони працюють під частими та мінливими умовами навантаження. Їхні втрати енергії в основному включають втрати в сердечнику та втрати навантаження.

• Втрати в сердечнику: Головним чином викликано гістерезисом і вихровими струмами в сердечнику трансформатора. Ці втрати залишаються відносно стабільними, коли трансформатор знаходиться під напругою.
• Втрати навантаження: Головним чином викликано опором обмотки та збільшенням квадрата струму навантаження.
• Інші втрати: Розсіяні втрати, діелектричні втрати та потужність, споживана охолоджуючим обладнанням, також можуть внести свій внесок у загальні втрати.

Фактична ефективність і втрати залежать від конструкції трансформатора, номінальної потужності, матеріалів, методу охолодження та робочого навантаження. Тому ККД трансформатора та значення втрат слід оцінювати відповідно до конкретних вимог проекту та застосовних стандартів.

 

6.7 Захист і тестування

Надійний захист необхідний, оскільки тягові трансформатори працюють під високими електричними та динамічними навантаженнями. Типові функції захисту та моніторингу включають:

• Захист від перевантаження по струму
• Захист від перенапруги
• Контроль температури
• Контроль ізоляції
• Захист від замикань на землю

Випробування тягового трансформатора проводяться для перевірки електричних характеристик, міцності ізоляції, температурних характеристик і загальної надійності перед введенням трансформатора в експлуатацію.

Остаточні характеристики та номінали тягового трансформатора слід визначати відповідно до системи напруги залізниці, частоти, потреби в потужності, умов встановлення, методу охолодження та застосовних стандартів.

 

6.8 Основні проблеми проектування

Залізничні тягові трансформатори повинні відповідати декільком вимогам, зокрема:

Висока потужність: витримувати високі навантаження, які швидко змінюються.

Термічний менеджмент: Розсіює тепло за складних умов експлуатації.

Механічна міцність: Витримує вібрацію та механічні навантаження.

Компактність: Дотримання обмежень щодо простору та ваги, особливо для бортових застосувань.

Надійність: Підтримуйте стабільну роботу з мінімальним обслуговуванням.

 

7. Як вибрати залізничний трансформатор?

Вибір відповідного залізничного трансформатора залежить від енергетичної системи залізниці, вимог до навантаження, умов встановлення та застосовних стандартів. Перш ніж розміщувати замовлення, важливо підтвердити наступні основні характеристики.

 

7.1 Номінальна потужність і напруга

Трансформатор повинен мати достатню потужність, щоб витримати очікуване навантаження на залізницю, включаючи пікове та змінне навантаження під час експлуатації. Необхідну номінальну потужність і рівень високої-напруги слід визначати відповідно до системи електропостачання залізниці.

SCOTECH може надати трансформатори з номінальною потужністю до 100 МВА та номінальною високою напругою до 132 кВ, з індивідуальними параметрами, доступними відповідно до вимог проекту.

 

7.2 Вимоги до підключення та фази

Підключення трансформатора має відповідати системі тяги залізниці та конфігурації її електроживлення. Для різних застосувань на залізниці можуть знадобитися різні розташування фаз і з’єднання обмоток.

Доступні варіанти підключення:

• YN,d11
• YN,d11,d5
• V₀V₀
• Scott-підключений (3-фазний/2-фазний)
• Leblanc-підключений (3-фазний/2-фазний)
• Woodbridge-підключений (3-фазний/2-фазний)

 

7.3 Ізоляція та охолоджувач

Вибір ізоляційного та охолоджувального середовища залежить від середовища встановлення, вимог до продуктивності та специфікацій проекту.

SCOTECH може надати різні варіанти, включаючи FR3, мінеральне масло, силіконове, вуглеводневе та рослинне масло.

Системи охолодження також можна налаштувати відповідно до потужності трансформатора та застосування, доступними радіаторами з оцинкованої або-нержавіючої сталі.

 

7.4 Бак і аксесуари

Бак і кришка трансформатора повинні забезпечувати достатню механічну міцність і захист внутрішніх компонентів. Залежно від вимог проекту SCOTECH пропонує резервуари та кришки з м’якої або нержавіючої -сталі.

Також можна налаштувати додаткові аксесуари, зокрема:

• Естафета Бухгольца
• Трансформатор струму (CT)
• Перемикач РП-під навантаженням (OLTC)
• Сортувальний ящик
• Індикатор температури обмотки
• Інші аксесуари для моніторингу та захисту

 

7.5 Імпеданс і індивідуальні вимоги

Імпеданс трансформатора впливає на регулювання напруги та ефективність короткого-замикання, тому його слід вибирати відповідно до вимог залізничної системи.

SCOTECH підтримує спеціальний імпеданс і може забезпечити електростатичний екран, коли це необхідно. Інші параметри трансформатора також можна налаштувати відповідно до специфікації проекту.

 

7.6 Стандарти та тестування

Залізничні трансформатори повинні бути розроблені та випробувані відповідно до стандартів, необхідних для конкретного проекту та ринку. SCOTECH розробляє трансформатори відповідно до застосовних стандартів IEC, ANSI/IEEE, NEMA, CSA та інших відповідних стандартів.

Перш ніж вибрати залізничний трансформатор, перевірте необхідну номінальну потужність, напругу, частоту, підключення, ізоляцію та охолоджуюче середовище, повний опір, аксесуари, умови встановлення та відповідні стандарти. Надання цих деталей виробнику трансформатора допомагає переконатися, що остаточний проект відповідає енергетичній системі залізниці та експлуатаційним вимогам.